官云鵬

(福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 福建 福州 350001)

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福鼎沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

官云鵬

(福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 福建 福州 350001)

沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程施工難度高，技術(shù)要求專(zhuān)業(yè)，在施工中應(yīng)用水下淺地層剖面探測(cè)技術(shù)、管道整體性設(shè)計(jì)、S形沖泥沉管法施工等關(guān)鍵技術(shù)，保障了工程的實(shí)施，可為其他類(lèi)似工程提供借鑒。

跨海供水工程； 海底管道路由； 水下淺地層剖面探測(cè)技術(shù)； 鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管； S形沖泥沉管法施工

1 概 述

福鼎市沙埕鎮(zhèn)為閩東沿海半島干旱缺水地區(qū)，鎮(zhèn)里淡水資源嚴(yán)重匱乏。沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程，從沙埕鎮(zhèn)對(duì)岸的黨洋水庫(kù)經(jīng)釣岙、跨沙埕港至沙埕鎮(zhèn)水廠，引水規(guī)模為2550m3/d，管線總長(zhǎng)度4.4km，其中沙埕港跨海段管長(zhǎng)1.7km。

對(duì)跨海供水工程來(lái)說(shuō)，海底管道是整個(gè)工程總投資和進(jìn)度的控制性部分。該工程規(guī)模小，投資低，然而跨海段施工難度高，技術(shù)要求專(zhuān)業(yè)，需要在施工中引進(jìn)一些關(guān)鍵技術(shù)，保證工程的實(shí)施[1]。

2 水下淺地層剖面探測(cè)技術(shù)

海底管線路由是管道系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和工程建設(shè)的基礎(chǔ)，要鋪設(shè)海底輸水管道，首先要選擇合適的海底路由，也就是海底線路，保證在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，海底管線能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)還要求海底管線盡可能短，以降低工程造價(jià)。

由于海水掩蓋，海底地形難以直接觀察，無(wú)法調(diào)查路由區(qū)海底地質(zhì)情況。在該工程海底管道路由設(shè)計(jì)中采用水下淺地層剖面探測(cè)技術(shù)，對(duì)路由區(qū)海底地形地貌及底層地質(zhì)情況進(jìn)行綜合探測(cè)[2]。

水下淺地層剖面探測(cè)技術(shù)是通過(guò)換能器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率的聲波脈沖向海底發(fā)射，該聲波在海水和沉積層傳播過(guò)程中遇到聲阻抗界面，經(jīng)反射返回?fù)Q能器轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號(hào)后記錄下來(lái)，并輸出為能夠反映地層聲學(xué)特征的淺地層聲學(xué)記錄剖面[3]。

對(duì)于淺地層聲學(xué)記錄剖面的成果解釋?zhuān)饕峭ㄟ^(guò)聲波反射界面的追蹤與識(shí)別，經(jīng)過(guò)對(duì)反射特征的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌與相關(guān)地質(zhì)資料和其他勘探資料，特別是代表性的鉆探資料，最終對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行分析判斷。沙埕港海底管線路由區(qū)海底地形典型的特征分析如下。

2.1 礁石

從波形記錄上看(見(jiàn)圖1)，表現(xiàn)為毛躁的表面，有較明顯起伏。分析認(rèn)為，由于海底礁石常年經(jīng)受暗涌沖擊下浮砂的侵蝕，大多表面粗糙多孔，而淺剖儀發(fā)射的線性調(diào)頻波探測(cè)精度極高，可以把礁石表面粗糙的特征表現(xiàn)出來(lái)。

圖1 礁石反射特征

2.2 淤泥

淤泥質(zhì)地松軟，無(wú)骨架顆粒，反射損失較小，對(duì)聲波的衰減較小，是淺剖探測(cè)最適宜的地層，在波形特征上表現(xiàn)為灰度較淺，如圖2所示。

圖2 淤泥反射特征

2.3 淤泥質(zhì)黏土

淤泥質(zhì)黏土具有同淤泥類(lèi)似的物理特性，也是淺剖探測(cè)較適宜的地層，反射特征區(qū)別于淤泥的均質(zhì)，表現(xiàn)為多條紋狀，且能量灰度較淤泥強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 淤泥質(zhì)黏土反射特征

2.4 砂

砂是由顆粒組成的介質(zhì)，且海底沉積砂層相對(duì)密實(shí)，故砂層對(duì)聲波的反射能量較強(qiáng)，穿透的聲波在顆粒間的漫反射也造成了聲波在傳播過(guò)程中的能量損失，故淺剖發(fā)射的聲波探測(cè)對(duì)砂質(zhì)海底效果較差，聲波能量多以反射和透射損失為主，穿透深度較小。從反射特征圖譜來(lái)看，呈現(xiàn)散點(diǎn)狀，且灰度較大，如圖4所示。圖4揭示的淤泥、淤泥質(zhì)黏土、砂的特征區(qū)分非常明顯。

圖4 砂反射特征

2.5 管道

圖5為探測(cè)剖面中管道位置典型反射特征，呈明顯的拋物線形態(tài)。

圖5 管道反射特征

利用水下淺地層剖面探測(cè)技術(shù)，布置網(wǎng)格狀測(cè)線，就可清晰、直觀地顯示海底的地形地貌，以及地層地質(zhì)情況，在水下管道路由布置中避開(kāi)礁石、深溝等區(qū)域。

3 管道整體性設(shè)計(jì)

沙埕鎮(zhèn)跨海管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為2.5MPa，還要承受30m深的外水壓力；由于管線經(jīng)過(guò)的海底為淤泥，管道長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生沉降；另外在海上鋪設(shè)過(guò)程中管道易受到波浪和洋流的影響，須經(jīng)得起海浪上下左右的顛簸所產(chǎn)生的變形破壞；水深30m，運(yùn)行期維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用很大，如果管道質(zhì)量出一點(diǎn)問(wèn)題，就可能產(chǎn)生巨大的影響，就有可能使整個(gè)海底管道報(bào)廢。因此，該工程通過(guò)管材、接頭、管道配重等幾方面設(shè)計(jì)，使管道形成一個(gè)整體，經(jīng)得起海上施工的折騰，滿足長(zhǎng)期使用的要求。

3.1 管材選擇

根據(jù)工程特點(diǎn)，通過(guò)比較鋼管、玻璃鋼管、PE管及鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管，最終選用鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管。鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管是以高強(qiáng)度鋼絲左右螺旋纏繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)體，并用高性能的粘結(jié)樹(shù)脂層將鋼絲網(wǎng)骨架與內(nèi)外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起，這種管材克服了鋼管和塑料管各自的缺點(diǎn)，而又保持了鋼管和塑料管各自的優(yōu)點(diǎn)。具有耐腐蝕、耐老化、耐磨、耐壓、耐化學(xué)等特性，克服金屬管道不耐腐、非金屬管道不耐壓、玻璃鋼管道對(duì)鋪設(shè)環(huán)境要求高而抗沖擊力較差等諸多弱點(diǎn)，剛性高，抗沖擊性強(qiáng)，又具有優(yōu)良柔韌性。

為保證海底管道不因管材的質(zhì)量而報(bào)廢，每根鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管施工前均進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，合格后方準(zhǔn)使用。

3.2 接頭設(shè)計(jì)

管道的接頭是海上管道最薄弱的環(huán)節(jié)，易受到外力影響而產(chǎn)生破壞，解決的方法有兩種：減少接頭；提高接頭的連接強(qiáng)度。

為減少管道接頭，并滿足管道運(yùn)輸要求，采用定制的18m長(zhǎng)管材，減少50%的管道接頭，降低管道接頭破壞的安全隱患。

鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管接頭方式有對(duì)焊連接、承插連接、法蘭連接、電熱熔套筒連接。該項(xiàng)目采用電熱熔套筒連接。電熱熔套筒經(jīng)定制，內(nèi)有薄鋼板卷焊而成的鋼骨架，接頭與管材結(jié)合在一起后，電熱熔套筒的鋼骨架與鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管的鋼絲網(wǎng)骨架有15cm的搭接長(zhǎng)度，能讓管材承受的應(yīng)力能向下傳遞，不會(huì)在接頭處斷開(kāi)，使得整個(gè)管道形成一個(gè)整體。

3.3 配重塊使用

鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管每米重量?jī)H為15kg，整根管自重為25.5t，空管時(shí)浮力為53.4t。海上施工時(shí)，管道將浮在海面上，無(wú)法下沉至海底溝槽內(nèi)，并且受風(fēng)浪影響，管道上下左右擺動(dòng)，雖然鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管具有一定的柔韌性，但也經(jīng)不起長(zhǎng)時(shí)間受海浪的影響，容易產(chǎn)生彎曲破壞，因此需要進(jìn)行配重設(shè)計(jì)，使管道迅速沉入溝槽中，不受風(fēng)浪影響。該工程配重塊采用耐海水腐蝕低合金鑄鐵，配重塊每2.0m設(shè)置一個(gè)，為環(huán)狀, 厚度60mm, 長(zhǎng)度90mm。

4 S形沖泥沉管法施工

海上管道施工須采用專(zhuān)業(yè)的施工方法，該項(xiàng)目海上管道施工流程如下：

a.在鋪管前，采用拖動(dòng)的水力機(jī)械形成高壓噴射水流，在海底沖切出設(shè)計(jì)要求的管溝斷面，并且實(shí)現(xiàn)不間斷前行，快速開(kāi)挖海底管溝。

b.在鋪管船上，將管材、接頭及配重塊安裝并檢驗(yàn)合格后，通過(guò)鋪管船上車(chē)槽式滑道及圓弧形托管架，將管沉入海底開(kāi)挖好的溝槽中。

c.在管道沉放島溝槽中，同時(shí)在管道兩側(cè)小船通過(guò)繩索間隔左右拉扯，使溝槽中的管道形成一定的S形，并在溝槽中回填碎塊石，使管道以S形固定下來(lái)。

該工程海上管道施工采用S形沖泥沉管法，使管道增加了變形余量。在管道長(zhǎng)期使用過(guò)程中，海床均會(huì)有一定的變遷，同時(shí)管道也會(huì)產(chǎn)生沉降，管道新增的變形余量能夠適應(yīng)這些變化，以減少變形對(duì)管材及接頭的損傷。

5 結(jié) 論

通過(guò)水下淺地層剖面探測(cè)技術(shù)、管道整體性設(shè)計(jì)、S形沖泥沉管法施工等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程從前期設(shè)計(jì)到完工通水僅用不到9個(gè)月時(shí)間，經(jīng)過(guò)2年的運(yùn)行使用，用水流量穩(wěn)定，運(yùn)行情況良好，符合設(shè)計(jì)要求。我國(guó)海島眾多，均存在缺水問(wèn)題，跨海供水是一項(xiàng)不錯(cuò)的選擇，沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程能夠?yàn)槠渌こ淘O(shè)計(jì)提供借鑒。

[1] WYLIE E B,STREETER V L,SUO Lisheng.Fluid Transients in System[M].New Jersey:Prentice Hall Inc,Englewood Cliffs,1993.

[2] 陳乃祥.水利水電工程的力學(xué)瞬變仿真與控制[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2005.

[3] 樊紅剛,陳乃祥,孟祥文,等.虛擬阻抗法在水電工程仿真自動(dòng)建模中的應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2001,41(10):82-85.

Application of several key technologies in Fuding Shacheng Town sea water diversion project

GUAN Yunpeng

(FujianWaterResourcesandHydropowerSurvey&DesignInstitute,Fuzhou350001,China)

Shacheng Town sea water diversion project is characterized by high construction difficulty and professional technology. Underwater shallow layer profile detection technology, pipeline integrity design, s-shaped mud slide immersed tube construction and other key technologies are applied in construction, thereby ensuring project implementation and providing reference for other similar projects.

sea water supply project; submarine pipeline routing; underwater shallow layer profile detection technology; steel mesh skeleton plastic composite pipe; construction by s-shaped mud slide immersed tube method

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.04.005

TV52

A

2096-0131(2016)04- 0015- 03