海島縣洞頭陸域引供水工程輸水管道海域段設(shè)計

陳守慶1，陳湧城1，羅昊進2，方均艦3，吳旭磊4，莊小將5，

包松考5，武樂毅5，陳金榮1，張德躍1

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津300074；2.溫州市城建設(shè)計院，浙江溫州325000；

3.溫州市洞頭縣水務(wù)有限公司，浙江溫州325000；4.溫州市公用事業(yè)投資集團有限公司，

浙江溫州325000；5.溫州市甌江口開發(fā)建設(shè)投資集團有限公司，浙江溫州325000)

涉海輸水管道在國內(nèi)的應(yīng)用實例很少，海島縣洞頭（溫州）陸域引供水工程是國內(nèi)涉海管道最為復(fù)雜艱難的典型案例。自2009年6月以來39 km主管線建成通水已有四年，一直運行良好。洞頭縣是我國的十二個海島縣之一，洞頭（溫州）陸域引供水一期工程目的為將溫州陸域的自來水引入海島縣——洞頭(見圖1)。

圖1 洞頭陸域引供水工程示意

一期工程輸水規(guī)模為7萬噸/天。其中輸水主管道全長為39 km，管徑為DN1 000，沿途經(jīng)過三處島嶼（靈昆島、霓嶼島、洞頭本島），穿越四段海域（甌江南支、靈霓大堤段海域、霓嶼島海域、海中湖海域），海底敷設(shè)管道總長度約8 km，靈霓海堤敷設(shè)約14.5 km，霓嶼島灘涂堤壩段敷設(shè)約1.2 km，穿山隧道為1.5 km，為沿線島嶼靈昆島、半島工程（現(xiàn)稱甌江口新區(qū)）、霓嶼島及洞頭本島提供自來水；另外利用5 km支線管道，管徑為DN300，跨越三座橋梁、四座隧道，為狀元岙深水港及沿線多座島嶼上居民提供自來水。

該工程于2006年開始建設(shè)，并于2009年6月建成通水，通過與洞頭管網(wǎng)的貫通，實現(xiàn)了洞頭南片六島供水的全覆蓋，徹底解決了洞頭人民靠天吃水的困局。

海底輸水管道工程具有隱蔽性、修復(fù)困難、施工難度大等特點，因此要求精心設(shè)計，并嚴(yán)格控制施工、材料供應(yīng)、第三方檢測、監(jiān)理等每一個環(huán)節(jié)，力爭做到萬無一失，以保證海底管道的使用壽命。

1 海底輸水管道設(shè)計理論

采用彈性敷設(shè)理論進行海底管道的設(shè)計。

海洋管道是一個特殊的工程,管道本身有一定的強度和剛度，尤其是在局部短管中就像普通梁結(jié)構(gòu)一樣傳遞剪力和彎矩，但在軸向尺度很大時，其整體上就是一個柔性很大的細長結(jié)構(gòu)，雖然位移很大，但管內(nèi)應(yīng)變很小，其內(nèi)力不是很大，這是管道結(jié)構(gòu)自身固有的力學(xué)特性。利用這種理論來設(shè)計海洋管道結(jié)構(gòu)就是彈性敷設(shè)法。

在海洋中其地基基礎(chǔ)往往表面是多年沉積的較軟的土壤,尤其是洞頭海域的海床大多是很厚的淤泥層，呈流塑狀態(tài)，承載能力很低。在風(fēng)浪流動荷載作用下，水流沖刷中基礎(chǔ)變形較大。同時大范圍內(nèi)地基不均勻沉降是必然存在的，所以海洋地基的變形是不可避免的。前述管道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性正好適應(yīng)這種海洋軟基基礎(chǔ)。利用管道的可浮、可沉性、結(jié)構(gòu)對稱性等特點，進行長管段長距離的漂浮、拖運、沉放施工。

2 管材設(shè)計

洞頭工程地形復(fù)雜，涉海段共有四段，管道敷設(shè)難度大，對管材的要求更高。由于各段涉海區(qū)域要求管道具有較高的抗拉強度和抗變形能力，所以選擇鋼管。

經(jīng)計算，提出海底管道采用DN1 000螺旋縫焊接鋼管，選用Q235-B低碳鋼、管道壁厚為14 mm，而甌江南支段因考慮到后期的開發(fā)利用適當(dāng)留有余地，選用Q345-B低碳鋼，管道壁厚為14 mm的管材設(shè)計實施方案。且經(jīng)過專家論證會論證，專家一致認為洞頭工程參照舟山工程成功的案例，選用螺旋縫焊接鋼管及低碳鋼的管材、國內(nèi)管廠加工制作、采用敷管船法施工且采取技術(shù)措施保證施工工程中管道應(yīng)力≤220 MPa的方案，是技術(shù)可行的，施工敷設(shè)操作方便，并能保證運行安全。

3 輸水管道的無損檢測設(shè)計

洞頭陸域引供水工程輸水管道非常復(fù)雜，管道施工安裝條件困難，運行條件也很惡劣，地基沉降大，臺風(fēng)時風(fēng)浪潮很大，對輸水管道的危害極大，因此鋼管的焊縫質(zhì)量控制、探傷及檢測尤其重要。

4 輸水管道的防腐設(shè)計

輸水鋼管內(nèi)防腐采用國內(nèi)市政管道普遍應(yīng)用的質(zhì)量優(yōu)良的8701飲用水涂料。本項目采用特加強級，構(gòu)造為兩底四面，厚度≥0.3 mm。

管道外防腐：海域段鋼管采用3PE防腐。

補口、補傷材料純海域段鋼管采用進口熱收縮帶（套）二層結(jié)構(gòu)，總厚度≥2.7 mm，其中馬蹄脂型膠粘劑厚度≥1.7 mm，基材厚度≥1.0 mm。其中霓嶼島段海域堤壩段鋼管的補口、補傷材料由于該段地形復(fù)雜，防腐方案必須能夠承受礁石、碎石等復(fù)雜地形管道基礎(chǔ)的摩擦，不同于純海域段管道的沙土軟基環(huán)境，因此防腐方案也有所不同，根據(jù)國內(nèi)外的海底管道防腐經(jīng)驗，該段海域補口、補傷材料采用進口環(huán)氧樹脂、輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶（套）三層結(jié)構(gòu)，防腐層總厚度≥2.5 mm，即無溶劑型環(huán)氧樹脂底漆一道，厚度≥0.2 mm，熱熔膠型膠粘劑厚度≥1.0 mm，基材厚度≥1.5 mm。

5 海底輸水管道陰極保護設(shè)計

洞頭工程海底輸水管線全長約8 km，管外徑為1 000 mm，設(shè)計輸水溫度約20 ℃，管線外涂層為3PE，埋設(shè)于溫州近海的海淡水介質(zhì)海底鹽泥中，水下深度約5~15 m。

設(shè)計采用鋁-鋅-銦合金犧牲陽極聯(lián)合涂層進行保護，針對陰極保護部分設(shè)計。

設(shè)計陽極形式為條式陽極，陸上安裝后隨管下海。

6 海底輸水管道排氣及控制閥設(shè)計

①空氣閥的設(shè)計

經(jīng)計算，其中管徑為DN1 000的管道配備DN150的復(fù)合式空氣閥。

本工程兩段主要海域甌江南支段及海中湖段長度分別為2.6、4.5 km，中間無法設(shè)置排氣閥，只能在兩端登陸點設(shè)置排氣閥，而海域段管道集氣，很有可能造成管道漂浮或產(chǎn)生水錘，因此采取可靠的排氣措施是關(guān)鍵。首先管道敷管下沉?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格施工，確保管內(nèi)空氣排凈不集氣，再次在兩岸登陸點設(shè)置雙復(fù)合式進口排氣閥，規(guī)格為DN150，加大排氣量，同時可起到備用作用。

②控制閥（調(diào)壓閥）的設(shè)計

洞頭陸域引供水工程輸水管線，起端接入的是城市自來水管網(wǎng)，根據(jù)管網(wǎng)平差，管網(wǎng)起端自來水壓頭約為33 m黃海高程，全程靠自來水管網(wǎng)的壓力將水輸往洞頭本島，并為沿途配水點配水。為了得到沿途各配水點穩(wěn)定均衡的供水，管網(wǎng)的末端——洞頭加壓泵站清水池的進水口必須設(shè)置一個維持出口壓力基本恒定的控制閥(即調(diào)壓閥)，利用此閥人為地將閥前管道的水頭抬高，使得管線高點不會產(chǎn)生半管流的狀態(tài)，防止管道因產(chǎn)生真空而受到破壞，同時保證了各沿途配水點供水壓力的均衡，并節(jié)省再次提升的耗電量，供水穩(wěn)定才會得以均衡，管道安全有保障。因此控制閥的設(shè)置非常關(guān)鍵。本工程按進口活塞式控制閥設(shè)計。

7 海底輸水管道敷管設(shè)計及施工

①總平面按照S形曲線敷設(shè)

為適應(yīng)海底管線的不均勻沉降，水下管線采用S形曲線路由彈性敷設(shè)，曲率半徑為2 000～2 500 m，中間距直線路由偏差為5～10 m。

②海底管道挖溝方法

本次設(shè)計原則上采用后挖法，受國內(nèi)施工技術(shù)及機械的限制，可挖深2.5 m，扣除1 m管徑，管頂覆土厚為1.5 m，在局部有沖刷的海域段，可根據(jù)沖刷深度適當(dāng)加大埋深，采用先挖與后挖相結(jié)合的方法。

③鎮(zhèn)墩設(shè)置

為了管道穩(wěn)定及滿足抗浮要求，在管道沿線每10 m間距設(shè)置一處沙袋鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩長為2 m。

④擋樁設(shè)置

在海底管道兩端靠近登陸段分別設(shè)置鋼制擋樁3排，間距約50 m，起到固定管道的作用。

⑤登陸段軟硬基礎(chǔ)過渡處理

海域管道登陸段兩端是海洋軟基礎(chǔ)與陸地硬基礎(chǔ)的過渡段，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計采用1.5 m間距，設(shè)置5排總長度為39 m的木樁基礎(chǔ)作為管道登陸段基礎(chǔ)的處理。

⑥海底管道施工流程

施工流程見圖２。

圖2 海底管道施工流程

⑦海底管道施工方法

本段管道全部為海域段，采用敷管船進行彈性敷設(shè)法敷管。

首先兩個挖泥船隊同時從管線兩端向中間方向按設(shè)計要求開挖溝槽，其中兩登陸端各39 m在開挖溝槽后進行地基處理施工。

然后采用敷管施工船以S形曲線路由進行彈性敷設(shè)，曲率半徑≥700 m，連續(xù)敷管時在管內(nèi)進水，保證管內(nèi)不積氣，每次敷管長度為96 m。

然后再用起重船進行水下沉樁施工、常規(guī)區(qū)域溝槽砂袋鎮(zhèn)壓墩施工和3#錨地區(qū)域砂袋鎮(zhèn)壓層施工。

最后再用挖泥船和泥駁按設(shè)計要求進行原土回填施工。具體施工圖見圖３～7。

圖3 海中湖段施工總平面布置圖

圖4 海中湖段管道敷設(shè)施工示意圖

圖5 海中湖段終端登陸示意圖

圖6 海中湖段敷管船施工作業(yè)照片

圖7 海中湖段終端登陸段施工照片

⑧海上施工測量

海上施工測量采用DGPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，插分站采用國家信標(biāo)系統(tǒng)。

8 海底輸水管道系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

①管道充淡水下沉

②海底管道嚴(yán)禁設(shè)置伸縮節(jié)

③海底管道鋼管的連接嚴(yán)禁設(shè)置法蘭

④海域管道基礎(chǔ)處理。

工程采用后挖法施工，減少對基礎(chǔ)的擾動，同時采用設(shè)置沙袋鎮(zhèn)墩的方式施工，以減少沉降，固定管道，避免了對全線海域管道的基礎(chǔ)處理所造成的巨大浪費。管線運行至今已有四年，中間還經(jīng)歷過莫拉克臺風(fēng)，一切正常，可見海域段的基礎(chǔ)處理是不必要的。

⑤海域管道路由選定應(yīng)避開鎮(zhèn)壓層

專家評語：涉海輸水管道在國內(nèi)的應(yīng)用實例很少，海島縣洞頭（溫州）陸域引供水工程是國內(nèi)涉海管道最為復(fù)雜艱難的典型案例，作者結(jié)合洞頭工程海域段輸水管道設(shè)計探討了如下內(nèi)容：海底輸水管道工程特點、彈性敷設(shè)理論、管材設(shè)計、無損檢測設(shè)計、防腐設(shè)計、陰極保護設(shè)計、排氣及控制閥設(shè)計、海域管道敷管設(shè)計及施工、系統(tǒng)水壓試驗、導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計及海底輸水管道系統(tǒng)應(yīng)注意的問題等。其設(shè)計經(jīng)驗可為相關(guān)工程提供技術(shù)參考,以提高我國涉海輸水管道的技術(shù)與設(shè)計水平。

本文榮獲《中國給水排水》2013年度“得利滿”優(yōu)秀論文二等獎

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