水域开挖穿越河床下降自动监测系统初探

中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊

1.引言

“十三五规划”明确提出，实施“互联网+”行动计划，发展物联网技术和应用，发展分享经济，促进互联网和经济社会融合发展。加快物联网产业发展，是国家的重大战略部署，是实现信息化与工业化、信息化与城市发展融合的重要途径，对推动落实国家“一带一路”和“自贸试验区”战略，具有现实和深远的意义。

随着“智能管道、智慧管网”[1]工作研究和顶层设计的开展，开启了从数字管道向智慧管网的新跨越。

智能管道监测系统在河流穿跨越部分仍存在很大的探索空间。尤为突出的是水域开挖穿越河床下降自动监测系统的探索。

2.必要性

在管道运营过程中，河流穿越段管道受到水流冲刷和采砂的影响[2]，河床下管道埋深逐年减小，管道直接受到水流冲刷、砂石撞击、船锚及捕鱼工具撞击等多种因素的损伤破坏。

不满足现行国家标准《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB50423)埋深要求的油气管道在河道中敷设存在着较大的安全风险和环境风险[3]，尤其是随着管道服役年限的累积和城市的不断发展，安全和环境风险将进一步加大。

管道穿越雨水充裕地区，由于河流冲刷、采砂等诸多原因，多条开挖河流管道埋设深度不足[4]，仅兰成管道、兰成渝管道已有十余条管道进行隐患整治、改造。2016 年，兰成渝石亭江管道埋深不足，进行改造；2017 年汛期后，兰成管道小石河、东溪河2#、涪江穿越，兰成渝管道清江河2#、羊木河穿越管道埋深均已不满足规范要求，小石河靠近大堤部分出现漏管；2018 年7 月，兰成渝管道涪江穿越滩地段管道被冲出，阀室冲毁；2020 年8 月，兰成管道安昌河穿越处上游新堪堰拦水坝决堤，洪水导致穿越段东段出现水毁，管段裸露漂浮在水面(见图1、图2)，存在重大安全隐患……

Figure 1.River channel flood discharge,Anchang River pipeline flushing out图1.河道行洪安昌河管道冲出

Figure 2.Site cleaning of Anchang River after flood图2.洪水退后安昌河清理现场

如果不及时掌握穿越段管道埋深数据对管道进行防护或改造，突发水毁事件可能导致管道断裂爆管等事故，造成环境污染、人身及财产损失等严重后果。

油管道一旦发生事故，必会影响运营方油品的供应，更为严重的是会造成穿越处河流的严重污染。油管道一旦发生污染事故，将会对其生态环境和下游居民的生活造成重大影响，属于突发环境事件，同时根据《中华人民共和国环境保护法》第六条要求：企业事业单位和其他生产经营者应当防止、减少环境污染和生态破坏，对所造成的损害依法承担责任。

因此，对水域开挖穿越河床下降自动监测对于管道安全运营意义非凡。

3.系统配置

河床下降在线监测系统由河床底部的监测传感器组、河岸上的信号接收单元组成(见图3)。

监测传感器组包括两个以上且活动连接的检测单元，检测单元依次首尾连接，并且检测单元之间可以互相分离(见图4)。

监测传感器组埋设在河床下，当河床被河水冲刷而导致河床下降时，最上面的检测单元首先露出河床，在河水的冲击下，最上面的检测单元与其下面的检测单元分离，不再受到下面检测单元的吸力作用，脱离后的检测单元则漂出水面(见图5)。

此时检测单元的磁通量发生变化，内部的传感器感应到磁通量变化后，通过无线网络向信号接收单元发送信号，即检测到了河床的下降情况，为监测人员提供准确的监测结果。

监测系统检测单元的最大信号传输距离为500 m，在河床的设置应根据具体河势进行分析后确定，最少1 处。其埋设深度应不小于穿越轴线处相关规范要求的冲刷线下管顶最小覆土厚度。

Figure 4.Schematic diagram of on-line monitoring system for river bed falling through excavation 2图4.河流开挖穿越河床下降在线监测系统示意图2

Figure 5.Schematic diagram of on-line monitoring system for river bed falling through excavation 3图5.河流开挖穿越河床下降在线监测系统示意图3

4.设置原则

以现有埋深不足水域开挖穿越案例为基础，从水文、穿越地层等方面进行梳理(见表1)，从而确定监测系统的设置原则：

Table 1.Case statistics表1.案例统计表

通过对上表相关数据进行梳理得知河床下埋深减小的河流多数存在采砂采矿行为，卵石层穿越，穿越处上游存在水利水电设施等情况。同时结合山区性河流河床特点，确定监测系统的设置原则如下：

在满足管道埋设在非岩层的前提下存在但不限于以下情况：1) 河流穿越处存在采砂、采矿行为[5]；2) 山区性河流且比降较大[6]；3) 河床侧蚀[7]；4) 穿越处上游有发电站、水库等存在泄洪的水利设施的河流开挖穿越[8]。

5.实施验证

中缅原油管道是我国“十一五”期间规划的重大原油管道项目之一，与同期拟建的中缅天然气管道共同构成我国油气进口的西南战略通道。管道起自缅甸西海岸马德岛，从云南瑞丽市进入中国境内。中缅原油管道干线河流大型穿越2 处，其中与中缅天然气管道同沟敷设穿越1 处，中型穿越6 处。通过筛选，在瑞丽江穿越处设置监测系统。瑞丽江开挖穿越处水深近5 m，百年一遇冲刷深度4.69 m，油气管道并行敷设，净距6 m。河床形态呈“U”字型，江心岛发育，江面水位主要受季节性洪水和上游在建龙江水电站蓄放水控制[9]。江心岛将瑞丽江分为东河和西河。

在瑞丽江穿越轴线上游5 m 处埋设检测单元，东河河床下埋设1 组，西河河床下埋设2 组(见图6、图7、图8)。监测数据显示东河河床下切3.7 m，西河河床下切2.6 m。

Figure 6.Detection unit图6.检测单元

Figure 7.Receiving unit图7.接收单元

Figure 8.Monitoring terminal图8.监测终端

为验证监测结果的真实可靠性，在穿越轴线处采用ROV 水下机器人[10]对河床下管道进行探测，探测结果(见图9)与监测数据相吻合。

6.结束语

Figure 9.ROV test data model图9.ROV 检测数据模型

与常规的人工巡检相比，河床下降自动监测系统监测数据及时准确可靠，利用此系统，可随时掌握穿越处管道埋深情况，对于出现河床下降危及管道安全的穿越及时采取防护措施，从而保证管道的安全运营。