海島縣洞頭陸域引供水工程輸水管道海域段設計

陳守慶1，陳湧城1，羅昊進2，方均艦3，吳旭磊4，莊小將5，

包松考5，武樂毅5，陳金榮1，張德躍1

(1.中國市政工程華北設計研究總院，天津300074；2.溫州市城建設計院，浙江溫州325000；

3.溫州市洞頭縣水務有限公司，浙江溫州325000；4.溫州市公用事業投資集團有限公司，

浙江溫州325000；5.溫州市甌江口開發建設投資集團有限公司，浙江溫州325000)

涉海輸水管道在國內的應用實例很少，海島縣洞頭（溫州）陸域引供水工程是國內涉海管道最為復雜艱難的典型案例。自2009年6月以來39 km主管線建成通水已有四年，一直運行良好。洞頭縣是我國的十二個海島縣之一，洞頭（溫州）陸域引供水一期工程目的為將溫州陸域的自來水引入海島縣——洞頭(見圖1)。

圖1 洞頭陸域引供水工程示意

一期工程輸水規模為7萬噸/天。其中輸水主管道全長為39 km，管徑為DN1 000，沿途經過三處島嶼（靈昆島、霓嶼島、洞頭本島），穿越四段海域（甌江南支、靈霓大堤段海域、霓嶼島海域、海中湖海域），海底敷設管道總長度約8 km，靈霓海堤敷設約14.5 km，霓嶼島灘涂堤壩段敷設約1.2 km，穿山隧道為1.5 km，為沿線島嶼靈昆島、半島工程（現稱甌江口新區）、霓嶼島及洞頭本島提供自來水；另外利用5 km支線管道，管徑為DN300，跨越三座橋梁、四座隧道，為狀元岙深水港及沿線多座島嶼上居民提供自來水。

該工程于2006年開始建設，并于2009年6月建成通水，通過與洞頭管網的貫通，實現了洞頭南片六島供水的全覆蓋，徹底解決了洞頭人民靠天吃水的困局。

海底輸水管道工程具有隱蔽性、修復困難、施工難度大等特點，因此要求精心設計，并嚴格控制施工、材料供應、第三方檢測、監理等每一個環節，力爭做到萬無一失，以保證海底管道的使用壽命。

1 海底輸水管道設計理論

采用彈性敷設理論進行海底管道的設計。

海洋管道是一個特殊的工程,管道本身有一定的強度和剛度，尤其是在局部短管中就像普通梁結構一樣傳遞剪力和彎矩，但在軸向尺度很大時，其整體上就是一個柔性很大的細長結構，雖然位移很大，但管內應變很小，其內力不是很大，這是管道結構自身固有的力學特性。利用這種理論來設計海洋管道結構就是彈性敷設法。

在海洋中其地基基礎往往表面是多年沉積的較軟的土壤,尤其是洞頭海域的海床大多是很厚的淤泥層，呈流塑狀態，承載能力很低。在風浪流動荷載作用下，水流沖刷中基礎變形較大。同時大范圍內地基不均勻沉降是必然存在的，所以海洋地基的變形是不可避免的。前述管道結構的力學特性正好適應這種海洋軟基基礎。利用管道的可浮、可沉性、結構對稱性等特點，進行長管段長距離的漂浮、拖運、沉放施工。

2 管材設計

洞頭工程地形復雜，涉海段共有四段，管道敷設難度大，對管材的要求更高。由于各段涉海區域要求管道具有較高的抗拉強度和抗變形能力，所以選擇鋼管。

經計算，提出海底管道采用DN1 000螺旋縫焊接鋼管，選用Q235-B低碳鋼、管道壁厚為14 mm，而甌江南支段因考慮到后期的開發利用適當留有余地，選用Q345-B低碳鋼，管道壁厚為14 mm的管材設計實施方案。且經過專家論證會論證，專家一致認為洞頭工程參照舟山工程成功的案例，選用螺旋縫焊接鋼管及低碳鋼的管材、國內管廠加工制作、采用敷管船法施工且采取技術措施保證施工工程中管道應力≤220 MPa的方案，是技術可行的，施工敷設操作方便，并能保證運行安全。

3 輸水管道的無損檢測設計

洞頭陸域引供水工程輸水管道非常復雜，管道施工安裝條件困難，運行條件也很惡劣，地基沉降大，臺風時風浪潮很大，對輸水管道的危害極大，因此鋼管的焊縫質量控制、探傷及檢測尤其重要。

4 輸水管道的防腐設計

輸水鋼管內防腐采用國內市政管道普遍應用的質量優良的8701飲用水涂料。本項目采用特加強級，構造為兩底四面，厚度≥0.3 mm。

管道外防腐：海域段鋼管采用3PE防腐。

補口、補傷材料純海域段鋼管采用進口熱收縮帶（套）二層結構，總厚度≥2.7 mm，其中馬蹄脂型膠粘劑厚度≥1.7 mm，基材厚度≥1.0 mm。其中霓嶼島段海域堤壩段鋼管的補口、補傷材料由于該段地形復雜，防腐方案必須能夠承受礁石、碎石等復雜地形管道基礎的摩擦，不同于純海域段管道的沙土軟基環境，因此防腐方案也有所不同，根據國內外的海底管道防腐經驗，該段海域補口、補傷材料采用進口環氧樹脂、輻射交聯聚乙烯熱收縮帶（套）三層結構，防腐層總厚度≥2.5 mm，即無溶劑型環氧樹脂底漆一道，厚度≥0.2 mm，熱熔膠型膠粘劑厚度≥1.0 mm，基材厚度≥1.5 mm。

5 海底輸水管道陰極保護設計

洞頭工程海底輸水管線全長約8 km，管外徑為1 000 mm，設計輸水溫度約20 ℃，管線外涂層為3PE，埋設于溫州近海的海淡水介質海底鹽泥中，水下深度約5~15 m。

設計采用鋁-鋅-銦合金犧牲陽極聯合涂層進行保護，針對陰極保護部分設計。

設計陽極形式為條式陽極，陸上安裝后隨管下海。

6 海底輸水管道排氣及控制閥設計

①空氣閥的設計

經計算，其中管徑為DN1 000的管道配備DN150的復合式空氣閥。

本工程兩段主要海域甌江南支段及海中湖段長度分別為2.6、4.5 km，中間無法設置排氣閥，只能在兩端登陸點設置排氣閥，而海域段管道集氣，很有可能造成管道漂浮或產生水錘，因此采取可靠的排氣措施是關鍵。首先管道敷管下沉時，應嚴格施工，確保管內空氣排凈不集氣，再次在兩岸登陸點設置雙復合式進口排氣閥，規格為DN150，加大排氣量，同時可起到備用作用。

②控制閥（調壓閥）的設計

洞頭陸域引供水工程輸水管線，起端接入的是城市自來水管網，根據管網平差，管網起端自來水壓頭約為33 m黃海高程，全程靠自來水管網的壓力將水輸往洞頭本島，并為沿途配水點配水。為了得到沿途各配水點穩定均衡的供水，管網的末端——洞頭加壓泵站清水池的進水口必須設置一個維持出口壓力基本恒定的控制閥(即調壓閥)，利用此閥人為地將閥前管道的水頭抬高，使得管線高點不會產生半管流的狀態，防止管道因產生真空而受到破壞，同時保證了各沿途配水點供水壓力的均衡，并節省再次提升的耗電量，供水穩定才會得以均衡，管道安全有保障。因此控制閥的設置非常關鍵。本工程按進口活塞式控制閥設計。

7 海底輸水管道敷管設計及施工

①總平面按照S形曲線敷設

為適應海底管線的不均勻沉降，水下管線采用S形曲線路由彈性敷設，曲率半徑為2 000～2 500 m，中間距直線路由偏差為5～10 m。

②海底管道挖溝方法

本次設計原則上采用后挖法，受國內施工技術及機械的限制，可挖深2.5 m，扣除1 m管徑，管頂覆土厚為1.5 m，在局部有沖刷的海域段，可根據沖刷深度適當加大埋深，采用先挖與后挖相結合的方法。

③鎮墩設置

為了管道穩定及滿足抗浮要求，在管道沿線每10 m間距設置一處沙袋鎮墩，鎮墩長為2 m。

④擋樁設置

在海底管道兩端靠近登陸段分別設置鋼制擋樁3排，間距約50 m，起到固定管道的作用。

⑤登陸段軟硬基礎過渡處理

海域管道登陸段兩端是海洋軟基礎與陸地硬基礎的過渡段，因此結構設計采用1.5 m間距，設置5排總長度為39 m的木樁基礎作為管道登陸段基礎的處理。

⑥海底管道施工流程

施工流程見圖２。

圖2 海底管道施工流程

⑦海底管道施工方法

本段管道全部為海域段，采用敷管船進行彈性敷設法敷管。

首先兩個挖泥船隊同時從管線兩端向中間方向按設計要求開挖溝槽，其中兩登陸端各39 m在開挖溝槽后進行地基處理施工。

然后采用敷管施工船以S形曲線路由進行彈性敷設，曲率半徑≥700 m，連續敷管時在管內進水，保證管內不積氣，每次敷管長度為96 m。

然后再用起重船進行水下沉樁施工、常規區域溝槽砂袋鎮壓墩施工和3#錨地區域砂袋鎮壓層施工。

最后再用挖泥船和泥駁按設計要求進行原土回填施工。具體施工圖見圖３～7。

圖3 海中湖段施工總平面布置圖

圖4 海中湖段管道敷設施工示意圖

圖5 海中湖段終端登陸示意圖

圖6 海中湖段敷管船施工作業照片

圖7 海中湖段終端登陸段施工照片

⑧海上施工測量

海上施工測量采用DGPS全球衛星定位系統，插分站采用國家信標系統。

8 海底輸水管道系統應注意的問題

①管道充淡水下沉

②海底管道嚴禁設置伸縮節

③海底管道鋼管的連接嚴禁設置法蘭

④海域管道基礎處理。

工程采用后挖法施工，減少對基礎的擾動，同時采用設置沙袋鎮墩的方式施工，以減少沉降，固定管道，避免了對全線海域管道的基礎處理所造成的巨大浪費。管線運行至今已有四年，中間還經歷過莫拉克臺風，一切正常，可見海域段的基礎處理是不必要的。

⑤海域管道路由選定應避開鎮壓層

專家評語：涉海輸水管道在國內的應用實例很少，海島縣洞頭（溫州）陸域引供水工程是國內涉海管道最為復雜艱難的典型案例，作者結合洞頭工程海域段輸水管道設計探討了如下內容：海底輸水管道工程特點、彈性敷設理論、管材設計、無損檢測設計、防腐設計、陰極保護設計、排氣及控制閥設計、海域管道敷管設計及施工、系統水壓試驗、導航系統設計及海底輸水管道系統應注意的問題等。其設計經驗可為相關工程提供技術參考,以提高我國涉海輸水管道的技術與設計水平。

本文榮獲《中國給水排水》2013年度“得利滿”優秀論文二等獎

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