海岛县洞头陆域引供水工程输水管道海域段设计

陈守庆1，陈湧城1，罗昊进2，方均舰3，吴旭磊4，庄小将5，

包松考5，武乐毅5，陈金荣1，张德跃1

(1.中国市政工程华北设计研究总院，天津300074；2.温州市城建设计院，浙江温州325000；

3.温州市洞头县水务有限公司，浙江温州325000；4.温州市公用事业投资集团有限公司，

浙江温州325000；5.温州市瓯江口开发建设投资集团有限公司，浙江温州325000)

涉海输水管道在国内的应用实例很少，海岛县洞头（温州）陆域引供水工程是国内涉海管道最为复杂艰难的典型案例。自2009年6月以来39 km主管线建成通水已有四年，一直运行良好。洞头县是我国的十二个海岛县之一，洞头（温州）陆域引供水一期工程目的为将温州陆域的自来水引入海岛县——洞头(见图1)。

图1 洞头陆域引供水工程示意

一期工程输水规模为7万吨/天。其中输水主管道全长为39 km，管径为DN1 000，沿途经过三处岛屿（灵昆岛、霓屿岛、洞头本岛），穿越四段海域（瓯江南支、灵霓大堤段海域、霓屿岛海域、海中湖海域），海底敷设管道总长度约8 km，灵霓海堤敷设约14.5 km，霓屿岛滩涂堤坝段敷设约1.2 km，穿山隧道为1.5 km，为沿线岛屿灵昆岛、半岛工程（现称瓯江口新区）、霓屿岛及洞头本岛提供自来水；另外利用5 km支线管道，管径为DN300，跨越三座桥梁、四座隧道，为状元岙深水港及沿线多座岛屿上居民提供自来水。

该工程于2006年开始建设，并于2009年6月建成通水，通过与洞头管网的贯通，实现了洞头南片六岛供水的全覆盖，彻底解决了洞头人民靠天吃水的困局。

海底输水管道工程具有隐蔽性、修复困难、施工难度大等特点，因此要求精心设计，并严格控制施工、材料供应、第三方检测、监理等每一个环节，力争做到万无一失，以保证海底管道的使用寿命。

1 海底输水管道设计理论

采用弹性敷设理论进行海底管道的设计。

海洋管道是一个特殊的工程,管道本身有一定的强度和刚度，尤其是在局部短管中就像普通梁结构一样传递剪力和弯矩，但在轴向尺度很大时，其整体上就是一个柔性很大的细长结构，虽然位移很大，但管内应变很小，其内力不是很大，这是管道结构自身固有的力学特性。利用这种理论来设计海洋管道结构就是弹性敷设法。

在海洋中其地基基础往往表面是多年沉积的较软的土壤,尤其是洞头海域的海床大多是很厚的淤泥层，呈流塑状态，承载能力很低。在风浪流动荷载作用下，水流冲刷中基础变形较大。同时大范围内地基不均匀沉降是必然存在的，所以海洋地基的变形是不可避免的。前述管道结构的力学特性正好适应这种海洋软基基础。利用管道的可浮、可沉性、结构对称性等特点，进行长管段长距离的漂浮、拖运、沉放施工。

2 管材设计

洞头工程地形复杂，涉海段共有四段，管道敷设难度大，对管材的要求更高。由于各段涉海区域要求管道具有较高的抗拉强度和抗变形能力，所以选择钢管。

经计算，提出海底管道采用DN1 000螺旋缝焊接钢管，选用Q235-B低碳钢、管道壁厚为14 mm，而瓯江南支段因考虑到后期的开发利用适当留有余地，选用Q345-B低碳钢，管道壁厚为14 mm的管材设计实施方案。且经过专家论证会论证，专家一致认为洞头工程参照舟山工程成功的案例，选用螺旋缝焊接钢管及低碳钢的管材、国内管厂加工制作、采用敷管船法施工且采取技术措施保证施工工程中管道应力≤220 MPa的方案，是技术可行的，施工敷设操作方便，并能保证运行安全。

3 输水管道的无损检测设计

洞头陆域引供水工程输水管道非常复杂，管道施工安装条件困难，运行条件也很恶劣，地基沉降大，台风时风浪潮很大，对输水管道的危害极大，因此钢管的焊缝质量控制、探伤及检测尤其重要。

4 输水管道的防腐设计

输水钢管内防腐采用国内市政管道普遍应用的质量优良的8701饮用水涂料。本项目采用特加强级，构造为两底四面，厚度≥0.3 mm。

管道外防腐：海域段钢管采用3PE防腐。

补口、补伤材料纯海域段钢管采用进口热收缩带（套）二层结构，总厚度≥2.7 mm，其中马蹄脂型胶粘剂厚度≥1.7 mm，基材厚度≥1.0 mm。其中霓屿岛段海域堤坝段钢管的补口、补伤材料由于该段地形复杂，防腐方案必须能够承受礁石、碎石等复杂地形管道基础的摩擦，不同于纯海域段管道的沙土软基环境，因此防腐方案也有所不同，根据国内外的海底管道防腐经验，该段海域补口、补伤材料采用进口环氧树脂、辐射交联聚乙烯热收缩带（套）三层结构，防腐层总厚度≥2.5 mm，即无溶剂型环氧树脂底漆一道，厚度≥0.2 mm，热熔胶型胶粘剂厚度≥1.0 mm，基材厚度≥1.5 mm。

5 海底输水管道阴极保护设计

洞头工程海底输水管线全长约8 km，管外径为1 000 mm，设计输水温度约20 ℃，管线外涂层为3PE，埋设于温州近海的海淡水介质海底盐泥中，水下深度约5~15 m。

设计采用铝-锌-铟合金牺牲阳极联合涂层进行保护，针对阴极保护部分设计。

设计阳极形式为条式阳极，陆上安装后随管下海。

6 海底输水管道排气及控制阀设计

①空气阀的设计

经计算，其中管径为DN1 000的管道配备DN150的复合式空气阀。

本工程两段主要海域瓯江南支段及海中湖段长度分别为2.6、4.5 km，中间无法设置排气阀，只能在两端登陆点设置排气阀，而海域段管道集气，很有可能造成管道漂浮或产生水锤，因此采取可靠的排气措施是关键。首先管道敷管下沉时，应严格施工，确保管内空气排净不集气，再次在两岸登陆点设置双复合式进口排气阀，规格为DN150，加大排气量，同时可起到备用作用。

②控制阀（调压阀）的设计

洞头陆域引供水工程输水管线，起端接入的是城市自来水管网，根据管网平差，管网起端自来水压头约为33 m黄海高程，全程靠自来水管网的压力将水输往洞头本岛，并为沿途配水点配水。为了得到沿途各配水点稳定均衡的供水，管网的末端——洞头加压泵站清水池的进水口必须设置一个维持出口压力基本恒定的控制阀(即调压阀)，利用此阀人为地将阀前管道的水头抬高，使得管线高点不会产生半管流的状态，防止管道因产生真空而受到破坏，同时保证了各沿途配水点供水压力的均衡，并节省再次提升的耗电量，供水稳定才会得以均衡，管道安全有保障。因此控制阀的设置非常关键。本工程按进口活塞式控制阀设计。

7 海底输水管道敷管设计及施工

①总平面按照S形曲线敷设

为适应海底管线的不均匀沉降，水下管线采用S形曲线路由弹性敷设，曲率半径为2 000～2 500 m，中间距直线路由偏差为5～10 m。

②海底管道挖沟方法

本次设计原则上采用后挖法，受国内施工技术及机械的限制，可挖深2.5 m，扣除1 m管径，管顶覆土厚为1.5 m，在局部有冲刷的海域段，可根据冲刷深度适当加大埋深，采用先挖与后挖相结合的方法。

③镇墩设置

为了管道稳定及满足抗浮要求，在管道沿线每10 m间距设置一处沙袋镇墩，镇墩长为2 m。

④挡桩设置

在海底管道两端靠近登陆段分别设置钢制挡桩3排，间距约50 m，起到固定管道的作用。

⑤登陆段软硬基础过渡处理

海域管道登陆段两端是海洋软基础与陆地硬基础的过渡段，因此结构设计采用1.5 m间距，设置5排总长度为39 m的木桩基础作为管道登陆段基础的处理。

⑥海底管道施工流程

施工流程见图２。

图2 海底管道施工流程

⑦海底管道施工方法

本段管道全部为海域段，采用敷管船进行弹性敷设法敷管。

首先两个挖泥船队同时从管线两端向中间方向按设计要求开挖沟槽，其中两登陆端各39 m在开挖沟槽后进行地基处理施工。

然后采用敷管施工船以S形曲线路由进行弹性敷设，曲率半径≥700 m，连续敷管时在管内进水，保证管内不积气，每次敷管长度为96 m。

然后再用起重船进行水下沉桩施工、常规区域沟槽砂袋镇压墩施工和3#锚地区域砂袋镇压层施工。

最后再用挖泥船和泥驳按设计要求进行原土回填施工。具体施工图见图３～7。

图3 海中湖段施工总平面布置图

图4 海中湖段管道敷设施工示意图

图5 海中湖段终端登陆示意图

图6 海中湖段敷管船施工作业照片

图7 海中湖段终端登陆段施工照片

⑧海上施工测量

海上施工测量采用DGPS全球卫星定位系统，插分站采用国家信标系统。

8 海底输水管道系统应注意的问题

①管道充淡水下沉

②海底管道严禁设置伸缩节

③海底管道钢管的连接严禁设置法兰

④海域管道基础处理。

工程采用后挖法施工，减少对基础的扰动，同时采用设置沙袋镇墩的方式施工，以减少沉降，固定管道，避免了对全线海域管道的基础处理所造成的巨大浪费。管线运行至今已有四年，中间还经历过莫拉克台风，一切正常，可见海域段的基础处理是不必要的。

⑤海域管道路由选定应避开镇压层

专家评语：涉海输水管道在国内的应用实例很少，海岛县洞头（温州）陆域引供水工程是国内涉海管道最为复杂艰难的典型案例，作者结合洞头工程海域段输水管道设计探讨了如下内容：海底输水管道工程特点、弹性敷设理论、管材设计、无损检测设计、防腐设计、阴极保护设计、排气及控制阀设计、海域管道敷管设计及施工、系统水压试验、导航系统设计及海底输水管道系统应注意的问题等。其设计经验可为相关工程提供技术参考,以提高我国涉海输水管道的技术与设计水平。

本文荣获《中国给水排水》2013年度“得利满”优秀论文二等奖

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