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越壑微课/0/第十二期
越壑先锋
开挖穿越最重要的是确定管道埋深和穿越长度。虽然穿越设计规范里都对此有明确要求，但是埋深所依据的冲刷深度不很准确和岸坡不是很稳定的问题没有引起足够重视，近期又有取消稳管措施的说法，令人担忧。殊不知，开挖穿越相对而言是安全可靠性较差的一种方式，常发生管道埋深不足或露管的情况。80年代以前由于没有引进非开挖穿越方式，只能采用开挖穿越，管道运营单位每年汛期都提心吊胆地防备管道被冲出来，管道的维护费用很高。后来引进了定向钻、顶管、盾构等非开挖穿越技术后，设计理念是对于大江大河都尽量采用非开挖穿越，东北管道公司和西南管道公司等都提出河流穿越尽量不用开挖穿越。但是开挖穿越也不能绝对禁止采用，如季节性河流、流速小的河渠等，只要开挖穿越设计合理，是省时、省力、造价低、管道安全的穿越方式。为设计安全可靠的开挖穿越，对下述问题应有正确的认识。
、冲刷深度的确定）冲刷深度由自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分组成。自然冲刷很难计算，一般只在大型工程中特殊考虑。一般冲刷是最常见的冲刷，多由经验公式计算得来。局部冲刷是穿越断面上游有阻水建构筑物时要考虑的冲刷，如上游有桥梁，桥墩会压缩河道宽度，形成桥墩附近流速加大的局部冲刷。目前的冲刷计算大多只考虑一般冲刷，一般冲刷深度计算公式繁多，计算结果差异较大，如表-所示。按土层分层计算、按河槽和滩地计算结果也很不同。按河槽和滩地分别计算的优点是能够区别对待主河槽和滩地，节省土方开挖和工程造价，缺点是有时难分清单宽河道还是复式河道。若按单宽河道计算，则冲刷深度值会小于按复式河道计算的主河槽冲刷深度，若按复式河道，主河槽可能会在管道寿命周期内有移动，滩地可能成为主河槽，按滩地冲刷深度浅埋的管段存在很大安全隐患。在滩地和主河槽有可能变化或是难分单宽河道和复式河道的穿越断面，最为稳妥的设计是按单宽河道和复式河道分别计算冲刷深度，取其大值作为整个穿越段的冲刷深度。
表-某砂性河床的不同公式计算冲刷深度公式名称Lacey公式《河床演变及整治》（武汉水利电力学院编）单宽流量公式《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC0-05）64－简化式《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC0-05）64－修正式《堤防工程设计规范》（GB-0）顺坝及平顺护岸冲刷深度(m).47.94.4.0.78）冲刷深度结果值因人而异。计算公式中有些基本参数不是定值，不同的人取值不同也会影响计算结果。例如，洪评和勘察的计算结果往往都差异较大。在同一管道项目中，同一洪评单位都用相同的计算公式，而在另一管道项目中，洪评单位不变，可能采用了另一种公式。不同的洪评单位在同一管道项目中采用的计算公式也不同。很少有洪评单位说明采用该公式的理由，但也有较认真的洪评单位会用几种公式计算，选择采用其中的最大值为推荐值。例如，西气东输二线湖北省的洪评（年），湖南水文水资源勘测局采用的《铁路桥位勘测设计规范》TBJ7-86，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局、长江中游水文水资源勘测局均采用了《河床演变学》中的lacey公式，湖北水利水电勘测设计院采用的《公路桥位勘测设计规范》JTJ06-9；西气东输三线吉安－福州段的洪评（0年），长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局采用了《河床演变学》中的lacey公式和《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC0-00）。现在这些规范很多已经升版，个别计算公式局部有调整。）推荐冲刷深度计算公式和冲刷深度确定。目前，计算冲刷深度常用的公式是《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC0-05）和《堤防工程设计规范》（GB-0），因为这两个规范的版本最新，且《公路工程水文勘测设计规范》的64-修正式和64-简化式往往计算的冲刷深度值最大。但是，64-修正式和64-简化式计算需要在对穿越断面进行了测量和勘察情况下才能采用。有时未必是64-修正式或64-简化式计算的冲刷深度最大，如西二线的呼图壁河采用Lacey公式、64－简化式、64－修正式、单宽流量、堤防顺坝公式的冲刷深度分别为.46m、0.94m、.m、.9m、0.78m。lacey公式计算值最大。因此，宜采用多个无需勘测的、基本参数简单的冲刷深度计算公式进行估算，如Lacey公式等。除按照公式计算外，还应根据河床比降、河床地质密实程度、上下游已建管道、建构筑物、水库泄洪和河流疏浚等情况综合确定，如山区河流河床比降大，冲刷也大；计算冲刷线距基岩面很近时，宜选择基岩面为冲刷线；计算冲刷线位于稍密或中密砂层时，冲刷线宜定在密实砂层；冲刷线位于卵砾石层时，应根据水流速、卵砾石粒径及其不被冲刷流速来确定冲刷线；上游有水库，会存在泄洪冲刷；上下游距桥墩等水下构筑物太近，会存在局部冲刷；河流有疏浚时疏浚深度应考虑进管道埋深，附近有已建管道时，宜调研管道敷设和运营情况，从多方面综合考虑确定冲刷深度。
、常用一般冲刷深度计算公式.Lacey公式Lacey公式是国外采用较多的公式，涉及参数少，便于使用，当资料较缺乏时，单河道可采用lacey公式快速地进行一般冲刷深度估算。
（—）
式中：hp—冲刷后最大水深（m）
k—冲坑系数，国内多采用0.5，国外有取或按表-选用。
Qf—最大洪水流量(m/s）；
Dm—河床材料的平均粒径（mm）；
表-Lacey公式推荐k值（源自国外论文）
结构形式
尖型码头.5：
长坡码头:0
大曲率半径岸坡
圆形桥桩
沿河岸
K值
.8
.5
.75
.7
国内应用Lacey公式时认为，用于闸坝下游局部冲刷时应将计算结果再乘.5～，用于最严重的有带有漩涡的桥墩尾部冲刷时，则应将Lacey公式乘4；表6-也是根据被冲刷体的结构型式选定k，但其值远大于国内推荐的k值。苏丹//4区项目喀土穆大学所做的Atbra河冲刷计算选用k为；综合这三种k值取法，为了管道敷设安全，推荐顺直河段k值取.7，弯曲河段k取.75。
.《公路工程水文勘察设计规范》（JTGC0-05）公式..非粘性土壤河床、河滩一般冲刷）河槽部分
河槽一般冲刷部分有64-简化式和64-修正式两种计算公式。64-式为河床一般冲刷公式，是通过桥下河槽断面推移质输沙量平衡条件推导而得的一个半经验公式。该式综合系数k、m计算较繁，使用较少。年5月西安公路学院提出64-简化式，将变系数、变指标简化为定系数和定指数。简化式计算精度与64-式相当，但革掉了影响冲刷的河床质粒径因素，与输沙平衡原理有些不符，同时还不能用以计算分层土的冲刷。64-修正式是另一种河床一般冲刷半经验计算公式，是根据桥下最大垂线水深与断面最大单宽流量（曼宁公式）之间关系和止冲流速（沙莫夫公式）的概念基础上建立起来的公式，但该式用在小比降，细颗粒深水河段时，有时会出现负值。此公式不适用于高含沙水流条件。上两式并存于规范中，适用有底沙运动的非粘性河槽，也可用于铁路桥下冲刷计算。河海大学胡凤彬教授认为64-修正式在原理上比较合理。为了慎重起见，宜两个公式同时采用，取其大值。
（）64－简化式
式中：hp—桥下一般冲刷后的最大水深（m）
Qp—设计流量（m/s）
Q—桥下河槽部分通过的设计流量（m/s）,当河槽能扩宽至全桥时取用QP；（当为单宽河道时，
当为复式河道，洪水漫滩时，Qc—天然状态下河槽部分流量（取平滩时河槽流量）（m/s），Qt—天然状态下河滩部分流量（取平滩时滩地流量）（m/s），Bc—天然状态下河槽宽度（m），取平滩时河槽宽度）Bcq—桥长范围内河槽宽度（m），当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；（单宽河道时Bcq=Bc）
Ad—单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当Ad＞.8时，Ad值可采用.8；
BZ—造床流量下的河槽宽度(m)，对复式河床可取平滩(淹没滩)水位时河槽宽度；（单宽河道时BZ=Bc）HZ—造床流量下的河槽平均水深（m），对复式河床可取平滩(淹没滩)水位时河槽平均水深；λ—设计水位下，在Bcq宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；
μ—桥墩水流侧向压缩系数，按表.—确定。
表.—水流流速不均匀系数
α
≤5°
0°
0°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
η
.00
.5
.50
.75
.00
.5
.50
.75
.00
hcm—（设计洪水位下）河槽最大水深（m）；
hi—造床流量下穿越断面河床地形变化点分段长度内的平均水深（m）
bi—造床流量下穿越断面水深变化点的分段长度（m）
（）64－修正式
（.—5）
式中：Bcj—河槽部分桥孔过水净宽（m），当桥下河槽能扩宽至全桥时，即为全桥桥孔过水净宽。（单宽河道时Bcj＝Bcq）hcq—（设计洪水位下）桥下河槽平均水深(m)
d—河槽泥沙平均粒径（mm）；E—与汛期有关的系数，可按表.－选用。
其余符号意义同64-简化式。
表.—与汛期含沙量有关的系数E
含沙量ρ(kg/m)
＜
~0
＞0
E
0.46
0.66
0.86
）河滩部分
（.—6）
（.—7）
式中：Q—桥下河滩部分通过的设计流量（m/s）
htm—（设计洪水位下）桥下河滩最大水深（m）
htq—（设计洪水位下）桥下河滩平均水深(m)
Btj—（设计洪水位下）河滩部分桥孔净长（m）
vH—河滩水深m时的粘性或非粘性土不冲刷流速（m/s），可按表.-或表.-4选用。表.-水深m时非粘性土不冲流速表（公路勘测设计规范公式即沙玉清公式）
河床泥沙
(mm)
(m/s)
河床泥沙
(mm)
(m/s)
砂
细
0.05～0.5
0.5～0.
卵石
小
0～40
.50～.00
中
0.5～0.50
0.～0.40
中
40～60
.00～.0
粗
0.50～.00
0.40～0.60
大
60～00
.0～.60
圆砾
小
.00～5.00
0.60～0.90
漂石
小
00～
.60～4.70
中
5.00～0.00
0.90～.0
中
～
4.70～6.00
大
0～0
.0～.50
大
＞
＞6.00
表.-4粘性土壤容许不冲流速
序
号
土壤名称
颗粒成分(%)
平均水深(m)
土壤特征
D0.
(mm)
D=0.～0.05(mm)
不大密实的土壤容重.5t/m
中等密实的土壤容重.～.66t/m
密实的土壤容重.66～.04t/m
极密实的土壤容重.04～.4t/m
平均流速(m/s)
粘土
0～50
70～50
0.4
0.0
0.70
.0
.4
.0
0.40
0.85
.
.7
.0
0.45
0.95
.4
.9
≥.0
0.50
.0
.5
.
重砂质粘土
0～0
80～70
0.4
0.0
0.70
.0
.4
.0
0.40
0.85
.
.7
.0
0.45
0.95
.4
.9
≥.0
0.50
.0
.5
.
贫瘠的砂质粘土
0～0
90～80
0.4
0.5
0.65
0.95
.4
.0
0.40
0.80
.
.7
.0
0.45
0.90
.4
.9
≥.0
0.50
.0
.5
.
4
沉陷已经结束的黄土性土壤
0.4
0.6
0.8
.
.0
0.7
.0
.
.0
0.8
.
.5
≥.0
0.85
.
.7v
5
砂质土
5～0
0～40
根据砂粒大小按非粘性土采用
..粘性土壤河床、河滩一般冲刷）河槽部分
（.—8）
式中：Ad—单宽流量集中系数，取.0～.；
IL——冲刷坑范围内黏性土液性指数，适用范围为0.6～.9。
其余参数意义同前。
）河滩部分
（.—9）
参数意义同前。
.《堤防工程设计规范》〔GB-0〕公式顺坝及平顺护岸冲刷深度
式中：hs—局部冲刷深度（m）；
H0—冲刷处水深（m）
Ucp—近岸垂线平均流速（m/s）；
Uc—河床起动流速（m/s）；黏性与砂质河床泥沙起动流速（张瑞瑾公式）用式（.—），卵石启动流速（长江委公式）用式（.—4）D50—床砂的中值粒径(m)
H0—行进水流水深(m)
γs、γ—泥沙与水的容重(kN/m)
g—重力加速度(m/s)
U—行进流速（m/s）
n—与防护岸坡在平面上的形状有关，取/4~/6
η—水流流速分配不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角a角，查表.—。
、冲刷线下埋深确定冲刷线下管道最小埋深确定。如果采用的是综合考量了影响冲刷深度的各种因素后确定的冲刷深度，设计规范规定的冲刷线下管道的最小埋深就是合理的，如果只是依据计算得到的冲刷深度和规定规定的最小埋深进行埋深设计，则管道安全可靠性有很大问题，几乎所有的大中型河流穿越设计都满足规定的冲刷线下最小埋深，但是开挖穿越出问题的河流很多，如东北的铁大原油管道海城河、南沙河、五道河，东北的鞍大原油管道的三通河、大旱河，兰成渝成品油管道的绵远河、涪江、清江河、石亭江，兰成原油管道的涪江、安昌河等。今年四川遭遇50年一遇的洪灾，兰成线安昌河管道被冲出悬空，原安昌河洪评的冲刷深度是.6m，勘察的是.6m，设计借鉴距穿越断面上游4km的兰成渝管道安昌河经验，取冲刷深度为4m，河床下管顶最小覆土厚度为5m，位于卵石层内，采用混凝土连续压重块进行稳管，稳管长度49m。但是，与穿越管道施工同时，上游不远建了滚水坝，距穿越断面上游约0km~40km今年暴雨又形成了雁塞湖，破雁塞湖洪水下泄，造成了本次管道被冲出。
因此，应慎重确定开挖穿越的管道埋深，不必拘泥于规范规定的最小埋深，大于最小埋深也是符合规范要求的，因为有很多不可预见因素也会影响管道安全，再者，深埋管道主要增加的是土石方量，土石方量的工程造价相对其他穿越方式而言是很低的，因此不必从节省工程造价上过多考虑土方量的问题。
4、冲刷线下管道水平段的长度冲刷线下管道水平段的长度确定。按理，河床冲刷线应是历年洪水冲刷线监测统计数据的包络线，管道埋深在包络线下，但是，大多数穿越断面都无法提供冲刷包络线，冲刷深度计算也只是针对河床最低点，把这一点的冲刷深度作为整个河床深弘线摆动范围的冲刷深度，因此，实际操作中是把冲刷线看作是一条水平线。这条水平线的长度应涵盖河床的可能摆动范围和疏浚范围，并应考虑岸坡不稳定和护岸不坚固的影响。现实当中，当穿越长度较长，非岩石河床地形起伏较大时，为了减小土方量，有顺河床地形起伏敷管的情况，出现的问题是主河槽有摆动。
5、稳管措施稳管配重措施的考虑。虽然理论上管道埋在设计冲刷线下一定深度后，管道无需进行稳管配重，如：根据理论计算，在静水浮力下D×.7管道，粘土覆土厚度0.5m、D9x7.5管覆土厚度.m、D4x.管覆土厚度.4m均不上浮。但实际稳管计算中，一般都不考虑管道上覆土重量，因为覆土并不密实，且管道的弧形使管顶覆土厚度的重量并不能完全作用于管道上，是要经过折减的，折减多少合适目前缺乏研究。在一些冲刷深度不详的情况下，也按动水浮力计算配重稳管，以弥补冲刷深度不准的缺陷，提高管道的安全可靠性。另外，沼泽、水塘等静水环境都要采取稳管措施，更何况在有水流冲刷的河流更应采取稳管措施。以往设计的开挖穿越管道均采取了稳管措施，一般均按静水浮力稳管。了解到的一些国外管道亦是采取了稳管措施，情况如下表所列。
表4-国外管道工程开挖穿越的稳管要求
序号
项目
稳管配重等要求
苏丹//4/区块原油管道
）在穿越河渠或附近低洼地的地方，应按业主指示给管道加压重块；
）压重块要在业主指定的地方进行安装。压重块要切实与管线安装到一起，并要把螺栓固定紧；
）穿越管道应用混凝土连续覆盖层压重。
苏丹7/区块原油管道
）沟渠穿越底部的水平段应延长至沟上开口两侧各m。管道埋深应在疏浚后的沟底以下.5m。若管道上方有合适的混凝土板保护，管道埋深可为m；
）管道埋深应在永久性疏浚后的水域底以下.8m，并设置钢筋混凝土板保护，混凝土板宽度应宽于管沟两侧坚硬土至少0.m，长度应超过河道上开口各m。管沟回填土应夯实；
）混凝土连续覆盖层的厚度应考虑提供0%的负浮力，不考虑覆土层的重量。
苏丹6区块原油管道
）静水（河湾等）河流穿越：埋深不应小于.m，穿越河床下水平长度应大于洪水淹没范围两侧各6m，水平段加上两侧弯管各m的管段用二层砂袋压重稳管。管沟回填土应夯实回填至/管径高度后，再在管道上放置砂袋稳管；
）对于土质河床穿越，管道埋深应不小于.m，冲刷线下不小于m。
）水平段加上两侧弯管各m的管段用二层砂袋压重稳管，再分层夯实回填土。对于岩石河床，管道埋深应不小于.m，冲刷线下不小于m。管道用混凝土块环状包覆管道，混凝土块长m，设置中心间距小于0m，混凝土块应设置至两侧弯管各m的管段。应分层夯实回填土。
4
印度东气西送工程
）开挖穿越管道在常有水或季节性有水的水域埋深均为冲刷线下.5m；
）小水沟或宽度小于6m的水沟埋深不应小于0.75m，并不加混凝土连续覆盖层；
）宽于6m的水渠穿越应加设混凝土连续覆盖层；
4）主要河流穿越管道应加设混凝土连续覆盖层。
5
南苏门答腊岛-西爪哇气管道
）河流和溪流穿越：混凝土连续覆盖层或混凝土压重块应提供大于0%的负浮力。
）沼泽、湿地、稻田等会经常受到浮力的穿越：控制浮力可采用混凝土连续覆盖层、混凝土压重块、或螺旋锚。混凝土压重块、或螺旋锚应提供大于0%的负浮力。
6
叙利亚原油、成品油管道
干河床（只在下雨时河床才有水）分为A、B、C型：
）A型（小型干河，大雨时有低流速水流）：无需加混凝土保护，最小埋深.5m；
）B型（暴雨时，流速大，能引起冲刷）：加混凝土连续覆盖层保护，埋深不小于.5m；
）C型（暴雨时，流速很大，能引起严重冲刷）：加混凝土连续覆盖层，埋深不小于.5m，并在混凝土连续覆盖层上压石笼直至河床面。
开挖穿越河流时，管道应有混凝土涂层，为拖管提供机械保护，并为管道提供配重。混凝土涂层提供的重量在水中至少为.倍的安全系数（如果河床地质勘察揭露的为软质或粉质不稳定河床，则这个安全系数还需加大）
7
巴西管道
）沼泽地区管道应涂敷混凝土连续覆盖层。
）河流开挖穿越须采用凝土连续覆盖层。
）采用开挖、钻机和隧道穿越时，为保护管道，应采取下述方法之一：
（）开挖穿越，无论管埋多深，采取凝土连续覆盖层管道或安装钢套管；
（）非岩石河床管顶覆土厚至少.5m；
（）为确保管道不上浮，并提供机械保护，应采用凝土连续覆盖层，凝土连续覆盖层长度应超过河道两侧各5m；
（4）当采用凝土连续覆盖层仅用于机械保护目的时，涂层厚度最小为8mm，最小强度为5MPa。
8
液体和浆体管道输送系统（B.4-09）
）对可能受到非常规外力的河流穿越应采取合理的保护措施。保护措施有加大口径钢套管、加凝土连续覆盖层、混凝土压重块、增加管壁厚、加大管道埋深等。
）应特殊考虑管道埋深和拍岸碎浪，特殊考虑保护防腐涂层、采用凝土连续覆盖层或用河流压重块。
9
气体输送和分配管道系统（B.8-04）
）管道穿越水域或穿越会经受洪水的区域（如湖泊、海湾、沼泽），应给管道加重，防止管道上浮。
）河流穿越的位置应选在岸坡和河床都比较稳定的地方。管道埋深、岸坡里弯管的位置、管道壁厚、管道配重都应根据河流的具体情况进行选择。
0
D40干线气管道设计方法和计算说明（前苏联标准）
）根据当地具体条件，可采取压土、钢筋混凝土板或钢筋混凝土土箱、钢筋混凝土鞍型压重块、装配式钢筋混凝土管套、连续浇筑混凝土或螺旋锚等防管道漂浮措施。
）在水淹地段和河渠穿越段，管道上方的回填土应是稳定土和不被冲刷的土。
）在不大的河流穿越段，应采用混凝土压重块或装配式混凝土管套固定管道。如果水流很急，河床可能遭冲刷，则不允许在河床部位采用鞍型压重块。
4）在水下穿越处，必须采取护岸措施。如果河岸陡峭不平，应根据管轴线位置，对河岸进行削平处理。
从表4-可看出：
）若管道重量不足以克服上浮力，并且管道埋深不足够深的情况下，均应考虑采取配重稳管措施；
）静水水域应按静水浮力采取稳管措施，有冲刷水域宜按动水浮力进行稳管；
）稳管方式宜采用同海管的混凝土连续覆盖层或包覆管道的加重方式，管道受力均匀，稳定性好。混凝土鞍形压重块在流速大的河流上易翻转，配重不稳定，因此只宜用在静水或水流速小、冲刷小的水域稳管。
综上所述，稳管措施是开挖穿越的常态设计，是为了弥补冲刷深度不准的不足，采取稳管措施管道的本质安全可靠性要好过不加稳管措施。
6、护岸护岸设计要求往往是恢复原貌，陡长的岸坡恢复原貌是非常困难的，表面上恢复了原貌形态，但经不起时间和洪水的考验，塌岸现象时有发生。因此，对于长陡型岸坡宜进行削坡处理，使岸坡能够自然稳定，并且分高度设置台阶。常用的浆砌石护岸应在稳定的基层之上，应强调基层的平顺、密实，使护岸能够稳固，不塌陷损坏。
7、结论综上所述，开挖穿越出问题的原因一是冲刷深度确定不合理，二是管道敷设的水平线段没有涵盖主河槽的摆动范围，三是未考虑塌岸的影响，四是施工未达设计要求。因此得出以下结论：
）洪评和勘察所提供的冲刷深度均应看作设计参考，不宜作为绝对设计依据，应根据河床地质、设计洪水流量流速、上下游已建管道和建构筑物、采砂、河道规划等情况综合判定冲刷深度。
）管道埋深不应限制在设计规范规定的冲刷线下最小埋深，宜适当加大埋深，确保管道安全。若埋深足够大，可以考虑不加稳管措施。
）蓄滞洪区由于存在破堤泄洪的可能，堤外一定范围内管道埋深也应适当加大。
4）非淤积型河床、附近有采砂河床、上游有桥梁、水库、水坝等设施时，宜加配重措施，且配重计算宜按动水浮力考虑，配重方式宜整体式，以防在水流冲击下翻转失效。
5）为了确保管道埋深符合设计要求，设计文件中应明确施工和验收上应以管顶或管底标高及埋深两项指标进行控制。
5）应考虑管道设计寿命期内河床和岸坡的变迁，适当加长穿越段水平段长度，岸坡稳定或有护岸的情况下不宜小于河床上开口两侧各m。
6）河流护岸应确保护岸的稳定性，如护岸基础的稳定性、护岸垫层的平整、护岸坡度稳定性和护岸长度足够及稳定等。
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越壑先锋
使命传承创新包容
主编
詹胜文
编辑
安朋亮梁琪
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