M管道穿越南水北调中线干渠工程的方案比选_王建红.pdf

189 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）收稿日期2022-12-21作者简介王建红（1988-），男，甘肃秦安人，工程师。文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04M 管道穿越南水北调中线干渠工程的方案比选王建红（中建六局水利水电建设集团有限公司，天津 300350）摘 要：南水北调中线工程总体走向为南北方向，M 天然气输气管道工程总体走向为东西方向，管道工程在线路上必然会与中线干渠产生交叉。因南水北调中线干渠工程等级高，供水保障要求高，其他工程尤其是石油天然气工程在穿越干渠时面临的技术难度较大、审批要求较高、对水源工程运行管理造成的不确定性增大。因此需要充分论证穿越路线的合理性，选择最佳穿越位置；需要严格选择穿越管道的规格、材质，确保无安全隐患；需要确定适合的施工方式，确保管道工程施工及运行期间对中线干渠的影响最小。文章通过多方案比选，论证 M 管道穿越工程技术的可行性、经济的合理性。关键词：南水北调工程；渠道；管道；方案比选中图分类号：TV91文献标识码：B1 工程概况南水北调中线工程是为解决中国北方沿线城市水资源严重短缺问题而兴建的大型跨流域引调水工程，是未来我国可持续发展、解决水资源不均衡矛盾的关键性工程，由人工修筑干渠、各类输配水建筑物、配套建筑物、附属设施等组成。干渠沿线封闭运行管理，渠道与沿线水系相互独立。中线干渠在邓州段为梯形断面，底宽 15.022.0m，边坡系数 23.25。边坡和河底采用混凝土板防护，下设防渗膜。中线干渠在西赵河交叉处通过西赵河倒虹吸分流，倒虹吸为一级建筑物，由进口渐变段、进口水闸、倒虹吸管身、出口节制闸（检修闸）、出口渐变段 5 部分组成，过水流量 340410m3/s，设计水位 143.678144.378m。M 天然气管道工程气源为南阳支线，自镇平县袁营村从南阳支线接天然气进而向邓州市供应天然气，终点为邓州市张楼乡，包含 1 条干线、1 条联络线，线路总长 34.9km。镇平在中线干渠北侧、邓州在中线干渠南侧，因此天然气输气管道必然与南水北调中线干渠镇平段存在交叉。因南水北调中线工程防护等级高，供水保障及水质要求高，其他工程在穿越干渠时面临的技术难度大，文章从跨越方案、穿越线路、穿越管径、施工方法等关键方面进行方案比选。2 M 管道建设的必要性1）结束了邓州市没有管输天然气的历史。邓州市域目前无管输天然气气源，也是河南省少有的几个无管输天然气的县市，本项目的实施，结束了邓州市无管输天然气的历史，进一步实现了“气化河南”的重要目标。2）惠民惠企、拉动经济发展。邓州市域内主要依靠液化气及压缩天然气等供应，运输成本以及终端价格远高于管输天然气价格，这造成了居民与生产用气成本较高，本项目实施后，由于管输天然气价格远低于邓州市现有燃气价格体系，这将会使得当地居民及企业用气成本大幅下降，利于当地经济的进一步发展，同时也为新企业的入住提供了便利条件。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.029 190 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）3）符合国家“双碳”政策目标。为应对气候变化，中国提出“二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的“双碳”目标承诺。天然气完全燃烧后，几乎不会产生有害气体，是目前世界公认的较为洁净的商用燃料。相比于传统的燃煤和石油，天然气能减少二氧化硫和粉尘排放量近 100%，减少二氧化碳排放量 60%和氮氧化合物排放量 50%。是实现“双碳”政策目标的重要手段，也能从根本上改善当地的环境质量。4）实现良好的社会效益。本工程建成后，可为邓州以及周边地区提供天然气管道气源，保障了用户的用气稳定性，为社会的稳定发展提供了一定的保障。本项目输送的是清洁燃料能有效减少环境污染，对改善百姓生活环境条件、创造宜居环境有积极作用。5）市场消费的需求。相对液化石油气、燃料油、电力、煤炭，天然气有十分明显的价格优势，经济环保，使用安全性高，气源和价格稳定，应用范围广，受到各类用户的青睐，是城市一次能源消费的首选。随着我国城镇居民生活水平的提高，人民对生活的舒适性有了更高的要求，经济性不再是消费者追求的唯一目标。发展利用燃气，可以减轻城市居民生活的劳动量及劳动强度、改善家居环境，降低或消除液化石油气在运输、储存、销售、使用等环节上的安全隐患。使用天然气在经济上比使用液化石油、电能具有一定的优势。3 上部跨越方案跨越是一种先进成熟的非开挖穿越施工方法，施工时完全在中线干渠渠道两岸陆地上进行，具有不破坏渠堤、不扰动河床、不影响水流、对环境影响相对小等优点。但当天然气管道架空跨越时，需要在两侧进行永久征地，管道长期暴露在外，不利于管道安全运营，对其运行保护、检修的难度增大，并且对水源工程的水质、运行管理均有较大影响；跨越方案还涉及管道桥梁架设等内容，同时跨越穿越施工周期长，施工难度较大，投资高。因此 M管道工程不考虑管道架空跨越的方式，仅采用地下穿越的方式。4 穿越位置的比选在与干渠运管单位充分沟通后，拟定了两个可行的穿越线路方案。线路 1：起自镇平县袁营村，途径常营村、王官营村、房营村，在房营村南穿越南水北调中线干渠，止于宋营村东 1#侯集阀室，线路长度约 9.8km。线路 2：起自镇平县袁营村，途径大赵营村、谭寨村，在谭寨村南穿越南水北调中线干渠，后途径姜营村、高营村，止于宋营村东1#侯集阀室，线路长度约 9.0km。线路 1 穿越处涉及 2 处文物遗址，为大赵营遗址、壶瓶嘴墓地，南阳市文化广电和旅游局关于镇平邓州天然气输气管道工程项目规划选址的文物保护意见指出“建议避让文物分布点”。此外，中线干渠渠堤经回填碾压行成，其密实度与原状土相比较弱，管道从中线干渠下方穿越，施工过程可能存在冒浆风险。线路1在穿越位置附近村庄密集，可利用施工场地狭小，对管材运输、施工场地有一定条件制约。线路 2 管线从中线干渠倒虹吸底板高程以下穿越，相当于倒虹吸结构底板对管线与渠道有了一层隔绝保护，对渠道及水质的保护能力增强。穿越处未穿越文物遗址，无不良地质条件，地层结构良好、土层稳定且施工技术措施到位，安全风险可控，可以消除对倒虹吸结构的影响，拐弯少更符合线路总体走向。穿越位置附近还一定的施工场地及便利的交通运输条件。因此 M 管道工程穿越段采用线路 2 方案更合理。5 管径的比选目前国内天然气管道使用管材分为无缝钢管、焊接钢管两类。无缝钢管存在金属分层、壁厚不均、存在残余应力、表面光洁度差、设备工艺不成熟、管道口径较小等缺点，焊接钢管具有壁厚均匀、残余应力低、焊缝强度高、一致性好等优点，因此 M管道工程采用焊接管道。M 管道工程非穿越段采用 D508mm8mmL415M钢管（直管段采用螺旋缝埋弧焊钢管，弯曲段采用直缝埋弧焊钢管），防腐采用常温型 3PE 加强级防腐层。M 管道工程穿越段管径有两种方案可选择。一 191 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）种是采用与非穿越段同管径的 D508mm 钢管；另一种是采用比非穿越段管径小规格尺寸的钢管满足南水北调中线局的管理要求，同时减小天然气穿越对渠道和倒虹吸的影响，根据 GB/T9711.1、GB/T9711.2 等行业标准，天然气产品规格比 D508mm 钢管低一级的为 D457mm 钢管，由于 D457mm钢管比D508mm面积减小10%，管道变径太大，输气流量得不到满足，故采用非标尺寸 D480mm钢管。两种管径优缺点分析如下。D508mm 钢管整条支线管径不变，无变径段，焊接质量有保证，安全隐患低。运行期天然气通过穿越段时气压稳定，流速不变，气蚀影响小且与非穿越段相同。由于 D508mm 钢管为常规尺寸，钢管生产质量有保证，供货进度有保障，采购方便、对工期有利。运行期天然气检修保养便利，维修成本低。D480mm 钢管通过变径与非穿越段连接。通过PipelineStudio3.5 软件计算，穿越处管径为 D480mm 输气量能够满足工程沿线市场分输需求，管线运行压力损失增加不超过 0.1MPa。在截断阀与管道变径处如果按照设计规范提高管道设计系数、壁厚及埋深，可以保障穿越处安全系数。但变径段往往是容易发生安全隐患的地方，焊接技术要求高，焊接质量不容易保证。运行期天然气通过时前后段压力相同、流量相同，故气体流速增大穿越段流速相较于非穿越段增大约 8%，气蚀对管壁的冲刷影响增大，容易产生静电危害，进而增大对管道腐蚀性、耐久性的影响，危害管道安全。由于D480mm 钢管为非标尺寸，生产成本高，生产质量难以保证，供货周期长，对工期有影响。因此 M 管道工程穿越段不宜进行变径，采用D508mm 钢管是合理的。6 施工方法的比选M 管道工程拟定了两种穿越施工方案：顶管穿越、定向钻穿越。顶管穿越是一种先进成熟的施工方法，对现有建筑物及水流影响较小，国内类似顶管工程实例较多，技术成熟。顶管施工需要新建始发井（深 34m、内径 14m）、接收井（深 26m、内径10m），顶管为内径 1500mm、外径 1800mm 的钢混套管，穿越长度 820m，施工难度较大。穿越段顶管施工工期约 300d，项目施工周期长且很难避开汛期，汛期施工风险增大。该地区地下水丰富，顶进过程中易出现管涌现象，抽排水量大可能导致地下水水位下降，也易导致渠道沉降或倒虹吸地基沉降，不利于渠道运行安全。顶管方案施工成本大约是定向钻成本的 3.8 倍，因此顶管方案会导致项目整体投资增高，进而会增加管输费用、增加用气群众生活负担。定向钻是一种先进的非开挖穿越施工方法，施工时完全在河流两岸陆地上进行，不破坏渠堤、不扰动水流、对环境影响较小、施工周期较短、综合造价较低，在地质条件适宜的情况下，可优先采用。定向钻施工工艺成熟、应用广泛，对可能出现的泥浆压力较大、产生冒浆的风险应严格按照规范要求、设计文件及批复的施工方案进行管控。穿越段定向钻施工工期约 60d，工期短且能避开汛期，并且施工成本较低。大直径定向钻在回拖扩孔过程中易发生塌孔现象，进而会对渠道或箱涵产生不利影响，经过有限元力学模型计算，M 管道工程对中线干渠工程建筑物影响很小，沉降风险可控。因此 M 管道工程穿越段采用定向施工方案更合理。7 结论与建议根据河南省天然气“十四五”规划，M 管道工程穿越南水北调中线干线工程是必然的，综合技术、经济、法律法规等方面进行比选，选择 D508mm同管径的管道、采用定向钻施工方法、从倒虹吸底下穿越方案是合理的。施工期间应加强现场安全管理、安全监测及施工监管，加强警示标牌设置及维护、应急物资储备；确保穿越工程各工序的施工质量，有效控制 M 管道工程对中线干线工程的影响。运行期间应做好定期巡检、不良工况的应急预案及处置措施、维护保养以及相关安全防护措施，加强对影响水质因素的检测，如天然气泄漏、废弃物处理等，发现异常情况及时处理。通过对管道报废判据、处置方案措施分析，M管道工程报废后采取就地废弃、封存方法，之后砂浆与管道形成统一的整体，此方式不会对南水北调 192 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）干线工程结构耐久性造成损伤。参考文献：1 刘宁南水北调中线一期工程穿黄方案的论证与选择 J水利学报，2006，37(1)：1-92 王喜曼，曾天明水平定向钻穿越施工及风险管控路径研究 J工程建设与设计，2021(11)：146-1483 侯庆雷，王江峰南水北调配套工程顶管施工技术研究J华北水利水电大学学报：自然科学版，2015，36(01)：21-24边坡岩土体内部后产生的孔隙水压力，增大边坡失稳的可能性。结合强度系数折减法，边坡有限元模型中极限失稳状态是否发生，主要以边坡结构体内部特征点的位移值是否发生突变为判据4。不同雨强所对应的边坡体内部特征点位移值以及边坡安全系数，如表 5 所示。表 5 边坡体内部特征点位移及安全系数模拟结果雨强/mms-1强度折减系数内部特征点位移/mm安全系数无生态护坡三维土工网垫植草护坡无生态护坡三维土工网垫植草护坡01.5502.3852.0941.9511.9751.7502.9503.2101.8753.5883.5511.9353.9453.9201.9556.1354.9411.98012.35014.0452.000/19.650901.6002.3672.1451.8131.8421.7503.0412.3651.8003.5212.9201.8156.5683.0151.8258.3503.4651.840/4.2561.850/7.3541801.6502.3502.3541.7141.7331.7002.8462.6531.7103.0412.9811.7208.2203.4561.7308.4584.6521.740/8.3711.750/13.645根据以上模拟结果，在不同降雨强度下三维土工网垫植草护坡技术虽然能在一定程度下提高边坡整体稳定性，但效果并不显著；通过比较雨强相同时无生态护坡和三维土工网垫植草护坡两种情况下的特征点位移值看出，土工网和铆钉的共同作用能在边坡失稳时起到阻碍土体滑落的作用，进而减小和抑制边坡土体位移。4 结 论综上所述，广西主要支流黔浔江治理工程来宾市主城区江南滨江南路II段（来宾电厂至磨东大桥）III 标段来华大桥上游坡顶三维土工网垫植草护坡技术实施前，必须对护坡侵蚀情况展开全面分析，明确边坡主要侵蚀破坏形式及影响护坡径流冲刷的主要因素，基于此制定切实可行的土工网垫植草护坡施工方案。方案实施后的空间有限元模拟结果显示，生态护坡稳定性主要受到降雨强度及降雨时间的影响，随着雨强的增大，边坡安全系数呈减小趋势，且三维土工网垫植草护坡技术的实施对这种变化趋势无明显影响；但是在土工网和铆钉的共同作用下，这种复合结构能在边坡失稳时起到阻碍土体滑落、减小和抑制边坡土体位移的作用。参考文献：1 肖成志，孙建诚，李雨润，等.三维土工网垫植草护坡防坡面径流冲刷的机制分析 J.岩土力学，2011，32(02):453-458.2 覃仁浩.水利工程中河道生态护坡施工技术探究 J.珠江水运，2021(23):72-73.3 胡玉植，潘毅，陈永平.海堤背水坡加筋草皮抗冲蚀能力试验研究 J.水利水运工程学报，2016(01):51-57.4 李世发.生态护坡在衡水湖小库堤恢复加固工程中的应用 J.河北水利,2014(12):36.（上接第 134 页）