时间：2013年12月28日 分类：推荐论文 次数：
摘要：国内管道穿越河道的埋深确定没有统一的行业标准，在实际工程中管道的河底埋深主要是凭借工程经验和个人习惯，由此确定的管道埋深大多数都是过于安全和保守，造成增加工程投资和不必要的浪费。本文归纳珠三角地区管道穿越河道的埋深主要影响因素，并尝试总结出珠三角地区管道埋深的工程计算方法和公式。
关键词：水利职称论文发表,核心期刊论文发表,河道冲刷,珠三角,河道穿越工程,管道埋深
一、绪论
管道运输与铁路、公路、水运、航运等运输方式并称为世界上的五大运输业，运输介质攘括了石油、天然气、给水、雨污水、生活垃圾、通风等，在一个国家的国民经济发展中起着十分重要的作用。在管道运输日益发达的今天，管道穿越河道敷设工程已经十分常见，同时随着经济的发展、科学技术的创新和景观要求的提高，管道穿越河道在大多情况下均会选择河底埋设，比起河面跨越，尽管工程造价高，但是河底埋设对景观的影响、行洪的影响以及通航的影响均很小，而且利于管道自身保护。
目前，国内管道穿越河道的埋深确定没有统一的行业标准，在实际工程中管道的河底埋深主要是凭借工程经验和个人习惯，由此确定的管道埋深大多数都是过于安全和保守，造成增加工程投资和不必要的浪费。本文归纳珠三角地区管道穿越河道的埋深主要影响因素，并尝试总结出珠三角地区管道埋深的工程计算方法和公式。
二、埋深的主要影响因素
根据搜集的资料和工程经验，管道穿越河道的埋深主要影响因素有可以归纳为一下几个方面：
(1)河床演变，主要指河道在自然条件下，或受人工干扰时河床形态所发生的变化，这些变化包括：河床在垂直方向的冲刷和淤积、水平方向上的位移以及河床平面形态和尺寸的改变等。
(2)河道规划和以后河道整治，河道的规划线位、河底规划标高、规划航道等级和以后河道整治是管道穿越河道埋深的一项重要考虑因素。
(3)对应河道等级下的通航要求，根据《内河通航标准》的规定，过河管道埋深通航要求需考虑以下因素：①规划航道等级所需航道水深、②设计最低通航水位、③《内河通航标准》中关于水下过河建构筑物埋设的富裕值、④船舶应急抛锚是锚体的入土深度等。
三、河道冲刷深度的确定和计算
河床冲刷和淤积变化的特征，变化幅度的大小直接影响到穿越管道的敷设和安全。分析穿越河段(尤其是穿越断面)河床冲淤变化的规律，判断工程期间河床最大冲刷深度，是合理的确定管线埋深和稳定措施的主要依据。目前在管线穿越工程中常用一下三种方法进行分析确定。
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点上、下游水文站的历年水位、流量实测资料，根据收集的资料绘制不同年份水位与流量的关系曲线。在相同流量下，若水位逐年太高，则说明河床处于不断淤积抬高过程，反之则说明河床处于不断冲刷下降过程。
(2)根据输沙原理，分别计算同时期内穿越点上下游水文站的输沙量，判断此间计算河段内河床的冲淤情况及冲淤量。
2.利用公式计算
由于影响河床冲淤变化的因素十分复杂，目前尚无一个完整的描述河床冲淤变化的数学表达式。本文根据收集的相关资料，总结出主要的一下三种分析理论和计算方法。
(1)杨志达法
美国张志达认为，河床的冲刷是一种粗化的过程。当河道的输沙能力超过上游泥沙的供给率是，就必须靠从河道中补给沙量来保持输沙平衡。在这种情况下，河道开始发生冲刷，由于床沙粒径大小的不均匀性，细沙比粗沙输送的速率要快，保留在床面上的河床质逐渐变粗。一旦粗沙层覆盖整个床面，阻止下面的细沙运动时，粗化过程就会停止。当这一过程完成后，河床被保护。
(2)借鉴桥渡建筑物附件的冲刷公式
借鉴铁道科学院根据铁路桥梁压缩水流，引起水流和泥沙运动的变化而建立的公式，该公式是在实测和模型试验基础上建立的，其形式如下所示：
式中：Q——计算时采用的设计流量(造床流量)(m³/s);
L——平滩水位时的河面宽度(m);
A——单宽流量集中系数，按下式计算：
式中：B——造床流量时的河宽(m);
H——造床流量时的平均水深;
——为河段的稳定性指标，其数值愈大，标示河床愈不稳定。
——冲刷前计算垂线水深(m);
——计算流量时的平均水深(m);
E——与汛期含沙量有关的参数，按下表查用：
d——河床的泥沙平均粒径。根据筛分资料确定(mm);
h——冲刷后的最大深度(m)。
(3)河床冲刷率公式法
冲刷率是水流在单位时间内从单位面积河床上冲刷带走的泥沙重量。该方法认为，洪水期河床发生最快冲刷是，即实际挟沙沙量远小于水流挟沙力时，河水的冲刷情况相当或接近清水冲刷。
根据对以上三种方法的对比，杨志达法所计算的结果偏小，这是实际工程中所不允许的。实际工程中所要求的值都是偏向于安全的，故把(美)杨志达法所算结果作为埋深的下限，但不能使用。冲刷率公式法和借鉴公式法计算出的结果都偏大，这时可以从经济的角度出发选择两者中较小值作为埋深的上限。
3.工程地质分析判定
即查明河谷的地质构成，尤其是组成河床表面的第四纪冲积层在空间上的分布规律及岩性特征，进行分析对比，判断河床最大冲刷深度。根据地质勘查报告，研究穿越段的地质构成，分析“河床冲击相”，用以判断河床冲淤发展的历史，结合现阶段河床的冲淤变化的特征，趋势和水流条件，进行确定河床的最大冲刷深度。
四、珠三角地区天然河道演变特性
河床演变过程因来水、来沙和边界条件不同而异，习惯上按河岸流域地形对河流进行分类，具体划分为：山区、山前区、平原区三种[1]，由于地形、下垫面的差异，不同河段流域的河床演变过程呈现出很大的差异。
珠三角地区基本为大型天然河道的下游或入海口，按照上诉的河型分类应属于平原区河流，该区域河流在一定流域来水、来沙和河床边界条件下，经过水流与河床的长期调整，多数已达平衡或准平衡状态，从长期看，河床一般没有单向的冲淤变化(或变化速度极慢)。但是由于季节性变化，流域的来水、来沙、和边界条件随时间不断变化，或局部条件的影响(如深槽浅滩交替、汊道变迁等)，在一定时期内，河床的局部地区存在着冲淤变化、这些冲淤变化都具有周期性的特征。
另外，人为因素的影响对河道的影响也是河床演变考虑的重要因素，例如：大的取水、排水口、兴修河坝闸、桥梁，改变了天然水流状态，工程采砂、河道整治硬化改变了下垫面情况等。
根据以上分析，珠三角地区一般的天然河道的纵向冲淤和横向摆动均比较少，在管道穿越河道埋深分析中是次要因素，但需要重视河道周期性的变化，管道的穿越点需避开采砂场、取排水口、河坝闸和桥梁等人工构筑物。
五、管道埋深的工程计算方法及判定依据
根据《室外给水设计规范》(GB50013-2006)的要求，穿越河底的管道应避开抛锚地，管道的埋设深度还应在其相应防洪标准(根据管道等级确定)的洪水冲刷深度以下，至少应大于1m。管道埋深在通航河道时，应符合航运管理部门的技术规定，并应在河两岸设立标志，管道埋设深度应在航道底设计高程2m以下。根据《内河通航标准》(GB50139-2004)的要求，在航道和可能通航的水域内布置水下过河建筑物，宜埋置于河床内，其顶部设置深度，Ⅰ~Ⅴ级航道不应小于远期规划航道底标高以下2m，Ⅵ级和Ⅶ级航道不应小于1m。
通过查找相关资料和工作行业内的经验，管道的埋设根据穿越河道是否具有通航要求分别讨论。
1.非通航河道(排洪渠)管道埋深确定
对于设计管道穿越非通航河道(排洪渠)，确定管道埋深时需同时考虑河道(排洪渠)的现状河底标高和规划标高，并以较低的标高作为设计河底标高取值。已知设计河底标高，再根据河道(排洪渠)的下垫面和冲淤情况和设计管道重要性，管道的管顶埋深在1~2.0m范围内取值。
2.通航河道管道埋深确定
对于设计管道穿越通航河道时，此时管道的埋设应不影响航道的通航要求，管道埋深确定主要考虑航道的设计水深和设计最低通航水位。管道的管顶埋深H=设计通航水深D+规范要求富裕值，即设计管道管顶标高=设计最低通航水位+设计通航水深+规范要求富裕值(取值2m)。
根据《海港总平面设计规范》(JTJ211-99)航道水深分通航水深和设计水深，具体按下列公式计算：
D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3
D=D0+Z4
式中，D0——航道通航水深(m);
T——设计船型满载吃水(m);
Z0——船舶航行时船体下沉值(m);
Z1——航行时龙骨下最小富裕深度(m);
Z2——波浪富裕深度(m)，当计算结果为负值时，取值0m;
Z3——船舶装载纵倾富裕深度(m)，杂货船和集装箱可不计，油船和散货船取0.15m;
D——设计航道计水深(m);
Z4——备淤深度(m)，根据回淤强度、维护挖泥间隔期及挖泥设备的性能确定，不小于0.40m，工程取值0.5m。
设计船型满载吃水(T)的取值参见《内河通航标准》(GB50139-2004)的第3.0.2条的相关规定，其中航道等级划分如下表所示：
船舶航行时船体下沉值(Z0)、航行时龙骨下最小富裕深度(Z1)按《海港总平面设计规范》(JTJ211-99)的图4.8.8-2和表4.8.8-1选用。
通过设计通航水深计算的管道埋深结果，还需通过河道现状的河底标高进行复核，以保证设计管道的管顶覆土不小2m。
六、结论
本文根据珠三角地区的的河道演变的特征，并结合相关规范标准的要求，提出了珠三角地区管道穿越河道的管道埋深计算和合理性判定方法。
[参考文献]：
[1]杨志达(美)·泥沙输送理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2000.
[2]黄金池，王兆印，刘之平，等.水流冲刷与管道埋设[M].北京：中国建材工业出版社，1998.
[3]董章增.管道穿河埋深综合判定.水利科技与经济.第15卷第8期，2009年8月.