摘要：國內(nèi)管道穿越河道的埋深確定沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程中管道的河底埋深主要是憑借工程經(jīng)驗(yàn)和個人習(xí)慣，由此確定的管道埋深大多數(shù)都是過于安全和保守，造成增加工程投資和不必要的浪費(fèi)。本文歸納珠三角地區(qū)管道穿越河道的埋深主要影響因素，并嘗試總結(jié)出珠三角地區(qū)管道埋深的工程計(jì)算方法和公式。

　　關(guān)鍵詞：水利職稱論文發(fā)表,核心期刊論文發(fā)表,河道沖刷,珠三角,河道穿越工程,管道埋深

　　一、緒論

　　管道運(yùn)輸與鐵路、公路、水運(yùn)、航運(yùn)等運(yùn)輸方式并稱為世界上的五大運(yùn)輸業(yè)，運(yùn)輸介質(zhì)攘括了石油、天然氣、給水、雨污水、生活垃圾、通風(fēng)等，在一個國家的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著十分重要的作用。在管道運(yùn)輸日益發(fā)達(dá)的今天，管道穿越河道敷設(shè)工程已經(jīng)十分常見，同時隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和景觀要求的提高，管道穿越河道在大多情況下均會選擇河底埋設(shè)，比起河面跨越，盡管工程造價高，但是河底埋設(shè)對景觀的影響、行洪的影響以及通航的影響均很小，而且利于管道自身保護(hù)。

　　目前，國內(nèi)管道穿越河道的埋深確定沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程中管道的河底埋深主要是憑借工程經(jīng)驗(yàn)和個人習(xí)慣，由此確定的管道埋深大多數(shù)都是過于安全和保守，造成增加工程投資和不必要的浪費(fèi)。本文歸納珠三角地區(qū)管道穿越河道的埋深主要影響因素，并嘗試總結(jié)出珠三角地區(qū)管道埋深的工程計(jì)算方法和公式。

　　二、埋深的主要影響因素

　　根據(jù)搜集的資料和工程經(jīng)驗(yàn)，管道穿越河道的埋深主要影響因素有可以歸納為一下幾個方面：

　　(1)河床演變，主要指河道在自然條件下，或受人工干擾時河床形態(tài)所發(fā)生的變化，這些變化包括：河床在垂直方向的沖刷和淤積、水平方向上的位移以及河床平面形態(tài)和尺寸的改變等。

　　(2)河道規(guī)劃和以后河道整治，河道的規(guī)劃線位、河底規(guī)劃標(biāo)高、規(guī)劃航道等級和以后河道整治是管道穿越河道埋深的一項(xiàng)重要考慮因素。

　　(3)對應(yīng)河道等級下的通航要求，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，過河管道埋深通航要求需考慮以下因素：①規(guī)劃航道等級所需航道水深、②設(shè)計(jì)最低通航水位、③《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于水下過河建構(gòu)筑物埋設(shè)的富裕值、④船舶應(yīng)急拋錨是錨體的入土深度等。

　　三、河道沖刷深度的確定和計(jì)算

　　河床沖刷和淤積變化的特征，變化幅度的大小直接影響到穿越管道的敷設(shè)和安全。分析穿越河段(尤其是穿越斷面)河床沖淤變化的規(guī)律，判斷工程期間河床最大沖刷深度，是合理的確定管線埋深和穩(wěn)定措施的主要依據(jù)。目前在管線穿越工程中常用一下三種方法進(jìn)行分析確定。

　　1.利用天然河道的水文分析

　　(1)利用天然河道的水分分析法需要收集穿越點(diǎn)上、下游水文站的歷年水位、流量實(shí)測資料，根據(jù)收集的資料繪制不同年份水位與流量的關(guān)系曲線。在相同流量下，若水位逐年太高，則說明河床處于不斷淤積抬高過程，反之則說明河床處于不斷沖刷下降過程。

　　(2)根據(jù)輸沙原理，分別計(jì)算同時期內(nèi)穿越點(diǎn)上下游水文站的輸沙量，判斷此間計(jì)算河段內(nèi)河床的沖淤情況及沖淤量。

　　2.利用公式計(jì)算

　　由于影響河床沖淤變化的因素十分復(fù)雜，目前尚無一個完整的描述河床沖淤變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。本文根據(jù)收集的相關(guān)資料，總結(jié)出主要的一下三種分析理論和計(jì)算方法。

　　(1)楊志達(dá)法

　　美國張志達(dá)認(rèn)為，河床的沖刷是一種粗化的過程。當(dāng)河道的輸沙能力超過上游泥沙的供給率是，就必須靠從河道中補(bǔ)給沙量來保持輸沙平衡。在這種情況下，河道開始發(fā)生沖刷，由于床沙粒徑大小的不均勻性，細(xì)沙比粗沙輸送的速率要快，保留在床面上的河床質(zhì)逐漸變粗。一旦粗沙層覆蓋整個床面，阻止下面的細(xì)沙運(yùn)動時，粗化過程就會停止。當(dāng)這一過程完成后，河床被保護(hù)。

　　(2)借鑒橋渡建筑物附件的沖刷公式

　　借鑒鐵道科學(xué)院根據(jù)鐵路橋梁壓縮水流，引起水流和泥沙運(yùn)動的變化而建立的公式，該公式是在實(shí)測和模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的，其形式如下所示：

　　式中：Q——計(jì)算時采用的設(shè)計(jì)流量(造床流量)(m³/s);

　　L——平灘水位時的河面寬度(m);

　　A——單寬流量集中系數(shù)，按下式計(jì)算：

　　式中：B——造床流量時的河寬(m);

　　H——造床流量時的平均水深;

　　——為河段的穩(wěn)定性指標(biāo)，其數(shù)值愈大，標(biāo)示河床愈不穩(wěn)定。

　　——沖刷前計(jì)算垂線水深(m);

　　——計(jì)算流量時的平均水深(m);

　　E——與汛期含沙量有關(guān)的參數(shù)，按下表查用：

　　d——河床的泥沙平均粒徑。根據(jù)篩分資料確定(mm);

　　h——沖刷后的最大深度(m)。

　　(3)河床沖刷率公式法

　　沖刷率是水流在單位時間內(nèi)從單位面積河床上沖刷帶走的泥沙重量。該方法認(rèn)為，洪水期河床發(fā)生最快沖刷是，即實(shí)際挾沙沙量遠(yuǎn)小于水流挾沙力時，河水的沖刷情況相當(dāng)或接近清水沖刷。

　　根據(jù)對以上三種方法的對比，楊志達(dá)法所計(jì)算的結(jié)果偏小，這是實(shí)際工程中所不允許的。實(shí)際工程中所要求的值都是偏向于安全的，故把(美)楊志達(dá)法所算結(jié)果作為埋深的下限，但不能使用。沖刷率公式法和借鑒公式法計(jì)算出的結(jié)果都偏大，這時可以從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)選擇兩者中較小值作為埋深的上限。

　　3.工程地質(zhì)分析判定

　　即查明河谷的地質(zhì)構(gòu)成，尤其是組成河床表面的第四紀(jì)沖積層在空間上的分布規(guī)律及巖性特征，進(jìn)行分析對比，判斷河床最大沖刷深度。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，研究穿越段的地質(zhì)構(gòu)成，分析“河床沖擊相”，用以判斷河床沖淤發(fā)展的歷史，結(jié)合現(xiàn)階段河床的沖淤變化的特征，趨勢和水流條件，進(jìn)行確定河床的最大沖刷深度。

　　四、珠三角地區(qū)天然河道演變特性

　　河床演變過程因來水、來沙和邊界條件不同而異，習(xí)慣上按河岸流域地形對河流進(jìn)行分類，具體劃分為：山區(qū)、山前區(qū)、平原區(qū)三種[1]，由于地形、下墊面的差異，不同河段流域的河床演變過程呈現(xiàn)出很大的差異。

　　珠三角地區(qū)基本為大型天然河道的下游或入海口，按照上訴的河型分類應(yīng)屬于平原區(qū)河流，該區(qū)域河流在一定流域來水、來沙和河床邊界條件下，經(jīng)過水流與河床的長期調(diào)整，多數(shù)已達(dá)平衡或準(zhǔn)平衡狀態(tài)，從長期看，河床一般沒有單向的沖淤變化(或變化速度極慢)。但是由于季節(jié)性變化，流域的來水、來沙、和邊界條件隨時間不斷變化，或局部條件的影響(如深槽淺灘交替、汊道變遷等)，在一定時期內(nèi)，河床的局部地區(qū)存在著沖淤變化、這些沖淤變化都具有周期性的特征。

　　另外，人為因素的影響對河道的影響也是河床演變考慮的重要因素，例如：大的取水、排水口、興修河壩閘、橋梁，改變了天然水流狀態(tài)，工程采砂、河道整治硬化改變了下墊面情況等。

　　根據(jù)以上分析，珠三角地區(qū)一般的天然河道的縱向沖淤和橫向擺動均比較少，在管道穿越河道埋深分析中是次要因素，但需要重視河道周期性的變化，管道的穿越點(diǎn)需避開采砂場、取排水口、河壩閘和橋梁等人工構(gòu)筑物。

　　五、管道埋深的工程計(jì)算方法及判定依據(jù)

　　根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50013-2006)的要求，穿越河底的管道應(yīng)避開拋錨地，管道的埋設(shè)深度還應(yīng)在其相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)(根據(jù)管道等級確定)的洪水沖刷深度以下，至少應(yīng)大于1m。管道埋深在通航河道時，應(yīng)符合航運(yùn)管理部門的技術(shù)規(guī)定，并應(yīng)在河兩岸設(shè)立標(biāo)志，管道埋設(shè)深度應(yīng)在航道底設(shè)計(jì)高程2m以下。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2004)的要求，在航道和可能通航的水域內(nèi)布置水下過河建筑物，宜埋置于河床內(nèi)，其頂部設(shè)置深度，Ⅰ~Ⅴ級航道不應(yīng)小于遠(yuǎn)期規(guī)劃航道底標(biāo)高以下2m，Ⅵ級和Ⅶ級航道不應(yīng)小于1m。

　　通過查找相關(guān)資料和工作行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)，管道的埋設(shè)根據(jù)穿越河道是否具有通航要求分別討論。

　　1.非通航河道(排洪渠)管道埋深確定

　　對于設(shè)計(jì)管道穿越非通航河道(排洪渠)，確定管道埋深時需同時考慮河道(排洪渠)的現(xiàn)狀河底標(biāo)高和規(guī)劃標(biāo)高，并以較低的標(biāo)高作為設(shè)計(jì)河底標(biāo)高取值。已知設(shè)計(jì)河底標(biāo)高，再根據(jù)河道(排洪渠)的下墊面和沖淤情況和設(shè)計(jì)管道重要性，管道的管頂埋深在1~2.0m范圍內(nèi)取值。

　　2.通航河道管道埋深確定

　　對于設(shè)計(jì)管道穿越通航河道時，此時管道的埋設(shè)應(yīng)不影響航道的通航要求，管道埋深確定主要考慮航道的設(shè)計(jì)水深和設(shè)計(jì)最低通航水位。管道的管頂埋深H=設(shè)計(jì)通航水深D+規(guī)范要求富裕值，即設(shè)計(jì)管道管頂標(biāo)高=設(shè)計(jì)最低通航水位+設(shè)計(jì)通航水深+規(guī)范要求富裕值(取值2m)。

　　根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ211-99)航道水深分通航水深和設(shè)計(jì)水深，具體按下列公式計(jì)算：

　　D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3

　　D=D0+Z4

　　式中，D0——航道通航水深(m);

　　T——設(shè)計(jì)船型滿載吃水(m);

　　Z0——船舶航行時船體下沉值(m);

　　Z1——航行時龍骨下最小富裕深度(m);

　　Z2——波浪富裕深度(m)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果為負(fù)值時，取值0m;

　　Z3——船舶裝載縱傾富裕深度(m)，雜貨船和集裝箱可不計(jì)，油船和散貨船取0.15m;

　　D——設(shè)計(jì)航道計(jì)水深(m);

　　Z4——備淤深度(m)，根據(jù)回淤強(qiáng)度、維護(hù)挖泥間隔期及挖泥設(shè)備的性能確定，不小于0.40m，工程取值0.5m。

　　設(shè)計(jì)船型滿載吃水(T)的取值參見《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2004)的第3.0.2條的相關(guān)規(guī)定，其中航道等級劃分如下表所示：

　　船舶航行時船體下沉值(Z0)、航行時龍骨下最小富裕深度(Z1)按《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ211-99)的圖4.8.8-2和表4.8.8-1選用。

　　通過設(shè)計(jì)通航水深計(jì)算的管道埋深結(jié)果，還需通過河道現(xiàn)狀的河底標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，以保證設(shè)計(jì)管道的管頂覆土不小2m。

　　六、結(jié)論

　　本文根據(jù)珠三角地區(qū)的的河道演變的特征，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，提出了珠三角地區(qū)管道穿越河道的管道埋深計(jì)算和合理性判定方法。

　　[參考文獻(xiàn)]：

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　　[2]黃金池，王兆印，劉之平，等.水流沖刷與管道埋設(shè)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，1998.

　　[3]董章增.管道穿河埋深綜合判定.水利科技與經(jīng)濟(jì).第15卷第8期，2009年8月.