高流速复杂水域下的海底输水管道施工技术★

李 俊

(上海市基础工程集团有限公司,上海 200438)

0 引言

随着国内沿海岛屿的开发建设,居民生活、企业生产和生态环境改善用水日益增大,水资源不足的矛盾日益严重,从大陆水源地长距离跨海引水工程成为最主要的解决方式。

同时,近年来伴随我国海洋经济的蓬勃发展,近岸海底电力电缆、油气管道、通信电(光)缆、输水管道、尾水排海管道等水下管线密布,尤其是在海湾等狭窄海域、海港区内,新建海底输水管道路由基本位于管廊内,路由间距多为100 m或者50 m,水深普遍较浅,若再叠加3节以上的高速潮流,则管道敷设难度急剧增加。

本文以舟山市大陆引水三期工程(金塘岛引水工程)为背景,详细介绍了在高流速复杂水域环境下实施长距离海底输水管道铺设施工所面临的困难、安全风险和技术解决路径。

1 工程概况

1.1 工程简介

舟山市大陆引水三期工程(金塘岛引水工程)是国务院确定的172项重大水利工程之一,工程始于宁波市镇海岚山加压泵站,终于舟山市金塘岛龙王堂水库,输水管道全长32.77 km,其中海上段长度20.97 km,设计引水流量0.5 m3/s,平均年引水量1 127万m3。设计镇海东顺堤登陆点为桩号KP0+000,金塘登陆点为桩号KP20+970。海上段管道采用钢管,管道外径为820 mm,壁厚14 mm,设计全段管顶埋深1.5 m,局部穿越航道段管顶埋深2 m。

1.2 周边复杂水域环境

海上段管道设计路由位于舟山至宁波海底管线廊道内,输水管道施工将对周边海域内的以下管线、建筑物、航道等产生重要影响:

1)册子岛-镇海海底输油管道(以下简称册镇油管):册镇油管铺设于2004年至2005年,是华东原油运输管网的骨干线路。输水管道路由位于册镇油管南侧,镇海侧从东顺堤登陆点起与册镇油管并行铺设12.5 km,平行相距100 m,之后逐渐分离不再平行,并行区间水深从0 m逐渐增大到12 m[1]。

2)金塘大桥:输水管道路由位于金塘大桥西北侧海域,镇海侧从东顺堤登陆点起4 km长度内,下锚点将进入金塘大桥1.5 km警戒线内。

3)金塘大桥通航孔航道:输水管道路由依次穿越金塘大桥西通航孔航道(通航500 t级海轮)、金塘大桥主通航孔航道(通航5万t级海轮)、金塘大桥东通航孔延伸至沥港水道(通航3 000 t级海轮),施工将影响过往船舶航行。

在海上施工许可证办理期间,周边海域环境又出现了对输水管道施工更不利的变化:

1)舟山500 kV联网输变电工程镇海-大鹏山海底电缆(以下简称500 kV海缆):该工程是世界上第一个500 kV交联聚乙烯绝缘海底电缆工程,于2019年完工并投运,占舟山市用电总量约50%,共有6根电缆和1根光缆,每根海缆间距50 m,最近的光缆距离输水管路由仅200 m。输水管道路由位于500 kV海缆北侧,镇海侧从东顺堤登陆点起与上述7根海缆路由平行铺设7.0 km,并行区间水深从0 m逐渐增大到9 m。

2)杭甬高速复线滨海互通段:是亚洲最大的海上互通,其主桥线路位于镇海东顺堤外侧300 m处,与东顺堤平行,与输水管道路由垂直交越。交越段主桥在输水管道施工前已贯通。

据上述,输水管道周边复杂水域环境如图1所示。

1.3 海洋水文和工程地质条件

1)风况:路由所在的海域冬季盛行NNW,NW风,风速较大;春季风向多变,风速也较大;夏季盛行SSE,ESE风,风速一般较小,但在台风活动较多的7月—8月份,风速较大;秋季风向多变,风速较小。

2)潮流:属于不规则半日浅海潮流,路由所在的灰鳖洋海域是金塘水道和杭州湾之间的潮汐通道,潮流运动呈现明显的往复流特征,涨、落潮方向基本上与输水管道路由垂直,不利于施工。路由KP4—KP9区段流速最大,呈现“中间大两边小”的分布特征,最大涨、落潮流速分别为2.10 m/s和1.90 m/s。

3)波浪:路由所在海域的波浪以风浪为主,年均波高0.5 m,秋冬季波高较大,达到0.7 m,春夏季波高较小,平均0.3 m～0.4 m。

4)工程地质:路由区海底地质以淤泥质粉质黏土为主,局部砂质粉土,适合海底管道开沟埋深施工。

2 工程主要难点和风险点

海底输水管道设计路由位于狭窄拥挤的管廊带内,与北侧的册镇油管相距100 m,与南侧的500 kV海缆相距200 m,垂直于管道路由的潮流快达2.10 m/s,铺管船须跨越油管和电缆抛锚施工才能抵抗住高速水流力,一旦发生走锚、掉锚等意外情况,势必危及上述2个极其重要的海底管线的安全运行,可能会产生巨大的经济损失甚至造成海洋生态灾难[2]。

同时,铺管船队施工将进入南侧的金塘大桥1.5 km警戒线,并穿越金塘大桥3个通航孔航道、杭甬高速复线滨海互通段等重要海上基础设施,一旦发生走锚、航法不明确等意外情况,可能发生船舶碰撞等严重的海上安全事故。

如果能引入动力定位铺管船采用不抛锚作业方式进行海上管道铺设施工,将大大降低上述安全风险,但我们调查、咨询了国内几艘先进的动力定位铺管船,如海洋石油201、蓝海300、汇众301等,在本工程镇海侧7 km以上的浅水区,水深均不满足DP工作要求[3-4]。

因此选用能够跨越500 kV海缆和册镇油管进行抛锚作业的具有强大锚泊定位功能的浅水铺管船进行海底输水管道施工是唯一可行的方案,但针对上述工程难点和安全风险的关键施工技术措施、安全措施应得到充分的论证和执行。

3 关键施工技术

3.1 总体施工工艺

总体采用无张力铺管船法铺设海底输水管道,自金塘侧向镇海侧铺设,具体施工工艺如下:

第一步,运管船通过海运供应48 m成品管段,在施工现场靠泊铺管船后,由铺管船上的起重吊机卸管至堆管区。

第二步,吊装48 m管段至铺管作业线组队、焊接,焊接采用单面焊、双面成形工艺,采用氩弧焊打底和半自动CO2气体保护焊填充、盖面相结合的工艺施焊,在船中第一个焊接站进行打底和第一遍填充,在船首第二焊接站进行第二遍填充和盖面。采用100%超声波和5%X射线对焊缝进行无损检测。

第三步,无损检测合格后,进行接头内外防腐补口,外防腐补口由人工完成,内防腐补口由管道喷涂机器人完成。

第四步,安装铝锌铟合金牺牲阳极。

最后,启动铺管船上DGPS定位系统、导航软件、水深流速监测系统等,收集各种铺管数据,通过收绞船尾的主牵引钢丝绳,收绞、放松8根定位钢丝绳,从而移动铺管船,拖曳托管架向船尾方向缓慢前进,管段从船上发射架入水,经船首绞结的触地式托管架后,自然、平稳的铺入海床上[5]。

钢管铺设施工时,由金塘登陆点处的淡水池向钢管内加水,加水速度与铺管速度保持一致,以确保钢管铺管时不浮起。

铺管完成后再由埋深船携带水下挖沟机对已铺管道进行后挖沟埋深作业。

3.2 铺管船及其锚泊系统增配

铺管船名为“建基5001”,为箱型、Ⅲ类海区、非自航甲板方驳,其主尺度为:总长100 m,垂线间长94.54 m,吃水1.5 m～2.0 m(铺管时),满载排水量3 949 t ,型宽21.4 m,型深4.9 m,满载排水量3 949.5 t。

铺管船上布置有100 m长的发射架、2个焊接站、2个储管区及锚泊系统。铺管施工时在船尾安装有铺管专用托管架。

因海上施工环境发生重大变化,锚泊安全风险等级提高,铺管船锚泊系统增配如下:

1)定位锚机。原8台200 kN牵引力的定位锚机全部增配至350 kN牵引力的定位锚机,容绳量增大,分别设置在铺管船的左右舷;1台350 kN主牵引锚机换新,容绳量增大,设置在船尾。

2)缆绳、锚。按500 kV海缆权属单位要求,所有定位锚需跨越最南侧一根电缆130 m以上;按册镇油管权属单位要求,所有定位锚需跨越油管300 m以上。据此要求,铺管船定位缆绳从φ39 mm、长度550 m纤维芯钢丝绳增配至φ42 mm、长度1 200 m钢芯钢丝绳;主牵引缆绳从φ39 mm、长度1 000 m纤维芯钢丝绳增配至φ42 mm、长度1 200 m钢芯钢丝绳[6]。

铺管船配置9只德尔塔锚,单锚重7 t。

3)浮筒等辅助设施。每只锚头上设有φ39 mm,50 m长的起锚钢丝绳,钢丝绳尾系有夜光油漆的钢浮筒,供起、抛锚用。

每台锚机上安装锚缆张力监控系统,接入铺管船集中控制室,随时监控锚缆张力及锚机电流情况,并设置张力预警。

3.3 锚泊系统定位能力分析

根据前述分析,在潮流最快的KP4—KP7区段,铺管船需同时跨越500 kV海缆和册镇油管,是施工期最不利的工况。

分析计算在施工期最不利的工况下,“建基5001”铺管船新锚泊系统的定位能力完全满足安全使用要求,即:缆绳最大张力小于破断拉力,且小于锚抓力。

3.3.1 计算工况

针对铺管作业中可能出现的情况,拟定三种计算工况,分别是焊接工况、作业工况和翻锚工况,其中焊接工况与作业工况考虑一个行程200 m的移船距离,翻锚工况根据浪向选择不同方案。各个工况的环境条件如表1所示。

表1 环境条件

考虑45°,90°,135°三个方向且风浪流同向的最不利情况,初始锚位布置图如图2所示,图2中X向为船首方向。3,4,5,6为右舷定位锚,抛向路由南侧,抛锚角度分别为65°,90°,128°,148°;2,1,8,7为左舷定位锚,对称布置,抛向路由北侧,⑨为主牵引锚。

3.3.2 三维模型

建立船体湿表面模型,建立带系泊缆的船体模型,如图3所示。

3.3.3 计算理论

计算理论采用三维势流理论,假定流体是不可压缩、无黏且无旋的,引入速度势函数φ,根据速度势函数的定义,可以得到流体的速度场分布:

由流体连续性方程可以得到,速度势函数在流域内应该满足拉普拉斯方程:

Δ2φ=0。

对于非定常流,速度势函数φ满足伯努利方程:

可以看出,只要得到正确的速度势函数,便可以根据伯努利方程,解得流域内的压力分布,再根据压力分布沿浮体结构的湿表面进行积分,就可以得到浮体所受的流体载荷;于是浮体在流体中的受力求解问题,转换为速度势函数的求解问题。

3.3.4 波浪荷载

对线性化处理后的势流方程进行求解,得到一阶势函数,进而结合伯努利方程给出压力分布。

其中由入射势引起的波浪力称入射力,由绕射势引起的波浪力称绕射力,两者合为一阶波浪载荷。

船体左右对称,则考虑在0°浪向、45°浪向、90°浪向、135°浪向以及180°浪向五个不同方向进行水动力特性计算。

3.3.5 风荷载

采用OCIMF提供的方法计算作用在船体上的风载荷:

其中,Fwx,Fwy,Mwxy分别为纵向风力、横向风力、摇首风力矩;Cwx,Cwy,Cwxy分别为纵向风力系数、横向风力系数、摇首风力矩系数;ρw为空气密度;Vw为风速;AT为纵向受风面积;AL为横向受风面积;LBP为垂线间长。

3.3.6 流荷载

采用DUT提供的驳船型绞吸挖泥船的流载荷系数计算作用在船体上的流载荷,该资料对水深条件没有明确说明,应为绞吸挖泥船的一般作业水深,水流力和力矩按下述公式算[7]:

其中,Fcx,Fcy,Mcxy分别为纵向流力,横向流力,摇首流力矩;Ccx,Ccy,Ccxy分别为纵向流力系数,横向流力系数,摇首流力矩系数;ρc为水密度;Vc为流速;T为设计吃水;L为船长;B为船宽。

3.3.7 时域运动方程

浮体在波浪上的运动是以刚体在无限介质中的运动为基础的,由牛顿第二定律:

其中,M为浮体的广义质量矩阵;F为浮体受到的流体作用力;x为运动位移。

考虑到流体作用力可以分解为由入射势引起的F-K力、由绕射势引起的绕射力,由辐射势引起的辐射力,以及静水恢复力,其中F-K力与绕射力可以表示为波浪力Fw,可以推导得到系泊浮体在波浪上的时域运动方程:

CX(t)=Fw(t)+FWI+FCU+Fwf+FMR。

其中,M为质量矩阵;μ为附加质量矩阵;K为时延函数矩阵;C为静水恢复力矩阵;Fw(t)为波浪力;FWI为风载荷;FCU为流载荷;Fwf为托管架所受的波流载荷,采用莫里森公式计算,并经过换算后加载在船体重心处。FMR为系泊缆载荷,采用悬链线法计算。

对每一段锚链单元,考虑其两端的拉力,根据组合方程及边界条件可以得到锚链的张力。

H1=H;

V1=V2-wS;

V2=wL;

其中,AE为锚链截面刚度。

对建立的船体及系泊缆模型在给定环境条件下进行长时间的时域仿真计算分析,可以得到系泊缆的缆绳张力、缆绳起锚力、缆绳拖地长度等相关时历计算结果。

3.3.8 计算结果

根据时历结果,可以得到各个缆绳的张力、起锚力、拖地长度情况,将时历结果转换为频谱,求得各结果的有义值和最大值,以下为最大值结果。

1)作业工况初始位置。缆绳张力最大值如表2所示,相应缆绳拖地长度最小值为312.20 m。

表2 缆绳张力最大值(一) kN

2)作业工况移船200 m后。缆绳张力最大值如表3所示,相应缆绳拖地长度最小值为403.76 m。

表3 缆绳张力最大值(二) kN

3)焊接工况初始位置。缆绳张力最大值如表4所示,相应缆绳拖地长度最小值为289.06 m。

表4 缆绳张力最大值(三) kN

4)焊接工况移船200 m后。缆绳张力最大值如表5所示,相应缆绳拖地长度最小值为347.77 m。

表5 缆绳张力最大值(四) kN

5)翻锚工况。移船200 m后开始翻锚,根据来流方向不同,选择不同的翻锚方案,对于左舷流,翻锚顺序为6→5→4→3,对于右舷流,翻锚顺序为7→8→1→2。每次翻锚包括起锚和重新下锚两种状态,由于船体对称,布置方案也对称,只考虑右舷流情况进行计算分析。

起7号锚时缆绳张力最大值为558.39 kN,相应缆绳拖地长度最小值为403.54 m。

起8号锚时缆绳张力最大值为558.95 kN,相应缆绳拖地长度最小值为400.78 m。

起1号锚时缆绳张力最大值为572.51 kN,相应缆绳拖地长度最小值为463.94 m。

起2号锚时缆绳张力最大值为577.85 kN,相应缆绳拖地长度最小值为417.39 m。

3.3.9 系泊缆绳张力结果分析

根据施工环境资料和初始状态的系泊布置方案,采用动力分析方法对铺管船在作业、焊接和翻锚工况下的运动、缆绳张力进行分析,得到各结果的可能最大值。

计算分析中计入托管架所受的波浪和流载荷,不考虑其对船体的定位能力,属偏危险工况考虑;翻锚工况根据环境载荷作用方向,总是按顺序移动背流一侧的锚,计算过程类似单根失效工况[8]。

从计算结果可以看出,作业工况的可能最大缆绳张力为728.41 kN,焊接工况的可能最大缆绳张力为806.09 kN,翻锚工况的可能最大缆绳张力为577.85 kN,均小于缆绳最小破断力1 050 kN。

3.3.10 锚抓力结果分析

铺管船配置德尔塔大抓力锚,大抓力锚的抓重比通常在等重量普通无杆锚的两倍以上,根据规范SY/T10040浮式结构物定位系统设计与分析,各种锚型在淤泥中的抓力如图4所示,铺管船配置7 t(约15.4 kips)的大抓力锚,其抓力约为194 kips,即抓重比约为12.6[9]。

在给定计算工况的作业环境条件下,通过时域分析得到缆绳卧底长度和起锚力的可能最大值,缆绳卧底长度相对较长,各阶段的起锚力基本为零,均远小于锚抓力;锚抓力亦大于各计算工况的最大缆绳拉力(806.09 kN)。计算结果表明在给定的计算工况环境条件下,铺管船的锚抓力满足API规定的定位能力要求,不会走锚。

3.4 其他施工技术措施和安全措施

3.4.1 扫测海缆和油管

施工前,对500 kV海缆、册镇油管进行路由和埋深扫测,将海缆和油管的实际扫测路由坐标资料导入铺管船定位导航系统。

3.4.2 控制施工时间

选择海况良好的4月—10月间施工,并避开台风期,可控制风力、波浪不超出锚泊系统计算环境条件。根据潮汐规律合理安排铺管作业、焊接、抛锚作业时间,涨、落潮流速小于3节流时才进行铺管作业、翻锚作业。

3.4.3 科学设计锚位和精准下锚

翻锚前科学设计好锚位,经参建各方及海缆、油管运行部门审核同意后方可执行。考虑锚到海床后至入泥抓紧需拖拉一段距离,故实际作业时,设计南侧定位锚跨过最远的一根海缆200 m以上,设计北侧定位锚跨过油管500 m以上。

鉴于缆绳抛出距离最长可达1 100 m,故配置3 000 HP以上的大马力起锚艇,起锚艇安装可靠的厘米级精度的DGPS,由专业技术人员操作,每次起锚时起锚船将锚吊起,铺管船锚机缓慢将缆绳回收到船边,然后再由起锚船根据DGPS定位的新锚位,快速拉出缆绳,抛锚到设计位置。

根据与海缆、油管权属方签订的安全协议,通过现场回传照片、视频等方式,船舶进场报备、抛锚过程、起锚过程、转运锚过程等均严格接受海缆、油管运行部门的实时管控。

3.4.4 防掉锚措施

起锚、移锚过程中,由起锚船将船锚起吊出水面后,另加一根Φ39的钢丝绳连接船锚,防止船锚因起吊钢丝老化或碰撞出现断丝、断股等意外断裂而坠落的情况发生。

3.4.5 备用全回转拖轮

上述理论计算铺管船锚泊系统是安全且有富余量,但为确保万无一失,现场配备3 600 HP全回转拖轮值守,当涨、潮流流速大于3节流时,全回转拖轮慢车顶靠铺管船背水侧,根据水流大小、锚缆张力大小和铺管船船位细小变化随时调整顶推马力。

3.4.6 交越杭甬高速复线

杭甬高速复线滨海互通主桥贯通后,因安全距离需要,滩海段登陆管道长度从原计划的200 m增加到730 m。铺管船调转180°抛锚就位,采用倒发射浮运登陆的方式横穿杭甬高速复线,鉴于狭窄的环境条件无法抛锚施打限位桩,故在登陆管道中间位置布置2个点,采用起锚艇和交通船以慢车顶推或拖拉钢管,起到限位作用。

3.4.7 穿越金塘大桥通航孔航道

输水管道路由依次穿越金塘大桥3个通航孔航道,应根据海事部门的要求做好施工警戒和过往船舶的交通组织。笔者以穿越5万t级主通航孔航道为例做通航航法介绍。

主通航孔航道宽度1海里,铺管船由东向西横穿航道作业,锚泊影响区域为1 500 m×1 480 m的矩形。

进入航道期间,警戒船从2艘增加至4艘,以铺管船为警戒中心,4艘警戒船布置在施工区域四角,引导过往船舶按公布的航法航行,航法如下:

1)当施工区域边界向西移到金塘大桥北口灯浮230 m之前,北行和南行船舶在施工安全水域的西侧通航,南行船舶占用少部分航道西侧水域,航道外水深8.9 m,与航道内水深持平。

西侧绕航示意图见图5。

2)当施工区域继续向西移动到金塘大桥北口灯浮230 m～630 m之间时,南行船舶仍然在施工安全水域的西侧绕航,而北行的船舶则到施工区域的东侧绕航。两侧绕航示意图见图6。

3)当施工区域边界继续向西移动到金塘大桥北口灯浮以西630 m之后,南行、北行的船舶都可在施工安全水域的东侧绕航(见图7),双向通航宽度800 m,距离施工区域边界100 m。

随着施工水域的逐步西移,可通航水域逐步变大,可以逐步恢复到原来的航道内通航。

4 效果分析

面对金塘—镇海间的高流速复杂水域环境,通过采用以上增配的锚泊系统以及采取其他有针对性的施工技术措施、安全措施后,建基5001铺管船于2023年5月—8月顺利完成本项目海底输水管道铺设,实际铺设路由与设计路由偏差均在±5 m以内,统计对比所有起、抛锚点坐标,锚点偏差均在20 m以内,未发生走锚情况,穿越3处航道时也没有发生过往船舶因航法不明而危及施工区域的情况。

5 结论

1)对高流速复杂水域环境下的长距离输水管道工程,采用具有强大锚泊定位功能的浅水铺管船,再辅以全回转拖轮应急顶推,以抛锚作业方式进行施工是一种行之有效的方案。

2)施工中应严格执行各项施工技术措施和安全措施,谨慎实施作业,船舶操作不能有大的偏差。

3)施工中遇台风、强冷空气等恶劣天气,组织铺管船队及时撤离。

4)在10 m以下浅水区,铺管船缆绳抛出去1 000 m左右,容易产生打扭损伤,采用在缆绳与锚连接处加装锚链转环组的方法,可有效减少打扭现象,并勤观察近锚端的锚缆完好情况,如有打扭、断丝等损伤应及时处理。