油氣管道開挖穿越河流洪水影響計算分析及設(shè)計優(yōu)化

范亞偉　周壘

關(guān)鍵詞： 油氣管道 河流穿越 洪水影響計算 設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號： TE973.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0170-05

油氣管道與河流交叉穿越時須加大開挖深度和穿越長度，其往往具有造價高，工期難以掌握，施工和安全管理難度大等特點(diǎn)，是管道工程建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)和控制性工程，同時也是后期運(yùn)營安全管理中的薄弱環(huán)節(jié)。以往案例中，油氣管道事故往往是由于管道埋深、穿越長度、交叉角度等參數(shù)不符合要求，遭到洪水、地質(zhì)變化、清淤施工等造成的。在設(shè)計階段如何將施工與后期運(yùn)營安全進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，最大限度地優(yōu)化管道穿越各項參數(shù)，對工程建設(shè)和后期維保具有十分重要的意義。

以某工程為例，結(jié)合現(xiàn)場、規(guī)范及主管部門要求，通過計算分析河流水文和沖刷等數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)果對初步設(shè)計方案進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化，達(dá)到減小投資和施工難度，同時又能保證后期運(yùn)營安全的目的，為同類管道穿越河流工程提供借鑒經(jīng)驗。

1 現(xiàn)狀分析

某天然氣管道工程采用開挖方式穿越濟(jì)南市衛(wèi)柳河，管道設(shè)計規(guī)格為D1016×17.5 mm，管道所經(jīng)地區(qū)為平原和低山丘陵，所穿河道涉及防洪、排澇、輸水等功能，對管道后期運(yùn)營有一定的影響。

初步設(shè)計階段管道穿越該河流埋深為管頂以上7.48 m（相較于自然地面），距離河道現(xiàn)狀沖刷線距離3.12 m，穿越交叉角度為64°，穿越長度為115 m，兩側(cè)彎管與河口垂直距離分別為16 m 和14.2 m。該穿越規(guī)模屬于危險性較大的分部分項工程，施工難度、工期、安全風(fēng)險與工程造價均難以把控，需要進(jìn)一步對該穿越工程進(jìn)行調(diào)研、分析、計算，并尋求優(yōu)化[1]。

優(yōu)化過程包括開展洪水影響計算、數(shù)據(jù)對比、優(yōu)化管道參數(shù)等幾個方面。

2 開展洪水影響計算所需要的條件

2.1 現(xiàn)場踏勘及地質(zhì)勘查資料

由項目設(shè)計單位對穿越現(xiàn)場進(jìn)行勘察測量，確定穿越段河渠現(xiàn)狀并繪制穿越斷面圖，包括河底、岸坡、堤防自然高程等。根據(jù)設(shè)計規(guī)范完成初步設(shè)計階段管道斷面圖。

開展地質(zhì)勘查，勘察深度至少覆蓋管道開挖埋設(shè)深度，提供河槽表層土巖性，并給出河槽表層土的分層厚度、中值粒徑、液性指數(shù)、塑性指數(shù)等，以便于開展下一步的洪水影響分析計算、管道穿越參數(shù)優(yōu)化。

2.2 計算標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)劃參數(shù)

搜集相關(guān)法律法規(guī)、洪水影響計算標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范性文件。如《中華人民共和國河道管理條例》《水利水電工程水文計算規(guī)范》《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，以及地方性防洪管理條例等；向地方水利主管部門征詢穿越河道的近遠(yuǎn)期規(guī)劃、當(dāng)?shù)啬昃涤炅俊⒆畲蠼涤炅康戎С中晕募?，用于進(jìn)一步分析管道沿線各流域水文特征，合理計算管道涉河穿越的洪水過程，避免管道建設(shè)對沿線水利設(shè)施帶來影響，保證管道布置滿足遠(yuǎn)期的防洪需求[2]。

3 洪水影響計算過程

3.1 基本參數(shù)匯總

根據(jù)現(xiàn)場勘測結(jié)果、河流現(xiàn)狀斷面及規(guī)劃設(shè)計斷面，對河流各項數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。具體數(shù)據(jù)情況如表1所示。

3.2 水文分析計算

3.2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》及初步設(shè)計圖紙，確定管線穿越衛(wèi)柳河管道設(shè)計洪水影響標(biāo)準(zhǔn)為2%（50 年一遇）。

3.2.2 水文分析

（1）設(shè)計雨期。

根據(jù)該地區(qū)《設(shè)計洪水計算指導(dǎo)意見》中，對于中小河流，設(shè)計雨期一般取24 h 即可滿足設(shè)計要求，故本次計算采用雨期為24 h。

（2）設(shè)計面雨量分析。

該次計算采用衛(wèi)柳河所在地雨量站實測暴雨資料，系列為1963—2020 年，共58 年。在n 項連續(xù)最大降水量系列中，大小排序的第m 項最大降水量的經(jīng)驗頻率P_m，采用數(shù)學(xué)期望公式進(jìn)行計算[3]：

根據(jù)上述公式對管線穿越處洪水進(jìn)行沖刷計算，計算成果如表7 所示。

4 管道穿越河流優(yōu)化設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)對比

通過以上計算分析結(jié)果結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與水利主管部門要求將各項數(shù)據(jù)對比，具體數(shù)據(jù)如表8 所示。

4.2 優(yōu)化方向

由各項數(shù)據(jù)對比可知，管道穿越衛(wèi)柳河處，各項初步設(shè)計參數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計算結(jié)果、河流規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及地方管理部門要求。經(jīng)分析，可在管頂與沖刷線距離、管頂與河底距離、交叉角度、彎管距離、穿越長度等方面進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.3 優(yōu)化過程及結(jié)果

根據(jù)上述第3 部分及4.1 和4.2 計算分析結(jié)果，在考慮充分裕量的情況下，對管道穿越角度進(jìn)行調(diào)增，管道穿越長度、彎管設(shè)置距離及穿越深度進(jìn)行調(diào)減，從而達(dá)到既能滿足后期運(yùn)營安全，又能減少大開挖穿越工程量，降低施工安全風(fēng)險的目的。具體內(nèi)容如下。

（1）管道軸線與河道流向夾角由64°調(diào)整為85°，進(jìn)一步減少了穿越占用河道斷面面積，降低了對河道規(guī)劃利用的影響，也降低了第三方施工破壞的風(fēng)險。

（2）左側(cè)彎管與河道管理范圍垂直距離調(diào)整為5.1 m，右側(cè)彎管距離相應(yīng)調(diào)整為5.2 m；管道穿越衛(wèi)柳河總體水平長度調(diào)減為70.0 m，垂直水流方向長度為69.81 m，整體開挖工作量有所降低。

（3）通過沖刷分析計算結(jié)論，穿越處管頂埋深由最低沖刷線以下3.12 m，調(diào)整為最低沖刷線以下1.9 m，管頂高程調(diào)整為43.73 m，減小了開挖深度，施工安全風(fēng)險有效降低，同時保留了保證1.26 倍沖刷線距離的要求。

（4）其他設(shè)計保證措施。開挖穿越河流時不設(shè)置高于地面的工程設(shè)施，臨時降水井、河流圍堰等輔助設(shè)施在施工完畢后應(yīng)拆除并恢復(fù)原狀；管道下溝完成后應(yīng)在管體上方鋪設(shè)警示帶，警示帶應(yīng)連續(xù)鋪設(shè)、不應(yīng)褶皺、重疊、斷裂；在管道出入河道兩端位置設(shè)置永久性的識別和警示標(biāo)志，并設(shè)置必要的安全監(jiān)測設(shè)施[7]。

5 結(jié)語

該項目對管道穿越衛(wèi)柳河進(jìn)行了科學(xué)的洪水影響計算分析，結(jié)合現(xiàn)場實際及當(dāng)?shù)厮块T遠(yuǎn)期規(guī)劃，通過數(shù)據(jù)對比，對初步設(shè)計穿越角度、長度及埋深等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，大大降低了工程的施工難度及工程造價，也大大減輕了開挖對環(huán)境的影響，施工安全風(fēng)險也得到了有效控制。

優(yōu)化后管道工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)符合要求，穿越工程與水流方向夾角、彎管與河道管理范圍的距離、管頂埋深均滿足相關(guān)規(guī)范和當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)期規(guī)劃的要求，管道運(yùn)營安全也得到了有效的保證，為國內(nèi)同類管道建設(shè)項目提供了良好的借鑒經(jīng)驗。