钢制取水口与引水管道水下施工技术

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摘要：

给水排水的室外管道有时会遇到必须通过江河的问题，如给水排水的干管过江河、江心取水头部分与岸井连接管、污水向水系排放管等。本文通过对水下施工基本情况的介绍开始，分析了水下作业与接口和管道的处理，对钢制取水口与引水管道的水下施工进行探讨。

关键词：钢制取水口；钢制引水管道；水下施工

不论采用焊接方法还是其他方法，连接操作都是水下施工的核心，但是，为了获得完整的水下连接，需要许多其他的水下施工作业配合。这些作业在整个水下作业中占有80％～90％的比重。本文主要对应用于管道的这类水下施工作业技术进行粗略的介绍，更多的细节可以从有关机构获得。管道相对于导管架来说比较简单，但是，类似的修复技术可以适应于平台修复。

一、水下施工

给水排水的室外管道有时会遇到必须通过江河的问题，如给水排水的干管过江河、江心取水头部分与岸井连接管、污水向水系排放管等。通过江河的方式有两大类：一是空中跨越；二是水下铺设。如何选择合适的施工方法，应根据水下管道长度、水系深度、水系流速、水底土质、航运要求、管道使用年限、潮汐和风浪情况、河两岸地形和地质条件、施工条件及施工机具等因素，并考虑工程造价及维修管理费来综合确定。空中跨越方式有空中架设、借桥通过两种方式。借桥通过方式，就是从已通或在建的交通桥梁的底面以下或人行道敷设通过，这是一种最经济、最快捷、最方便的方案。但必须有过河桥梁，且仅适用于较小口径的管道。而另一种空中架设方式，就是大型管道从江河水面以上新建的管桥(或缆索管架、桁架、拱管)的通过方式。这种方式施工难度大，投资巨大，且维修管理费较大，现在一般较少采用。那么管道过江河大部分采用水下铺设的方式，具体的施工方法有四种；一种是水底敷设；二是水下沟埋敷设；三是定向钻孔法――顶管法、定向钻进法；四是江河底部隧道穿越法――盾构法、钻爆法。水下沟埋法实质上是陆地上开槽施工法在江河水下的延伸，这是对于江面不宽、水也较浅的江河采用较多的方案。定向钻孔法和隧道穿越法实质就是不开槽施工法在江河水下的延伸，近年来随着技术的发展也逐渐在管道穿越大江大河的工程中较多采用，尤其具有施工不断航，不受江河影响等优点。

二、引水管道与取水口的水下施工作业

尽管海洋结构物在海底安装的精度已经提高，尽管使用装备了卫星定位系统且功能更加强大的动力定位铺管船，但是对所有水下施工或者连接操作的位置还需要进行预调查。预调查的主要内容包括，确定水下结构物的精确几何形状，确定工作现场的海底情况(如果必要的话)，评估能见度和潮汐情况等。在管道被埋设的场合，还需要采用声纳或者磁力探测设备找到管道。如果管道被埋设，则必须进行开挖，以使人员、设备能够进入工作现场。挖掘操作与海底情况密切相关，海底可能是岩石、砂石和淤泥等任何状态。如果海底表面是淤泥或者小块岩石，则可以使用水下气举挖泥设备，操作方式类似一台大型的真空吸尘器。如果海底表面有大块岩石，则需要由潜水员人工搬移，或者使用液动清理设备。海底还有一种特殊情况需要注意，那就是要防止周围软泥坍塌和回淤，必要时可以在工作现场附近建筑围堰。所以认真调查工作现场，仔细计划作业阶段，会显著地减少实际海洋作业的时间。

对有配重层的管道，在开挖后要先清除配重层，以保证在管道上安装设备。混凝土配重层通常可由潜水员采用液压打磨设备和钢钎清除，但近年来使用高压水射流切割技术可以减少对管道表面的损伤。有两个位置要求进一步清理使管道金属表面，包括高压焊接舱的舱管密封处和管道需要连接处。对所有水下结构物而言，需要清除保护涂层、海洋生物和腐蚀层，才可以达到满足要求的光滑清洁表面。水下连接的准备工作与陆地焊接准备工作类似，不同的是，在高压环境中可以同时进行修复作业的人员数量少。目前使用的一些复杂的干式焊接舱需要4名操作人员，但实际上往往只能有1至2名人员作业。导管架修复与管道修复的准备工作差异很大。导管架一般是修补疲劳裂纹，通常使用装备有铣削工具、磨削工具的组合式牵引车进行磨削，最后用手工打磨。直至通过无损检测(NDE)，表明裂纹已经完全消除后，才可对形成的凹槽采用焊接方法修复。如果结构已经损坏至完全穿透的程度，为了控制焊接质量，需要采用钨极惰性气体保护焊来封闭根部缝隙，后续的凹槽填充则可以采用手工电弧焊。虽然已经提出采用机器人系统以适应未来发展的需要，但是，因为这些焊道形状不规则，所以目前仍然广泛使用手工焊接。整个平台构件的更换或者安装，可以采用与管道修复相同的技术。通常，先将待焊的构件下放到位，然后进行组对和焊接准备。为了形成质量合格的焊道，在该阶段需要进行一些必要的准备工作，这些准备工作包括，采用临时性夹具固定构件的位置，这些临时性夹具直至构件被永久固定后，才可以拆除，工作舱则顺次安装在新构件的每个端部。

三、钢管接口和管道基础

水下安装的钢管一般采用焊接钢管，焊接钢管成型作业包括钢管焊接、制作防腐层，分段试压等内容，钢管成型场地应选择靠近沟槽所在河岸附近，钢管成型按照过河管长短、形状可分为整体式成型和分段成型。整体式成型即一次加工成需要的尺寸和形状，经过防腐处理后，采用吊装设备，将成型后的过河管沉入水，再浮运至铺设管沟位置上。若过河管较长，管径较大，可分段成型，运至河面上，再用法兰盘、球形接头等形式组装成整体；或将各管段故人水中就位，依靠潜水员将各管段连接起来；或将岸边制作的管段运至水上的铺管船，在船上进行焊接，连接好一段就敷设一段。采用需吊装的管段焊制时，应按设计要求焊上吊装环，吊装环在管身上呈一直线，以免在吊装时管身产生扭矩。

水下敷设和沟埋的钢管的接口也分为刚性接口和柔性接口。由于水下进行管道连接施工难度大且不易保证施工质量，所以应尽量减少水下管道接头的数量。为减少水下接头，往往将整体管道吊装下水，要防止吊装中接口松动，并应加强管道连接的整体性及增加管道的刚度。由于铺设在水底的管道长期受到风浪、潮汐、冲刷等作用以及吊装过程管段可能受到弯矩和拉应力，刚性接口应具有一定的强度，柔性接口也应具有必要的强度和柔性。

若河床下部为黏土或砂石层时，土质较坚硬，管道可直接铺设在该土层管沟里，再回填。水下基础施工时，一般先在沟槽两侧打上定位桩，并在桩上做好基础高程记号，作为铺设和平整基础的标志。河床的冲刷深度较大或地基软弱时，为防止水下管道悬空被破坏，管道要用桩基支承。管道采用混凝土基础时，一般是用预制混凝土块。其尺寸和外形应考虑潜水员水下安装的可能与方便。铺设钢管时，管道基础也可以用砂砾石或装混凝土的麻袋，由潜水员垫人管底。

四、结束语

地表水水源多数是江河水。江河固定式取水构筑物主要分为岸边式、河床式和斗槽式等形式。在江河中修建取水构筑物的施工方法有：水下法、吊装法、栈台法、围堰法、浮沉法和筑岛法等六种。具体的施工方法应根据江河的河床形式、地质、水深、河床冲淤、水位变化幅度、泥沙及漂浮物、冰情和航运、技术经济分析等因素综合分析确定。