朱江 姚建军
江苏苏邑设计集团有限公司 江苏 南京 210012
摘 要：结合某地跨漓江桥梁扩建工程，在桥梁下游河床铺设2根D830供水管道，对砂卵石河床冲刷深度验算，对沉管法防冲刷设计要点进行探讨，并对施工过程中的关键技术要点进行介绍。
关键词：沉管法；砂卵石河床；防冲刷设计
Design and application of immersed pipe method laying in gravel riverbed
Zhu Jiang1, Yao Jianjun2
（1.Jiangsu Suyi Design Group Co., Ltd. ，Nanjing 210012，China；2.Pan-China Construction Group Co., Ltd. Nanjing Design Branch，Nanjing 210019，China）
Absract: In combination with the expansion project of a bridge across the Lijiang River, two D830 water supply pipes were laid in the riverbed downstream of the bridge, the scour depth of gravel riverbed was checked, the key points of anti-scour design for the immersed pipe method were discussed, and the key technical points in the construction process were introduced.
Key words: immersed pipe method；gravel riverbed；anti-scour design
沉管法是将组装成一定长度的管段或钢筋混凝土密封管段沉入水底或水底开挖的沟槽内的水底管道铺设方法，又称沉埋法或预制管段沉埋法。对于穿越江河、湖泊等水体时，采用沉管法埋设管线具有技术成熟、经济性好等优势。然而，对于在砂卵石的河床中铺设管道，沉管的防冲刷设计显得尤为重要，笔者通过某市漓江桥供水管道工程的应用实例，提出相应的设计方法及施工关键要点。
1工程及水文地质概况
某市漓江桥扩建工程中，为保证漓江两岸居民供水工程的连通，需要建设两根DN800的自来水过河管线，单根总长约230m，管道设计工作压力0.4MPa。
本工程漓江段流域上属于珠江水系桂江流域的上游，行政区域上处于某市城区漓江河段，兼顾旅游、航运、排涝等功能。河道宽约200m，两岸高程148~150m（珠江高程系），左岸略高，为第四纪冲积物覆盖的一级阶地。河底略有起伏，最低标高为141.10m。据多年的水位、流量与泥砂检测资料表明，多年平均流量为133m3/s；历史最高洪水位高达147.70m，流量达5890m3/s。多年平均悬移质含砂量0.084~0.130kg/m3，多年平均输砂率6.08~11.48kg/s，多年平均输砂量19.17~36.23万t，来砂量主要出现在汛期，其中5~7月份悬移质输砂量占年总量比例为89%，而4~8月份则占98%。
根据地勘资料，管道位置处构造简单，发育有第四纪冲积物和碳酸盐岩。其中第四纪沉积物厚度变化较大，为4~4.5m以上，可分5层：
第1层砂粘土（I），土黄~褐黄色，软塑状态厚度1~6.5m,分布在东岸一级阶地西岸河漫滩的表面。
第2层细砂（II）,黄色，局部灰~灰白色，稍密~中密，饱和，底部夹有小卵石，厚度0.5~6.5m，分布在东岸一级阶地的（I）层之下。
第3层卵石层（III）:灰黄~灰褐色，稍松至中密、饱和，卵石主要由石英岩，石英砂岩及少量火烧成岩组成，直径一般5~8cm，最大25~30cm，厚度2~17m，全断面均有分布，河槽中分布在表层。
第4层黏土夹卵、砾石（IV）:黏土以黄色为主，软塑状态局部有20~25%的卵、砾石，厚度0~7m，西岸较厚达到12m。
第5层为溶沟、溶洞填充物（V）:为黏土夹少量卵、砾石、粘土为黄~黄红色，上部为软塑，局部为硬塑，下部为流塑。
本工程管道位于第2层--第3层砂、卵石之间，土层稳定性一般。
2工程设计
2.1管道铺设方案选择
目前，管道穿越河流的方案大致有四种。
1）随桥敷设。一般适用于小口径管道，本工程2根DN800给水管，理论重量约1.56t/m，超过一个车道的标准线荷载，从桥梁结构安全、经济成本等方面考虑，排除该方案。
2）顶管。管道从河底穿越，需要设置较深的顶管工作井、接收井，顶管需要从卵石土层中穿越，对顶管机械及施工人员的操作水平要求较高，施工难度较大，建设周期长，因此不适用。
3）水平定向钻牵引管。适用于在粘性土层中铺设管道，在本工程砂、卵石土层中不适用。
4）沉管。采用水下基槽浚挖、水面浮运沉管，施工期间需要封锁航道，管道安放至河底基槽就位后，需对管顶覆土进行加固。由于本工程砂卵石粒径较小，具备水下开挖的条件，因此该方案适用。
结合水文地质情况，经方案比选，本工程给水管道采用沉管设计方案。
2.2管材选择
给水等有压管道常用的管材有PE实壁管、球墨铸铁管、钢管。由于PE管管材密度较小，不适用于沉管管材；球墨铸铁管管节6m一节，不利于水下接缝安装；因此本工程选用钢管。
2.3钢管焊接与防腐
该工程采用Q235-B螺旋焊缝卷管，考虑到过河管道的重要性，对于钢管接口采用双面剖口焊，焊缝等级为I级；焊接完成后，对管道焊缝进行100%无损检验及超声波探伤检验。除此以外，还应进行压力管道水压试验检测管道的密闭性，试验压力为0.9MPa。
沉管管道内外防腐要求很高。内壁防腐：采用IPN8710-2无毒饮水设备涂料，二底三面施工工艺，即先刷IPN8710－2饮水设备底漆一道，待底漆表干后再刷一道IPN8710－2饮水设备底漆，然后再刷IPN8710-2防腐面漆三道，层与层之间的涂装间隔以表面干燥为准，防腐层厚度应不小于250μm。外壁防腐：管外壁采用石油沥青涂料特加强级（五油四布）防腐处理，要求防腐层厚度≥7mm。
2.4管道壁厚设计
沉管管道受力比明挖管受力复杂，不仅要考虑使用期间钢管的覆土承压，运行时的管道内压，还要满足管道吊装、浮运时钢管的抗弯刚度。因此，沉管的管壁厚度往往要比同直径的明挖管道厚度增加2mm左右，本工程按照相关规范推荐的经验值选用，因此该工程钢管壁厚采用14mm。
2.5冲刷深度计算
管位处的最大冲刷计算是为管道的基础埋深提供设计依据，以保证管道稳定性。桥梁建成后，桥下游河床的冲刷现象复杂，本文根据规范《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)（下文简称《规范》）进行计算，对于桥下一般冲刷深度，河槽与河滩处分别计算，考虑到桥位断面河段河床主要为砂卵石，按非粘性土河床计算。
（1）河槽部分
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式中：—管道处一般冲刷后的最大水深（m）；—河槽部分桥孔过水净宽，取全桥桥孔过水净宽200m；—管道处河槽平均水深，取8.7m；—河槽泥砂平均粒径，取9.9mm； E—与汛期含沙量有关的系数，取0.46；—管道处河槽部分通过的设计流量，取总流量6329m3/s；—造床流量下的河槽宽度，取平滩水位槽宽度190m；—桥墩水流侧向压缩系数，取0.97；—河槽最大水深，取10.32m；—单宽流量集中系数；—造床流量下的河槽平均水深，取8.5m。经计算:冲刷深度为13.10m。
（2）河滩部分
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式中：—管道处河滩通过的设计流量，取900m3/s,；—管道处河滩最大水深，取7.7m；—管道河滩平均水深，取6.4m；—河滩部分桥孔净长，取65m；—河滩水深1m时非粘性土不可冲刷流速，取1.2m/s。经计算:河滩部分冲刷深度为10.06m。
2.6管道纵断面设计
桥下百年一遇洪水位151.42m，河槽部分冲刷深度为13.10m，河底标高为141.10m，该段管道顶部控制标高为151.42-13.10=138.32m，设计取138.30m，河底管顶最小覆土厚度为2.80m。
河滩部分冲刷深度为10.06m，因此河滩处管底标高控制在141.36标高以下，河滩部分管顶覆土最小取2.4m。管道纵断面具体详见图1：
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图1 管道纵断面图（单位除管径以mm计外，其余以m计）
2.7 水下开挖断面设计
考虑到汛期桥下流速大，根据河床土层情况，为含卵砾石砂土，平均粒径9.9mm；沉管水下浚挖平均深度约4m，基槽底部宽度4.5m，边坡浚挖坡比采用1:3。沟槽坡底采用抛石固脚，管底采用0.3m厚砂石基础。管道沉管安装后，管腔及管顶均采用砂石回填，管顶0.3m以上部位采用钢筋混凝土预制板铺砌防冲，再采用0.7m厚块石抛石压重，剩下的水下沟槽采用河底砂砾石回填。具体详见图2：
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图2 水下开挖标准横断面（单位以m计）
2.9管道结构计算
主要进行施工及后期使用各阶段的管道强度、稳定及变形设计验算。
（1）管道（段）采用起重浮吊吊装时，应正确选用吊点，并进行吊装应力与变形验算；
（2）管道（段）弯曲包括发送装置处形成的管道（段）“拱弯”与发送后水中管道（段）形成的“垂弯”，均不应超过管材允许弹性弯曲要求；
（3）管道在后期使用过程中，在管道内外压作用下，对钢管的强度、稳定及变形进行计算。
3施工关键要点
3.1施工时机选择
本工程桥梁扩建施工过程中，两边跨桥下河床填土筑岛，中间桥墩之间设置排水通道。桥梁主体梁板钢筋混凝土施工完毕、达到要求后，及时拆除脚手架桥梁，为管道施工腾出施工作业场地。考虑到漓江冬季水位低，管道施工选择在枯水季节进行，当地气温10℃左右，也适合管道焊接及质量控制。另外，要求能见度大于1km，风速在5级以下环境进行，浪高小于0.5m，水流速度小于0.8m/s。
3.2水下开挖沟槽
本工程水下开挖采用挖砂船施工，两边跨桥位外侧水流速度低，水下开挖坡比小；中间桥墩之间河床为主要过水通道，水深、流速大，水下开挖具体坡比根据现场情况适当放大，并采用水下抛石固脚等措施，防止水下砂土失稳。水下沟槽开挖完毕后，潜水员水下测量开挖断面并采用专用刮平装置进行水下粗平或细平。
3.3船舶浮运沉管
本工程管道于河滩处进行焊接、防腐处理，整管浮运段总长约190m。双管分别进行安装，整管浮运、整管沉放。管道两端采用法兰盲板封堵，使得管道由船舶拖至设计位置附近，将管道设置吊点固定在浮吊船及吊车上，间距30m纵向排列。整管由吊船同步吊起，安放至设计管位。经测量准确定位后，向管道一端缓慢注水，一端排气，使管道缓慢、稳定地下沉至设计管槽内。待管道稳固后，解开吊钩，完成沉管。现场施工照片见图3。
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图3 现场沉管照片
3.4水下管道回填
两根管道安装到设计管位后，检查管底与沟底接触面的均匀程度及紧密性，管道下方存在冲刷的部位，及时采用砂砾石铺镇。管道沟槽采用砂砾石回填，要求双管道两侧及中间部位对称、均匀回填，同一水平面同步上升。砂砾石回填至管顶以上0.3m时，将混凝土预制块采用浮吊水下轻放至设计位置，再松钩。单块混凝土块采用锁链连接，确保连接牢固、紧密。之后进行水下抛石，石块胸径大小0.3~0.6m，同样需要轻放，防止对管道及基础产生冲击。最后进行水下河床恢复。
4水下冲刷事故处理
2017年5月中旬汛期来临，此时桥下围堰尚未完全拆除，河道中心过水区域水流速超过了10m/s，在水流冲刷作用下，漓江中心区域30米范围的管道底部形成了平均高度约3m的悬空。事故发生后，利用预制混凝土块和石笼在管道下游侧堆筑成一道4~6m厚的阻流墙，阻流墙墙顶标高与设计管槽底标高齐平。通过阻流墙的阻挡减缓管底的水流速度，防止水流对河床产生进一步冲刷。阻流墙堆筑完成后，在阻流墙上游侧和下游侧抛填片石，对冲刷部位进行回填，回填标高为槽底设计标高。冲刷部位回填完成后，按原设计要求，对过江管道进行重新覆盖回填。
5结语
目前该工程投入使用已4年，历经2018~2020年三次漓江洪水，目前供水情况良好。本工程结合实例，重点对河床冲刷计算、管道埋深确定、施工关键要点、水下冲刷事故处理等方面进行了阐述。总体来讲，本工程采用的设计方案合理，采取的防冲刷事故处理方法得当，为今后类似地质及河床条件沉管工程提供了相关的经验。
参考文献：
[1] 曾凯.漓江桥过江给水管道工程施工方案分析[J].工程建设与设计.2018,(5).158-161
[2] 桂林理工大学勘察设计研究院. 桂林市漓江桥扩建工程防洪影响评价报告.2015年6月
[3] 河北省交通规划设计院. JTG C30-2015 公路工程水文勘测设计规范 [S]. 北京：人民交通出版社有限公司，2015.3.
[4] 北京市政建设集团有限责任公司. GB 50268-2008 给水排水管道工程施工及验收规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.2.
第一作者简介：朱江，男，1980年9月出生，高级工程师，本科学历，就职于江苏苏邑设计集团有限公司，主要从事市政结构设计工作。
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