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天然气管道工程穿越河道洪水影响评价分析

2024-12-22 417 上传者：管理员

摘要：为研究川气东送二线枣阳-宣城联络线天然气管道工程对穿越牛屯河河势及水文情势的影响,采用洛赫京河床稳定性系数公式、MIKE 11 NAM流域洪水模型、Lacey等冲刷公式以及《水工结构有限元分析系统》堤防渗流场计算程序等方法 ,分析河道演变情况、穿越河段设计流量、设计洪水位以及工程建成对河道行洪、冲刷、河势、排涝、堤防及岸坡稳定性的影响。结果表明,管道工程对河道防洪无明显不利影响,可为工程设计及河道管理提供科学的依据。

关键词：
化石能源
天然气管道工程
河势
洪水影响评价
设计洪水位
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1、引言

天然气作为高经济､绿色清洁的化石能源,较其他传统能源来说,碳排放量较低,是碳约束条件下需要着重开发利用的能源之一[1]｡川气东送二线枣阳-宣城联络线天然气管道工程作为国家骨干管网联络管道之一,主要承担西气东输一､二､三线,川气东送一线､二线以及苏皖LNG管道等多条国家骨干管道的互联互通功能,将中亚天然气输送至长三角地区,在优化长三角地区能源结构,推动沿线周边区域协调稳定发展,提升人民群众幸福感等方面,占据举足轻重的地位[2]｡根据《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》,位于河道管理范围内新建或改扩建的项目,必须进行防洪影响评价[3-5]｡本文以川气东送二线枣阳-宣城联络线天然气管道工程穿越牛屯河为例,分析工程对穿越河段防洪影响及自身防洪风险｡

2、基本情况

2.1 工程概况

川气东送二线枣阳-宣城联络线天然气管道工程,起于湖北省枣阳市枣阳首站,自西向东,途经3省10市26区县,止于安徽省宁国市宣城联络站,线路全长810.5 km,设计压力10 MPa,管径D1016 mm,材质L485 M(X70 M),设计输量90×108m3/a｡根据线路走向,天然气管道工程穿越牛屯河河段位于马鞍山市和县功桥镇､芜湖市鸠江区沈巷镇境内,穿越设计范围内线路水平长度为1100 m,实长1102.61 m｡其中定向钻穿越牛屯河段水平长度为990 m,实长992.9 m,主河床内管顶埋深约20.64 m,左岸堤脚处管顶埋深25.56 m,右岸堤脚处管顶埋深26.74 m;一般线路段水平长110 m,实长110 m｡牛屯河穿越河段位置见图1｡

图1牛屯河穿越河段位置示意图

2.2 防洪影响分析范围依据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》,本次上下游河段影响分析范围取值均为1100 m｡左右岸分析范围不小于河道管理范围,本次左右岸影响分析范围取值分别为410 m､300 m｡

2.3 河流水系

牛屯河西至铜城闸,东濒长江,河口建有新桥闸,域内江堤分属无为大堤裕黄段及和县江堤,主河道长31.9 km,流域总面积404 km2,是巢湖流域排洪入江的第二通道｡铜城闸启闭决定巢湖闸上洪水是否经牛屯河排入长江,新桥闸是保证牛屯河洪水下泄长江并防止长江洪水倒灌｡

3、河道演变

3.1 河道演变分析

1965 年8月,牛屯河口建新铜城闸,1966年汛前完成｡1977年~1978年10月,牛屯河入江口上3.28 km处建成新桥闸,同时建成闸下两岸堤防｡1986年,牛屯河分洪道工程正式开始建设,1991年春第一期工程大体竣工｡2003年､2004年､2005年和县､含山县分别开展了牛屯河治理工程,主要建设内容为河道疏浚､堤防加固等｡牛屯河河底高程､宽度､边坡均发生较大变化｡

牛屯河分洪道由天然河道扩挖形成,2012年后,经过中小河流治理及地方自筹资金建设､巢湖流域牛屯河中下段治理等工程的实施,牛屯河河底高程､河道底宽､边坡及堤顶高程发生相应变化,这些变化的主要原因来自于工程的实施｡但河道堤线走向改变微小｡在无人为因素干扰下,牛屯河河势相对稳定｡

3.2 河道稳定性分析

牛屯河是平原性河流,河床比降为0.003%,水流缓慢,河道较为顺直｡穿越断面河槽宽度约为194 m,最大水深约为9.8 m｡河床底部为淤泥质土,上覆第四系全新统冲洪积淤泥质粉质黏土｡虽然该层抗冲刷能力弱,但河床比降低,水流缓慢,河水冲刷极弱,河道以淤积为主,河床稳定性较好｡

3.2.1 河床纵向稳定性分析

河床纵向稳定性取决于泥沙抗拒运动的摩阻力和水流作用于泥沙的拖曳力的比值｡本文选用洛赫京提出的稳定系数φ'h计算公式:

式中:φ'h为河床纵向稳定系数;d为床沙平均粒径,单位以mm计,本次取0.025 mm;J为河道比降,单位以mm/m计,牛屯河河道比降取0.028(mm/m)｡

根据公式(1)计算管道穿越段河道纵向稳定系数,结果见表1｡

表1河道纵向稳定系数成果表

根据《桥渡水文》中的河床稳定性判别标准:平原河流顺直微弯河段的允许纵向稳定系数范围是0.37~2.2｡断面纵向稳定系数越小,沙波运动越剧烈,河床变形越大,河床越不稳定;相反,河床越稳定｡牛屯河河道纵向稳定系数为0.83,穿越牛屯河段纵向是稳定的｡

3.2.2 河床横向稳定性分析

工程附近河段缺少各时期的河道断面资料,因此难以对河道的纵横向变形进行定量分析,本文根据实测河道断面的宽深关系进行定性描述｡其计算公式为:根据公式(2)计算河道横向稳定系数,结果见表2｡

表2河道横向稳定系数成果表

根据《桥渡水文》中的河床稳定性判别标准:平原河流顺直微弯河段的允许横向稳定系数范围是3~4｡断面横向稳定系数越小,河槽越窄深,河床越稳定,相反,河床越不稳定｡牛屯河河道横向稳定系数为1.45,穿越牛屯河段横向是稳定的｡

4、防洪评价分析与计算

4.1 防洪标准

根据《防洪标准》及《油气输送管道穿越工程设计规范》,川气东送二线枣阳-宣城联络线天然气管道工程为特别重要的管道工程,穿越牛屯河工程等级为大型,一旦损坏影响面广,损失巨大,故其防洪标准为100年一遇｡

4.2 设计洪水分析计算

巢湖流域现有雨量站132个,根据站点布设代表性和观测资料连续性等具体情况,选取了合肥､桃溪､巢县､庐江､无为及舒城等6个雨量站点｡基于实测降雨资料及流域地形特征参数,利用MIKE 11 NAM模型计算｡

根据流域洪水模型演算,在排泄巢湖闸上100年一遇洪水时,牛屯河铜城闸上为10.75 m,铜城闸下为10.7 m,新桥闸上为10.1 m,天然气管道穿越河段设计水位为10.5 m,设计流量为1000 m3/s｡

4.3 壅水和行洪能力分析

管道穿越工程没有减小过水断面,且未占用行洪断面,不在穿越河段处产生工程壅水,不影响河道行洪能力｡

4.4 冲刷淤积计算

在自然条件下,河流会发生自然演变和冲刷,如果人为改变河道现状,就会产生一般冲刷和局部冲刷,威胁穿越管道和两岸堤防的安全｡为了分析河底敷埋管道的深度是否满足规范要求,应计算设计洪水条件下管道穿越河道处的最大冲刷深度｡工程未占用河道行洪断面,不存在压缩冲刷,且穿牛屯河段过流断面为梯形,故本次只需进行河槽冲刷计算｡常见的河床冲刷公式有Lacey公式､谢鉴衡公式､《公路工程水文勘测设计规范》及《河道整治设计规范》中冲刷计算公式｡本文分别采用上述公式进行计算｡计算冲刷成果见表3｡

表3管道穿越河道断面处冲刷成果表

管道采用水平定向钻穿越牛屯河,综合确定规范要求穿越牛屯河管道段管顶最小埋深为10.16 m,牛屯河主河床内管顶设计埋深约20.64 m｡本次计算河床最大冲刷深度3.48 m,工程设计管道埋深满足规范要求｡

4.5 河势影响分析

河床演变的本质在于输沙平衡机制的损害,其影响因素主要是来水来沙情况､河道出口断面控制高程以及河床周界条件的改变等｡拟建天然气管道通过定向钻施工穿越牛屯河,管道主河床内管顶埋深约20.64 m,远远低于现状河底高程,未占用河道过水断面,不影响过流｡项目的建设不改变来水来沙､出口控制高程､河床周界条件､深泓线位置､近岸冲刷及河道断面形状,因此,管道穿越工程建设不会对河势稳定产生明显不利影响｡

4.6 排涝影响分析

拟建天然气管道通过定向钻施工穿越牛屯河,管道主河床内管顶埋深约20.64 m,远远低于现状河底最低高程,不占用行洪过水断面,不阻碍水流,对排涝泵站外水位影响甚微,因此工程的建设对排涝无不利影响｡

4.7 堤防及岸坡稳定分析计算

4.7.1 抗滑稳定分析

天然气管道在牛屯河穿越堤防处不占用堤防设计断面,穿越入出土点距离堤防背水侧堤脚较远,分别为403.07 m和295.53 m｡在堤基范围内,管道埋深较深,上覆土厚度大于25.0 m｡

现状堤防于2021年根据《巢湖流域牛屯河中下段治理工程初步设计报告》批复标准设计断面填筑完成,设计洪水位10.75 m,在正常运用条件下,堤防内外边坡稳定安全系数均远大于规范允许值1.25,而管道穿越牛屯河段设计洪水位为10.5 m;加之填筑完成后,通过实际运行考验,没有出现堤防滑坡塌陷等问题,现状堤防边坡安全稳定｡因此工程建设对牛屯河堤防抗滑稳定无明显不利影响｡

4.7.2 渗透稳定分析

采用河海大学工程力学研究所研制的《水工结构有限元分析系统》堤防渗流场计算程序,根据选取计算工况､参数等,对牛屯河左､右岸堤防进行渗透稳定计算｡计算结果见表4｡

表4牛屯河堤防渗透稳定计算成果表

计算结果表明,基于正常施工条件下,牛屯河左右岸堤坡穿越前后的渗透坡降均小于允许出逸坡降,满足规范要求,因此工程建设对堤防渗透稳定影响较小｡

5、结论与建议

(1)天然气管道穿越牛屯河段主河床内管顶埋深约20.64 m,管顶高程为-19.00 m,远远低于河底高程,不改变来水来沙､出口控制高程､河床周界条件､深泓线位置､近岸冲刷及河道断面形状等,因此工程建设对河道行洪､冲刷､河势及排涝无明显不利影响｡

(2)天然气管道穿越工程起讫点距离背水侧堤脚均较远,管道埋深较大,设计洪水位稳定渗流期的渗透坡降均小于允许出逸坡降值,表明工程对岸坡稳定及堤防抗滑稳定､渗透稳定无不利影响｡

(3)施工期间不得向河道及周边沟渠弃土､弃渣,严禁废水､污水排入河道,施工完毕后,废弃物､油污及其他施工废弃物需及时清运｡定向钻施工过程中,应严格施工工艺,及时控制进度,进行相应的施工保证､堤防监测､防范处理措施等来保证安全建设｡

参考文献:

[1]徐顺义.“双碳”背景下天然气化工技术发展及碳减排量预测探究[J].化工设计通讯,2024,50(02):131-133+140.

[2]何璐楠,王炜斌.天然气管道研究现状及发展趋势[J].化学工程与装备,2023(07):210-212.

[3]李友起,陈宝中,衣秀勇.防洪评价应注意的几个问题的探讨[J].海河水利,2006(05):21-22.