管道穿越游荡性河流技术分析.pdf

综合技术伍志坚：管道穿越游荡性河流技术分析油气田地面工程 https:/管道穿越游荡性河流技术分析伍志坚中国石油塔里木油田公司摘要：塔里木河是我国最大的游荡性河流，河水泥沙含量大，水势游荡、河势不稳，河床变化多样，岸坡变形大。以某油气田原油外输管道工程穿跨越塔里木河为例，根据河流地形地貌、工程水文地质、宏观线路走向和过河方案的技术经济指标分析，经过复杂的工程环境、地理环境、水文环境以及对珍惜胡杨林和珍惜野生动物与鱼类保护多场景对比，并对穿跨越工程的选址和穿跨越方案进行了详细的技术论证。为实现建设项目的可行性、建设目标的可达到性，从工期进度、成本投资、安全可靠和质量可控等方面考虑，确定最为合理的油气管道穿跨越游荡性河流的选址和穿跨越结构形式。项目建设结果证明采用定向钻穿越塔里木河，在穿越平面轴线、纵断面穿越地层的选择是安全可靠的，既保证施工、运行安全，又节省大量的工程投资，为类似工程通过游荡性河流积累了宝贵的经验。关键词：穿跨越方案；原油管道；塔里木河；游荡性Technical Analysis of Oil Pipeline Crossing Wandering RiverWU ZhijianTarim Oilfield Company，CNPCAbstract：The Tarim River is the largest wandering river in China，with high sediment content，fluctuating and unstable water flow，diverse riverbed changes，and significant bank slope deformation.Taking the crude oil export pipeline project of a certain oil and gas field crossing the Tarim River as anexample，based on the analysis of the river terrain，engineering hydrogeology，macroscopic route di-rection，and technical and economic indicators of the river crossing plan，a detailed technical analysis isconducted on the site selection and crossing plan of the crossing project after comparing multiple scenari-os in complex engineering environments，geographical environments，hydrological environments，aswell as the protection of the cherishing populus euphratica forests，wildlife and fish.To achieve the fea-sibility of construction projects，the accessibility of construction goals，the most reasonable site selec-tion and structural form for oil and gas pipelines crossing wandering rivers are determined by consideringfactors such as project schedule，cost investment，safety and reliability，and controllable quality.Theproject construction results have proven that using directional drilling to cross the Tarim River is safeand reliable in the crossing of the horizontal axis and the vertical section crossing the strata.It not onlyensures construction and operation safety，but also saves a lot of engineering investment，accumulatingvaluable experience for similar projects to pass through wandering rivers.Keywords：crossing plan；oil pipeline；Tarim River；wandering21 世纪以来，经过 20 多年大规模建设我国油气管道“全国一张网”初步成形，为国家能源安全打下坚实的基础，有力的促进了社会主义经济建设。尽管在油气管道建设上取得较大发展，培养了大批建设管理、工程技术、施工管理、物资采办、信息化管理人才队伍，但目前针对塔里木河这一国内最大的游荡性河流油气管道建设穿跨越的研究还很少，也没有成功案例可以借鉴，加之管道输送的介质为石油天然气易燃易爆，对工程的安全、环DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.04.01696第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术保、进度、成本、安防控制要求较高，需对项目建设前期、中期和后期运行中可能遇到的困难进行针对性的研究。本文以某原油管道工程穿越塔里木河为例，结合原油管道穿跨越工程的特点，研究了原油管道穿跨越塔里木河的前期选址和设计、中期建设施工、后期运行维护的技术难点，为安全可靠、技术可行、经济合理、运行保障等方面进行油气管道穿跨越游荡性河流的项目设计提供参考。1项目概况1.1工程概况本工程为塔里木盆地塔河南某油气田原油外输管道的重要骨干管道，管线建设长度 190 km，管道直径为 DN500。管道大致为西南-东北走向，从某油气田原油首站出发穿越塔里木河后顺沙漠公路敷设最后到达牙哈装车站1。作为该区块原油外输的骨干工程，长输管道工程管线长、技术含量高，需要与已建、拟建工程协调建设。该项目过河段需要同时建设 DN100通信光缆，以及预留一根 DN500输气管道。尤其是穿跨越塔里木河的管道还要克服地形条件差、技术难度大，勘察、设计、施工周期相对较长等困难，是原油外输管道工程的关键控制点之一。1.2游荡性河流特点塔里木河为中国第一大内流河，是南疆各族人民的母亲河，全长2 137 km，流域面积19.8104km2，主源由上游昆仑山的叶尔羌河与和田河在阿拉尔同来自天山的阿克苏河汇合而成，自西向东蜿蜒于塔里木盆地北部，造就大片的绿洲和胡杨林，最后流入台特马湖2。塔里木河是我国有史记载最大的一条沙漠游荡性河流，其河槽断面宽浅，江心多沙洲，水流散乱，随着沙洲迅速移动和变形，主流位置随上游来水流量迁徙不定。塔里木河在阿拉尔市至若羌县干流段南北两岸 80120 km 范围的地表遗留一系列古河道，部分古河道表层河相沉积物中含风成沙夹层，流域多为起伏不平的沙漠地带，河流泥沙含量大，河水游荡、河势不稳，河床变化多样，岸坡变形大被称为“无缰的野马”。塔里木河上游三大主源地陆续建成了乌鲁瓦提水库、阿尔塔什水库、胜利水库、白沙湖水库，在建大石峡水库，针对性解决了塔里木河水量季节不均、夏涝春旱的水资源分配特点，造福人民，也为工程建设带来便利。2穿跨越定位的研究2.1气象条件经调研沙雅县哈德墩镇塔里木河干流河段属于大陆性暖温带极端干旱气候3，该地降雨稀少，蒸发量大，年日照时间长，冬夏温差大，夏季炎热无比，冬季干冷异常，气候环境极为恶劣，工程项目建设应避开夏季炎热和冬季枯冷时间段（表 1）。2.2工程地质和地震烈度拟建区域地质调查后显示，大部分为塔里木河第四纪巨厚松散的沉积物覆盖，主要为灰、灰白色粉细砂，在地层垂直方向存在明显的二元结构3。河床河漫滩为灰、灰白色粉细砂与薄层灰、灰黄色亚黏土、亚砂土互层，场地地质相对简单。该地区的地震基本烈度为度，结构设计基本地震加速度值为 0.1 g。2.3穿跨越河段的比较该原油管道走向为由南向北，塔里木河走向为由西向东，不可避免进行交叉，为了满足管道过河建设需要，依据管道宏观路由与塔里木河的交叉点，对比沿线建构筑物、规划、水文、地质、文物古迹等条件，按照安全可靠、经济合理、技术可行、施工便利的原则进行综合比较，考虑在交叉点上下游各 10 km 范围内进行比选。大致位置确定在沙雅县哈德墩镇北侧的开勒力克至贾兰塔木段的哈德墩镇古渡口、沙漠公路大桥、塔中-轮南油气管道之间的塔里木河范围内，该段河床、河岸相对稳定，区域内无活动地震断裂带，无泥石流、采空塌陷区等不良地质状况。上游约 30 km 建有沙雅-哈德公路桥，下游 25 km 建有轮南-民丰沙漠公路大桥，下游约 20 km 建有塔中-轮南输气管道，显示出良好的可建设性。塔里木河为不通航河流，实施工程建造可不考虑建构筑物受通航影响4。拟选河段北岸的平坦沙丘、南岸的果园农田，便捷的公路运输网络和电力线路为工程建设提供必要的社会依表 1气象数据Tab.1 Meteorological data平均气温/10.7最高气温/43.6最低气温/-30.9降雨量/mm17.442.8蒸发量/mm1 1251 600干旱指数17508级以上大风/d20沙尘暴/d2097综合技术伍志坚：管道穿越游荡性河流技术分析油气田地面工程 https:/托。连接线路段前后仅有少量的稀疏胡杨林，可采取有效的就地保护、移栽等措施积极保护。该段河流无大型回水湾、季节性湖泊，经调查也不是珍惜稀有鱼类产卵繁殖场。这些外部条件均有利于项目开展，区域图如图 1所示。2.3.1开勒力克-科克尤勒滚河段第一段比选区域内塔里木河河面河水漫流宽度与上游来水相关，春、夏季河面宽阔，秋、冬季河水流量小，整体上看河道蜿蜒曲折，两岸沙丘连绵，垂直高差小，农田和胡杨林、灌木林相互穿插。从地形地面、地质条件上看，该河段具备建设地上跨越、地下穿越管道通道的基本条件。2.3.2科克尤勒滚-贾兰塔木河段第二段比选区域内塔里木河江面时而宽阔，时而分叉成若干条支渠，两岸沙丘成片，北岸植被稀疏，南岸有大片的沼泽湿地和灌木丛，从地质上具备管道过江的条件，但从地表现状看需要做大量的基础工作，并且距离线路宏观路由距离较大，从工程经济性和工程可实施性方面比较，条件明显弱于第一段比选区域。2.4穿跨越河段的确定经过地质普查，拟选管道建设河段范围区域内，无构造地震活动，亦无全新活动断裂带通过或伴行，从地方县志查阅有记载以来，该区域方圆 100 km 内无破坏性地震发生，整体工程地质条件简单，场地稳定，有利于开展工程建设。两岸均为沙土出露，平坦农田可做施工场地，减少场平和临建工程量。从哈德墩镇经过的沙漠公路路面宽阔，路况较好，便于大型机械设备进场，整体交通条件优良，为项目建设带来便捷。通过对穿越河段地形地貌的现场调研（表 2），调阅工程地质和水文地质资料，及政府相关部门推荐的穿跨越点的环境敏感区，以及拟建项目周边存在的公路桥梁、在役管道、珍稀动物自然保护区和3A级以上旅游景区等外部条件都保持在 20 km以上的距离，最终确定在哈德墩镇科克尤勒滚上游塔里木河顺直河段范围内开展管道建设的选址比较合适（图 2）。3过江方式分析通过选址比较确定的拟建管道过江范围区域地形平坦，但塔里木河水流不定，洪水期、枯水期落差较大，可利用的建设工期受限。经调研上、下游已建公路桥梁的建设资料和其他文献，该段河床下基岩埋深较大，岩质偏软，主要为粉砂、细砂和砂壤土，具中等富水性和透水性5。拟建管道管径为表 2塔里木河穿跨越河段比较Tab.2 Comparison of the Tarim River crossing reaches比选河段开勒力克-科克尤勒滚河段科克尤勒滚-贾兰塔木河段河面宽度/m1009001501 200两岸地形情况农田为主，垂直高差小沙丘连片，北侧 为 移 动 沙丘，垂直高差相对大外部条件靠近哈德墩镇，社会依托较好，两岸场地平坦，有利建设距离哈德墩镇较远，路况为沙漠土路，北岸流动沙丘对管道安全有影响，社会可依托条件差预计管道长度/m2 400(过河段)3 000(过河段)投资估算/万元11 00015 000结论具有建设管道过江的条件具 备 建 设 管 道 越 过 江 的 条件，连接线路长，投资大，流动沙丘对管道安全有极大影响图 1塔里木河穿跨越区域示意图Fig.1 Schematic diagram of the Tarim River crossing area98第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术DN500，穿越长度较大，因此研究提出在同一过河断面进行大开挖、盾构隧道和定向钻的地下穿越方案，以及连续桁架梁、斜拉索的跨越方案。3.1大开挖大开挖是管道穿越河流最为常见的施工方法，包括围堰、管沟开挖、管段下沟、管沟回填等主要工序。首先利用河流枯水季节，在穿越位置上、下游按标准设置围堰，围堰的高度和宽度要满足施工的同时还要高出水流面 1 m 以上，且不超过河岸最低点6。该方案施工简单迅速，但河段加两岸整体需开挖近 3 000 m，对环境破坏大，对于游荡性河流而言，围堰开挖施工安全风险大不推荐。3.2定向钻定向钻是一种先进的非开挖施工方法，包括导向孔、扩孔、回拖管道三个主要施工过程，是我国近年管道建设工程应用于铁路、公路、河流等障碍非开挖穿越最多的通过方式，定向钻具有施工速度快、施工占地少、机械化程度高、环境影响小、工程造价低以及管道运营安全等优点（图 3）。缺点是对穿越河段工程地质条件、穿越地层结构要求高，定向钻施工泥浆一旦冒浆会对河流和环境造成影响。定向钻施工需要足够的场地开展管道焊接和弹性敷设条件。拟建项目的场地附近有着优良的地理环境和地质条件，加之采用成熟的设计技术和施工工艺可以有效解决施工中遇到的难题，为项目建设带来便利7。图 3定向钻示意图Fig.3 Schematic diagram of directional drilling3.3盾构隧道盾构隧道由始发井、接收井和隧道穿越段组成，拟建项目的管道加上光缆、备用管道、施工空间，共同构成穿越的横向断面空间。我国管网建设中，已在长江、黄河、黑龙江、北江等重要水域建成管道专用盾构隧道8。拟建管道过河位置的河面宽约 200 m，流速缓慢，两岸出露黄土细粉沙，场表 3塔里木河过河方式比较Tab.3 Comparison of crossing methods of the Tarim River方案定向钻盾构隧道梁式跨越穿跨越长度/m2 500+4002 500+3503 000投资估算/万元11 0001 500013 000建设工期/月62412优点建设工期最短；投资最少；对环境影响小管道不需维护；备用管道、通信光缆一同敷设；可扩容管道施工技术成熟、建设工期较短；投资较少；跨越桥成为人造景点缺点后期需要重点巡检维护超深竖井施工难度大，安全风险高；建设周期最长，需订制盾构机；弃渣场环境影响大河流涉水施工多，安全风险高；跨越长度较长，环境影响大；需专人维护，安保要求高图 2塔里木河穿跨越位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the crossing location of the Tarim River99综合技术伍志坚：管道穿越游荡性河流技术分析油气田地面工程 https:/址附近没有活动断裂带穿越或伴行，以粉土砂层为主的地质条件适合建设水下盾构隧道（图 4）。始发井、接收井需先建设竖井，进入河床下稳定基岩层，组装盾构机来掘进隧道。但是竖井进入粉土层遇水产生流沙施工难度大，带来难以接受的投资、工期、质量和安全风险。此外，盾构隧道产生的弃渣、废弃泥浆对环境影响较大。图 4盾构隧道竖井、洞体示意图Fig.4 Schematic diagram of shield tunnel shaft and tunnel body3.4梁式跨越梁式跨越是管道建设中通过峡谷、河流、冲沟等障碍时常见的一种构筑物，有悬索桥、斜拉桥、桁架桥和梁式跨越等结构形式9，最典型的为西气东输中卫黄河跨越（图 5）。根据河流的地形条件，梁式跨越具有枯水期施工速度快、机械化程度高、成为人造景点等优点。缺点是对河段工程地质条件要求高，环境影响大，工程造价高，管道运营安全要求高，同时需要在河流中建造大量的桥墩，涉水作业多。塔里木河为不通航河流，结合服务的过江管道管径，以及上、下游已建的公路桥梁建设经验，拟建项目采用梁式跨越是可行的。但塔里木河穿跨越河谷较宽，在地面建设跨越则需考虑洪水季节河水游荡，河床泄洪、连接线路砍伐胡杨林等因素，存在难点。图 5梁式跨越示意图Fig.5 Schematic diagram of beam crossing通过对比分析可知（表 3），拟建管道采用定向钻穿越方案有着明显的优势，故推荐定向钻穿越。4工程措施4.1定向钻出入土点及纵断面埋深定向钻出入土点选择要利于大型机械设备进出，出土端管道焊接和回拖的场地长度需足够长。入土点选在塔里木河南岸棉花地里，河流南岸建有防洪堤；出土点为北岸平缓沙丘，场地海拔高度均高于 50 年一遇洪水位。定向钻及连接线路建设完后始终处于地下，不出露地面，两端截断阀室位于百年一遇洪水位之外，不受游荡性、季节性洪水的侵害。定向钻穿越纵断面埋深距离勘探成果显示的冲刷线下 1520 m 的弱透水性粉砂层。定向钻施工时泥浆池做好防渗措施，施工完成后及时清理场地和泥浆废液避免污染地下水。4.2胡杨林保护选址期间，林业部门要求穿越点及连接线路与胡杨树至少保持 5 m 以上的安全距离。在方案选择时，对于树径 10 cm 以上的胡杨树进行灵活绕避；树径 10 cm 以下的小树幼树，在林业部门专业技术人员的指导下进行迁移栽。考虑到胡杨树根系发达，在定向钻的轴线上方、中线两侧 10 m 范围内均无胡杨树，避免了定向钻施工对胡杨林根系的破坏和影响。4.3新能源利用塔里木河穿越管道作为拟建原油外输管道的控制工程，规范要求需在上、下游设置截断阀室以保证管道运行安全10。拟建区域的太阳能资源丰富，适合于建设太阳能光伏发电或光热、风电等清洁无污染的新能源利用11。根据拟建项目的用电量，在两 岸 截 断 阀 室 分 别 建 设 200 kWA 的 太 阳 能 电 站和 2 h储能系统，夜间则采用接入大电网供电。5结束语（1）大型游荡性河流穿跨越作为油气长输管道的控制性工程，穿跨越河段选址、穿跨越方案尤为重要，要充分考虑塔里木河是国内最大的游荡性河流对项目的影响。（2）管道穿跨越方案，首先要保证管道的建设安全和运营安全，其次考虑过河方案的技术、经济指标。（3）拟建项目选址应最大程度地保护水源、保护珍贵的胡杨林。（4）新建项目的附属结构型式要与自然环境协100第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术调，结合当地充裕的太阳光资源进行光伏新能源发电，实现低碳环保建设。原油管道穿越塔里木河作为油气田外输的咽喉工程，通过穿跨越定位、管道过江方式研究，以及穿越方案的比较，既保证施工和运行安全又节省大量的工程投资，为类似工程通过游荡性河流积累了宝贵经验。参考文献1 中国石化工程设计有限公司顺北原油外输管道工程可行性研究报告R东营：中国石化工程设计公司，2017China Petrochemical Engineering Design Co，LtdFeasibil-ity study report of Shunbei Crude Oil Pipeline ProjectRDongying：China Petrochemical Engineering Design Corpo-ration，20172 陈亚宁，叶朝霞，毛晓辉，等新疆塔里木河断流趋势分析与减缓对策J干旱区地理，2009（6）：813-820.CHEN Yaning，YE Zhaoxia，MAO Xiaohui，et alDried-up trend of Tarim River and the countermeasures for mitiga-tionJArid Land Geography，2009（6）：813-820.3 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