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河谷阶地天然气管道敷设方式
来源:煤气与热力杂志 | 作者:青海中油燃气工程有限公司 | 发布时间: 2023-08-04 | 235 次浏览 | 分享到:

作者：李澜，左川，陈功哲，王建林

第一作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司第四设计研究院
摘自《煤气与热力》2021年12月刊


参考文献示例



李澜，左川，陈功哲，等. 河谷阶地天然气管道敷设方式［J］.  煤气与热力，2021，41（12）：B08-B10.


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燃气管道


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防腐

1   问题的提出

富县至宜川县输气管道工程起于靖西一、二线的富县压气站，由西向东敷设，止于宜川末站。管道水平全长109.74 km，设计天然气年输气量为90×108 m3/a，设计压力为8.0 MPa，选用规格为D 914×16的钢管，管道全部在陕西省延安市境内敷设。经过多方案反复论证比选，最终确定的管道路由基本敷设于河谷阶地、黄土梁峁及黄土残塬3种地貌类型。其中，有约52.38 km的管道敷设于河谷阶地。
河谷阶地地势平坦，原则上有利于管道敷设。根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》（下简称GB 50251—2015）第4.3.2条，埋地管道覆土层最小厚度为0.8 m，且宜埋设在最大冰冻线以下。建设地最大冰冻线深度为0.81 m，在考虑一定的安全裕量后，本项目管道设计管顶覆土厚度为1.2 m，即设计管沟深度为2.1 m。
根据防洪评价单位对本项目所做的防洪评价报告，项目建设地短时间内高强度的降水来势猛、雨量大，雨水来不及下渗和排泄，在沟道大量汇集，极易形成洪水并爆发泥流。管道所经河流的河床宽度约3～20 m。河床两侧为河谷，河谷宽窄不一，一般宽度约10～50 m，最宽可达100 m，滩面平坦，微倾向河床，前缘高出河水位0.3～2.0 m。河谷阶地呈条带状不连续分布于河谷两侧，宽度为50～100 m，略倾向河谷。在洪水形成时，整个河谷阶地将成为宽度为50～100 m的河面。防洪评价报告50 a一遇的冲刷计算成果显示，河谷阶地的冲刷深度为1.5 m，洪水流速为3.0 m/s左右。在这种情况下，不仅管道的表层覆土会被冲走，管道也将浸泡在洪水之中。洪水的浸泡会破坏管道防腐层，从而腐蚀管道，产生压力薄弱点，最终导致高压天然气的泄漏。在表层覆土被冲走之后，洪水会直接不断冲击管道，产生动水上举力和动水推力，管道面临失稳甚至拉断的风险。
2   规范依据
若按照管顶覆土厚度1.2 m的埋深设计，显然无法满足防洪的要求。根据GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》（下简称GB 50423—2013）第3.3.3条对水域穿越工程等级的划分，水面宽度为40～100 m、不计水深的穿越工程属于中型等级，设计洪水频率为50 a一遇。河谷阶地的宽度为50～100 m，在洪水形成时，整个河谷阶地将成为宽度为50～100 m的河面。在现有的规范体系中，以GB 50423—2013第3.3.3条为依据，将河谷阶地的管道敷设按照中型等级水域穿越来设计，是解决问题的关键。
3   地层岩性组合分类
根据地质勘察单位对本项目所做的地质勘察，河谷阶地管道沿线地层岩性从上到下分为4层，依次是：
黄土状土层，层厚为0.3～3.4 m；
粉质粘土层，层厚为0.7～4.1 m；
卵石层，层厚为0.5～4.1 m；
泥质砂岩层，钻孔未揭穿，故未知厚度。
假定50 a一遇的洪水爆发时，河谷阶地表层1.5 m冲刷深度范围内的黄土状土层、粉质粘土层及卵石层将被冲刷掉，根据剩下的地层岩性组合是否能够满足管道敷设时具有1.2 m的设计管顶覆土厚度要求，将河谷阶地地层岩性组合分为大量石方段、少量石方段和纯土方段3类。
①大量石方段
这种地层岩性组合黄土状土层、粉质粘土层和卵石层的厚度加起来在0~2.4 m范围，以下为泥质砂岩层。这种地层岩性组合在50 a一遇洪水来临时，表层的黄土状土层和粉质粘土层几乎被全部冲刷掉，最终只剩下少量的粉质粘土层、卵石层或者直接裸露出泥质砂岩层。
②少量石方段
这种地层岩性组合黄土状土层、粉质粘土层和卵石层的厚度加起来在2.4～3.6 m范围，以下为泥质砂岩层。这种地层岩性组合在50 a一遇洪水来临时，表层黄土状土层和粉质粘土层会被冲刷掉一部分，剩下的黄土状土层和粉质粘土层及卵石层的总厚度已经无法满足设计管顶覆土要求。
③纯土方段
这种地层岩性组合由0.3～3.4 m厚的黄土状土层和0.7~4.1 m厚的粉质粘土层组合而成，且黄土状土层和粉质粘土层的厚度加起来大于3.6 m。这种地层岩性组合在50 a一遇洪水来临时，表层黄土状土层和粉质粘土层会被冲刷掉一部分，但剩下的黄土状土层和粉质粘土层的总厚度依然可以满足设计管顶覆土要求。
4   不同地层岩性组合管道敷设设计 
4.1  大量石方段管道敷设设计
针对这种地层岩性组合的区段，可以按照开挖法穿越河床为基岩（陆壳表层风化层下面的完整新矿物岩石，本文中的泥质砂岩属于基岩）的中型河流穿越来设计。根据GB 50423—2013表4.1.2，开挖法穿越河流，当河床为基岩时，对于中型穿越，管道应嵌入基岩深度为0.6 m，且基岩段所挖沟槽应用混凝土满槽浇筑封顶至基岩高度，见图1，图1中尺寸单位为mm。基岩开槽深度约1.7 m，槽底0.2 m垫以细土，以防止碎石刮伤管道防腐层。考虑沟下组焊，基岩开槽宽度为1.6 m。用8 mm绝缘橡胶板包裹管道后，满槽浇筑C25混凝土至基岩顶。
图1   开挖穿越河床为基岩的河流时混凝土浇筑做法 
4.2  少量石方段管道敷设设计
在这种地层岩性组合的区段管道敷设时，若按照纯土方段管道敷设的做法，则需要继续开凿泥质砂岩层0~1.2 m；若按照大量石方段管道敷设的做法，不仅有大量的土方开挖工作量，还需要开凿泥质砂岩层约1.7 m。而采用相应的措施避免开凿基岩，则可降低施工难度。GB 50423—2013第4.2.2条规定，当水下穿越管段埋深不符合第4.1.2条规定时，可以采用相应的抗浮稳管措施。本文采用设置混凝土配重块的措施 
在少量石方段管道敷设时，管沟开挖遇到基岩时无须继续开挖，采用合适质量的混凝土配重块作为抗浮稳管措施，混凝土配重块的设置间距为1.5 m。
4.3  纯土方段管道敷设设计
在这种地层岩性组合的区段管道敷设时，虽然开挖深度较大，但开挖难度较小。根据GB 50423—2013表4.1.2，对于中型水域穿越工程，应将管道埋设于设计洪水冲刷线或设计疏浚线下1.2 m，取其深者。显然在河谷阶地是没有疏浚作业的，所以管道应埋设于最大洪水冲刷线1.2 m以下，前已述及冲刷深度为1.5 m，故管道覆土厚度应大于2.7 m，对于外直径为914 mm的管道，管沟深度约3.6 m。根据GB 50251—2015第4.3.3条和第4.3.4条，设计最陡管沟边坡比（高宽比）取1∶0.75，设计沟底宽度取1.6 m。
5   结论
①在大量石方段建议采用基岩开槽加混凝土满槽浇筑的方式敷设管道；
②在少量石方段管道敷设时，管沟开挖遇到基岩时无须继续开挖，建议采用混凝土配重块作为抗浮稳管措施；
③在纯土方段建议采用直接开挖的敷设方式。