CN110924427A - 一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩及施工方法，挑流墩包括支座基础、鞍型支座及支座背水坡；支座基础采用一期混凝土制作，支座基础上设有支座后浇槽，鞍型支座位于支座后浇槽内，鞍型支座采用二期混凝土制作，鞍型支座顶部设有管道支撑圆弧凹槽，管道位于管道支撑圆弧凹槽内，支座背水坡位于管道后方，支座背水坡采用三期混凝土制作；管线前后方采用两阶正坡迎水挑流面，支座背水坡后方设有反坡涡流限制面。施工方法为：在河流主槽内为挑流墩选址；在管道穿越部位上下游布设施工围堰，对围堰区域内进行抽水；按照事先计算好的开挖深度，在河流主槽内开挖挑流墩的布设基坑；先依次浇筑支座基础和鞍型支座，再敷设到管道，最后浇筑支座背水坡。

Description

一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩及施工方法

技术领域

本发明属于管道穿越河道工程技术领域，特别是涉及一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩及施工方法。

背景技术

管道穿越河道工程项目是基建工程的重要组成部分，常见的穿越工程包括光缆传输、油气输送管线穿越工程等，而管道过河主要有裸露敷设、沟埋敷设、河床下稳层穿越、架空敷设等几种方式，但上述几种方式都面临相同的冲刷问题。部分河道穿越工程在缺少洪水设计资料的情况下，容易发生管线浅埋导致管线直接受到洪水破坏，导致整体管线受损失效，进而造成严重的经济和财产损失

目前，国内有关浅埋管线冲刷的研究很多，但关于河底管线穿越的冲刷研究成果却偏少，而且理论也不成熟，对于穿越主槽深泓位置的管线破坏性冲刷研究更是寥寥无几。

鉴于此，在典型多沙河流冲刷机理的基础上，有必要分别从河道冲刷特性、河道洪水水流特性、河道多年冲刷规律以及河道冲刷对管线埋深深度等问题开展相关研究，进而明确管线冲刷过程及最不利冲刷破坏形态，并确定相关技术措施，用以提高管线穿越河床的安全耐久性问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩及施工方法，是在典型多沙河流冲刷机理的基础上，通过对河道冲刷特性、河道洪水水流特性、河道多年冲刷规律以及河道冲刷对管线埋深深度等问题开展的相关研究，明确了冲刷过程及管线局部冲刷的主要影响因素，进而通过试验与工程实践相结合的方式，属于管线冲刷破坏的具体防治措施，其有效解决了局部管线冲刷裸露后的潜在风险问题，有效提高了管线穿越河床的安全耐久性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩，包括支座基础、鞍型支座及支座背水坡；所述支座基础采用一期混凝土制作，在支座基础上设有支座后浇槽，所述鞍型支座位于支座后浇槽内，鞍型支座采用二期混凝土制作，在鞍型支座顶部设有管道支撑圆弧凹槽，管道位于管道支撑圆弧凹槽内，所述支座背水坡位于管道后方，支座背水坡采用三期混凝土制作。

在所述管线前方的鞍型支座上设有第一阶正坡迎水挑流面，第一阶正坡迎水挑流面的坡角为45°；在所述管线后方的支座背水坡上设有第二阶正坡迎水挑流面，第二阶正坡迎水挑流面的坡角为12°～15°；在所述支座背水坡后方的支座基础上设有反坡涡流限制面，反坡涡流限制面与第二阶正坡迎水挑流面对称分布，所述反坡涡流限制面用于限制挑流后的局部涡流下切效应。

所述管道的外径设为D，所述支座基础的顺河向长度为4D，支座基础的横河向长度为3D。

所述管道支撑圆弧凹槽的管道包角为135°，管道支撑圆弧凹槽的反弧半径比管道的外半径大5cm。

所述的多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩的施工方法，包括如下步骤：

步骤一：在河流主槽内为挑流墩的布设进行选址，挑流墩间的净距设为2m～5m；

步骤二：根据选址，在河流主槽内管道穿越部位的上游和下游2m～3m范围内布设施工围堰，并对围堰区域内进行抽水，控制施工场地的干燥，方便施工机械和管道的运输与安装；

步骤三：按照事先计算好的开挖深度，在河流主槽内开挖挑流墩的布设基坑；

步骤四：先在挑流墩的布设基坑内浇筑一期混凝土的支座基础，直到支座基础固化成型；再在支座基础的支座后浇槽内浇筑二期混凝土的鞍型支座，直到鞍型支座固化成型；之后先在鞍型支座的管道支撑圆弧凹槽内平铺5cm厚的水泥砂浆，再将管道敷设到管道支撑圆弧凹槽内；最后在管道后方的支座基础内浇筑三期混凝土的支座背水坡，直到支座背水坡固化成型。

挑流墩布设基坑的开挖深度分为两部分，第一部分为河床一般性冲刷深度，第二部分为河槽埋管管底潜流冲坑深度，即挑流墩布设基坑的开挖深度＝河床一般性冲刷深度+河槽埋管管底潜流冲坑深度；

河床一般性冲刷深度的计算公式为：

式中，h_s为河床一般性冲刷深度，H₀为冲刷处的水深，U_cp为近岸垂线平均流速，U_c为泥沙启动流速，n为与防护岸坡在平面上的形状有关的系数，取n＝1/4～1/6；其中，U_cp＝U·2η/(1+η)，且U为行近流速，η为水流流速不均匀系数；

河槽埋管管底潜流冲坑深度的计算公式为：

式中，H_s为河槽埋管管底潜流冲坑深度，k为冲深不均匀系数，v₀为断面平均流速，g为重力加速度，D为管道外径，其中，

且Re为流场雷诺数，d₅₀为对河床泥沙进行筛分后占比50％的土颗粒粒径值。

本发明的有益效果：

本发明的多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩及施工方法，是在典型多沙河流冲刷机理的基础上，通过对河道冲刷特性、河道洪水水流特性、河道多年冲刷规律以及河道冲刷对管线埋深深度等问题开展的相关研究，明确了冲刷过程及管线局部冲刷的主要影响因素，进而通过试验与工程实践相结合的方式，属于管线冲刷破坏的具体防治措施，其有效解决了局部管线冲刷裸露后的潜在风险问题，有效提高了管线穿越河床的安全耐久性。

附图说明

图1为本发明的一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩的顺河向截面剖视图；

图2为图1中A向视图；

图中，1—支座基础，2—鞍型支座，3—支座背水坡，4—管道支撑圆弧凹槽，5—管道，6—第一阶正坡迎水挑流面，7—第二阶正坡迎水挑流面，8—反坡涡流限制面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩，包括支座基础1、鞍型支座2及支座背水坡3；所述支座基础1采用一期混凝土制作，在支座基础1上设有支座后浇槽，所述鞍型支座2位于支座后浇槽内，鞍型支座2采用二期混凝土制作，在鞍型支座2顶部设有管道支撑圆弧凹槽4，管道5位于管道支撑圆弧凹槽4内，所述支座背水坡3位于管道5后方，支座背水坡3采用三期混凝土制作。

在所述管线5前方的鞍型支座2上设有第一阶正坡迎水挑流面6，第一阶正坡迎水挑流面6的坡角为45°；在所述管线5后方的支座背水坡3上设有第二阶正坡迎水挑流面7，第二阶正坡迎水挑流面7的坡角为12°～15°；在所述支座背水坡3后方的支座基础1上设有反坡涡流限制面8，反坡涡流限制面8与第二阶正坡迎水挑流面7对称分布，所述反坡涡流限制面8用于限制挑流后的局部涡流下切效应。

所述管道5的外径设为D，所述支座基础1的顺河向长度为4D，支座基础1的横河向长度为3D。

所述管道支撑圆弧凹槽4的管道包角为135°，管道支撑圆弧凹槽4的反弧半径比管道5的外半径大5cm。

所述的多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩的施工方法，包括如下步骤：

步骤一：在河流主槽内为挑流墩的布设进行选址，挑流墩间的净距设为2m～5m；

步骤二：根据选址，在河流主槽内管道5穿越部位的上游和下游2m～3m范围内布设施工围堰，并对围堰区域内进行抽水，控制施工场地的干燥，方便施工机械和管道5的运输与安装；

步骤三：按照事先计算好的开挖深度，在河流主槽内开挖挑流墩的布设基坑；

步骤四：先在挑流墩的布设基坑内浇筑一期混凝土的支座基础1，直到支座基础1固化成型；再在支座基础1的支座后浇槽内浇筑二期混凝土的鞍型支座2，直到鞍型支座2固化成型；之后先在鞍型支座2的管道支撑圆弧凹槽4内平铺5cm厚的水泥砂浆，再将管道5敷设到管道支撑圆弧凹槽4内；最后在管道5后方的支座基础1内浇筑三期混凝土的支座背水坡3，直到支座背水坡3固化成型。

挑流墩布设基坑的开挖深度分为两部分，第一部分为河床一般性冲刷深度，第二部分为河槽埋管管底潜流冲坑深度，即挑流墩布设基坑的开挖深度＝河床一般性冲刷深度+河槽埋管管底潜流冲坑深度；

河床一般性冲刷深度的计算公式为：

式中，h_s为河床一般性冲刷深度，H₀为冲刷处的水深，U_cp为近岸垂线平均流速，U_c为泥沙启动流速，n为与防护岸坡在平面上的形状有关的系数，取n＝1/4～1/6；其中，U_cp＝U·2η/(1+η)，且U为行近流速，η为水流流速不均匀系数(根据水流流向与岸坡交角α选用)；

河槽埋管管底潜流冲坑深度的计算公式为：

式中，H_s为河槽埋管管底潜流冲坑深度，k为冲深不均匀系数，v₀为断面平均流速，g为重力加速度，D为管道外径，其中，

且Re为流场雷诺数，d₅₀为对河床泥沙进行筛分后占比50％的土颗粒粒径值。

本发明首次应用在沈阳市天然气高压环线工程(穿越浑河段-西苏堡大桥)中，在该实施例中，挑流墩间的净距为3m，支座基础1的底面尺寸为4.8m×3.6m，鞍型支座2的底面尺寸为1.84m×3.6m，鞍型支座2的管道支撑圆弧凹槽4反弧半径为0.55m，管道5的外径为1m。

经公式

计算得到河床一般性冲刷深度h_s为1.419m，其中，冲刷处的水深H₀为12.5m，近岸垂线平均流速U_cp为0.82m/s，泥沙启动流速U_c为0.533m/s，与防护岸坡在平面上的形状有关的系数n为0.25，其中在U_cp＝U·2η/(1+η)中，行近流速U为0.82m/s，水流流速不均匀系数η为1(水流流向与岸坡交角α≤15°)。

经公式

计算得到河槽埋管管底潜流冲坑深度H_s为1.08m，其中，冲深不均匀系数k为2.12，断面平均流速v₀为0.82m/s，重力加速度g取9.8m/s²，管道外径D为1m，其中在

中，流场雷诺数Re为2320，对河床泥沙进行筛分后占比50％的土颗粒粒径值d₅₀为0.25mm。

因此，在本实施例中，挑流墩布设基坑的开挖深度＝河床一般性冲刷深度+河槽埋管管底潜流冲坑深度＝h_s+H_s＝1.419m+1.08m≈2.5m。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩，其特征在于：包括支座基础、鞍型支座及支座背水坡；所述支座基础采用一期混凝土制作，在支座基础上设有支座后浇槽，所述鞍型支座位于支座后浇槽内，鞍型支座采用二期混凝土制作，在鞍型支座顶部设有管道支撑圆弧凹槽，管道位于管道支撑圆弧凹槽内，所述支座背水坡位于管道后方，支座背水坡采用三期混凝土制作。

2.根据权利要求1所述的一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩，其特征在于：在所述管线前方的鞍型支座上设有第一阶正坡迎水挑流面，第一阶正坡迎水挑流面的坡角为45°；在所述管线后方的支座背水坡上设有第二阶正坡迎水挑流面，第二阶正坡迎水挑流面的坡角为12°～15°；在所述支座背水坡后方的支座基础上设有反坡涡流限制面，反坡涡流限制面与第二阶正坡迎水挑流面对称分布，所述反坡涡流限制面用于限制挑流后的局部涡流下切效应。

3.根据权利要求1所述的一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩，其特征在于：所述管道的外径设为D，所述支座基础的顺河向长度为4D，支座基础的横河向长度为3D。

4.根据权利要求1所述的一种多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩，其特征在于：所述管道支撑圆弧凹槽的管道包角为135°，管道支撑圆弧凹槽的反弧半径比管道的外半径大5cm。

5.权利要求1所述的多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩的施工方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在河流主槽内为挑流墩的布设进行选址，挑流墩间的净距设为2m～5m；

步骤二：根据选址，在河流主槽内管道穿越部位的上游和下游2m～3m范围内布设施工围堰，并对围堰区域内进行抽水，控制施工场地的干燥，方便施工机械和管道的运输与安装；

步骤三：按照事先计算好的开挖深度，在河流主槽内开挖挑流墩的布设基坑；

步骤四：先在挑流墩的布设基坑内浇筑一期混凝土的支座基础，直到支座基础固化成型；再在支座基础的支座后浇槽内浇筑二期混凝土的鞍型支座，直到鞍型支座固化成型；之后先在鞍型支座的管道支撑圆弧凹槽内平铺5cm厚的水泥砂浆，再将管道敷设到管道支撑圆弧凹槽内；最后在管道后方的支座基础内浇筑三期混凝土的支座背水坡，直到支座背水坡固化成型。

6.根据权利要求5所述的多沙河流主槽浅埋横管防冲挑流墩的施工方法，其特征在于：挑流墩布设基坑的开挖深度分为两部分，第一部分为河床一般性冲刷深度，第二部分为河槽埋管管底潜流冲坑深度，即挑流墩布设基坑的开挖深度＝河床一般性冲刷深度+河槽埋管管底潜流冲坑深度；

河床一般性冲刷深度的计算公式为：

式中，h_s为河床一般性冲刷深度，H₀为冲刷处的水深，U_cp为近岸垂线平均流速，U_c为泥沙启动流速，n为与防护岸坡在平面上的形状有关的系数，取n＝1/4～1/6；其中，U_cp＝U·2η/(1+η)，且U为行近流速，η为水流流速不均匀系数；

河槽埋管管底潜流冲坑深度的计算公式为：

式中，H_s为河槽埋管管底潜流冲坑深度，k为冲深不均匀系数，v₀为断面平均流速，g为重力加速度，D为管道外径，其中，

且Re为流场雷诺数，d₅₀为对河床泥沙进行筛分后占比50％的土颗粒粒径值。

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