海洋環境下矩形排水沉管結構計算方法

王軍，吳文聰，鄧濤，龍素華

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

海洋環境下矩形排水沉管結構計算方法

王軍，吳文聰，鄧濤，龍素華

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

以港口工程的相關規范為基礎，總結了海洋環境下火力發電廠的矩形排水沉管結構設計中應考慮的要素、原則和計算方法。施工期的沉管結構內力計算采用板殼單元建立模型，同時得出橫、縱向內力。使用期和檢修期的沉管結構的橫向內力計算采用框架梁模型，縱向內力計算采用彈性地基梁模型，計算中考慮不均勻基床系數、管節間接頭形式、土壓力、水壓力及溫度荷載等影響。結果表明，橫向內力的控制工況發生在使用期，縱向內力的控制工況發生在施工期。文中提出了矩形排水沉管結構在海洋環境中的計算方法，可為類似工程提供借鑒。

矩形沉管；海洋環境；港口工程

0 引言

位于海灣附近的火力發電廠一般用海水作為冷卻水，為避免排水系統排出的熱水對電廠取水的影響，電廠取排水系統經常采用“近岸取水，深海排水”的布置原則，排水溝道的長度往往很長，在這種情況下，采用淺埋管涵暗排與明渠排水、隧洞排水相比擁有巨大的成本和工期優勢，同時能夠明顯減小對環境的影響。

與陸地的排水管道相比，海洋環境下的排水沉管要考慮的因素更加復雜，面臨的工作環境也更加惡劣。根據文獻[1]，排水沉管應按照港口工程的有關規范執行，因此其設計標準和方法與陸地的給排水管道設計有很大不同，目前國內鮮有與其設計相關的系統論述。本文以實際工程為例，詳細總結了排水沉管結構設計中應考慮的主要因素、設計原則和計算方法。

1 工程概況

某火力發電廠為濱海電廠，現進行二期改造擴建工程。電廠循環水系統以海水為水源，采用直流供水系統。改造后的循環水系統流程為：取水頭→自流取水溝道→循環水泵站前池→攔污柵→旋轉濾網→循環水泵→液控蝶閥→循環水壓力進水管→凝汽器及輔機→循環水回水溝→虹吸井→自流排水溝道→排水口→大海。為避免電廠排出的熱水對電廠取水的影響，取水點位于廠址西側深槽-5.0m等深線附近，距離廠區約730m；排水點位于廠址西南側深槽-10.0～-14.0 m等深線附近，采用遠岸深排方式，距離廠區約1 800 m；排水點和取水點距離約1 300 m。經過技術經濟方案的比選，最終選定排水溝道采用矩形沉管結構。

2 結構設計方案

本期工程排水溝道的海域段采用預制矩形沉管，預制排水沉管采用三孔箱型結構，單孔過水斷面尺寸為4.0 m×4.0m（根據排水工藝確定）。標準管節長度為30 m，預制沉管的頂板、底板、側板均為500 mm，中隔板為400mm。

為了滿足不阻礙船舶通航要求，排水沉管上覆層頂控制不高出原泥面，同時為了滿足船舶可能的拋錨情況，防止拋錨對沉管的破壞，沉管頂部須一定厚度覆蓋層。針對以上因素，沉管兩側回填開挖料，頂面覆蓋石料層厚為1.2m，從上往下依次為60～150 kg塊石厚700 mm，10～100 kg塊石厚500 mm。覆蓋石料層向兩側設置1∶3邊坡。見圖1。

沉管采用鋼浮箱與浮吊相結合的安裝工藝，沉管基礎采用碎石墩+灌熟料砂（砂混水泥）基礎，對接采用頂面搭接式，底面和側面承插式，并在接頭設置橡膠止水帶，通過對拉千斤頂進行拉合管節，實現排水沉管不漏水、不漏砂的功能要求。見圖2。

圖1 排水沉管典型斷面圖Fig.1 Typicalsection of the immersed drainage tubes

圖2 排水沉管縱向安裝圖Fig.2 Installation of the immersed drainage tubes

3 地質條件和地基基床系數

地質條件是沉管設計的基礎條件。本工程擬建場地上覆地層為第四系全新統人工填土（Q4s）、海相沉積層（Q4m）、沖洪積層（Q4al+pl）、上更新統殘積層（Q3el），巖性為淤泥質粉質黏土、中粗砂、粉質黏土、殘積土。下伏基巖地層為燕山早期侵入巖（μγ52(3)a），巖性為花崗巖。

地基基床系數可以通過原位測試或經驗公式確定，也可以采用Biot理論公式進行推算[2-3]：

式中：ES為地基彈性模量；ν為泊松比；B為地基基礎寬度；E為基礎彈性模型；I為基礎截面慣性矩。

本工程排水沉管海域段長約1 800 m，沿程地質條件變化較為復雜，沉管基礎選取的持力層有殘積土、全風化花崗巖和強風化花崗巖。計算過程中應沿程選取不同的鉆孔分別進行地基基床系數的計算，對不同土層綜合作用的ES則采用加權平均。

沉管的橫向內力應根據地基剛度和所承受的荷載情況分區段計算，原則上不同地基基床系數的區段均應計算。

使用期和檢修期的沉管縱向內力計算應考慮地基基床系數不均勻的影響，不同區段的沉管應選取不同的地基基床系數。

地基土的物理力學指標見表1。

表1 地基土物理力學參數Table 1 Physicaland m echanical parametersof soils

4 作用荷載分析

4.1 土壓力

沉管所受土壓力除考慮回填土石外，還應考慮沉管上方泥沙回淤的影響，可假定沉管在長期使用過程中，泥沙回淤至原海床泥面，取最大回淤厚度進行計算。土壓力的計算采用水土分算的原則。

1）豎向土壓力

作用在開槽施工的管道上的豎向土壓力，目前都是采用美國馬斯頓（Anson Maston）于20世紀初根據試驗研究提出的土壓力理論及計算方法[4]。其基本概念是作用于管道上的土壓力不等于管道本身寬度范圍內上部土柱體的重量，而決定于管道上部土柱體與其兩側土體的相對豎向移動及其移動的趨向：也就是當管道埋設和回填完畢后，如當管道上部土柱體下沉量比其兩側土體的下沉量大，管道上部土柱體在下沉過程中受到兩側土體產生的向上的摩擦力，管道上作用的土壓力要小于上部土柱體重量；反之，當管道上部土柱體下沉量比其兩側土體的下沉量小，則管道上作用的土壓力要大于上部土柱體重量。根據馬斯頓理論結合本工程沉管的鋪設條件和施工方法，沉管的管頂豎向土壓力可依據文獻[5]中的規定計算，管頂豎向土壓力標準值：

式中：Cd為開槽施工土壓力系數，與開槽寬有關，一般可取1.2；γs為回填土的重力密度，kN/m3；Hs為覆土厚度，m；Bc為管道的外緣寬度，m，當為圓管時，應以管外徑代替。

2） 側向土壓力

作用于管道的側向土壓力，通常是主動土壓力或靜止土壓力。考慮到開槽施工時，基槽內是回填土，由于初始變形的存在，經常會形成槽幫土體出現主動平衡裂線，因此一般按照主動土壓力計算[4]。本工程沉管側向土壓力采用朗肯土壓力公式計算。

4.2 溫度荷載

排水溫升的存在會導致沉管內外產生溫度荷載。根據工藝條件，夏季運行時，排水溝道內循環水比取水溝道內循環水溫度會上升10℃，冬季運行時會上升14℃。因此，排水沉管內外的最大溫差為14℃，發生在冬季。進行結構分析時，需在梁單元的兩側施加溫度梯度荷載。對于梁單元，假定單元縱向為x軸，截面上為y軸和z軸，溫度梯度作用在某節點引起的彎矩為：

式中：E為材料的彈性模量；I為截面對于y軸和z軸的慣性矩；ΔT為y軸和z軸方向的溫度梯度；α為材料的線性膨脹系數，對于混凝土，可取1.0×10-5/℃。

現在流行的大型通用有限元軟件Ansys，Lusas FEA和Midas GTS NX等均可直接輸入溫差，從而求出溫度梯度產生的彎矩。

4.3 內外水壓差

根據工藝條件可知，排水沉管的內外水壓差為2 m，海水密度10.25 kN/m3，則內外壓力差為20.5 kPa。

5 沉管橫向內力計算

5.1 計算原則

1）根據文獻[6]，考慮本工程的重要性，結構安全等級為二級。

2）施工期沉管的內力宜采用板殼單元建立管節模型，根據施工期的邊界條件和所受荷載情況，同時求得外壁和隔板的橫向和縱向內力，詳見第6節。

3）使用期和檢修期的沉管橫向內力分析，宜采用框架梁的模式，取縱向寬度1 m的斷面進行計算。

4）采用文克爾彈性地基梁法模擬基礎對于沉管的作用。

本文選取地基較弱的殘積土段作為算例，其地基基床系數經過理論推算和經驗分析，取值為20 000 kN/m3。采用豎向彈簧模擬地基，若單元寬度取0.20 m，則彈簧系數為20 000×1×0.2= 4 000 kN/m。

5）排水沉管應進行構件承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的驗算[7]。承載能力極限狀態設計需考慮持久組合和短暫組合；正常使用極限狀態采用準永久組合，裂縫等級應按三級，最大裂縫寬度不應超過0.3 mm。

5.2 荷載組合

排水沉管的橫向內力計算考慮使用期和檢修期，其荷載組合有以下幾種。

承載能力極限狀態——持久組合：

1）自重+土壓力

2）自重+土壓力+管內外水壓差

3）自重+土壓力+管內外水壓差+溫度梯度荷載

承載能力極限狀態——短暫組合：

4）自重+土壓力+單孔排水的管內外水壓差（檢修）

正常使用極限狀態——準永久組合：

5）自重+土壓力

6）自重+土壓力+管內外水壓差

7）自重+土壓力+管內外水壓差+溫度梯度荷載

參考港口工程的相關規范[7-8]，承載能力極限狀態計算采用的分項系數見表2。

表2 荷載作用分項系數Table2 Partial factorsof actions

5.3 計算模型和計算結果

1）有限元模型

沉管結構采用C40混凝土，其物理力學指標為：密度ρ=24.5 kN/m3，彈性模量Ec=3.25×107kPa，泊松比ν=0.2，線膨脹系數1.0×10-5/℃。

矩形沉管斷面采用框架梁結構進行分析，采用的有限元軟件為midas GTSNX，使用梁單元模擬沉管外壁及隔板，按照5.1的原則進行輸入。計算的有限元模型見圖3。

2） 計算結果

圖3 排水沉管有限元模型Fig.3 FEM modelof the immersed drainage tubes

持久組合的控制工況為組合3），計算結果如圖4、圖5所示。其余各工況計算結果因受篇幅限制，不再列出。

圖4 持久組合3）彎矩圖（單位：kN·m/m）Fig.4 Bendingmoment(kN·m/m)of thepersistentcom bination 3)

圖5 持久組合3）剪力圖（單位：kN/m）Fig.5 Shear force(kN/m)of the persistent combination 3)

6 沉管縱向內力計算

6.1 計算原則

1）在沉管的預制階段、下沉階段和對接階段，采用板殼單元建立模型，同時求得施工期沉管的橫向內力和縱向內力。

2）在沉管的使用期和檢修期，縱向內力計算采用梁單元對排水沉管建立整體模型，地基基礎采用彈簧模擬，地層變形遵從文克爾假定。

3）為考慮沿程變化的地基剛度對結構內力的影響，不同區段的沉管應選取不同的地基基床系數。

4）本工程排水沉管管節長30 m，管節之間的接頭采用止水帶連接，無橫向和縱向剪力鍵，為柔性接頭，在縱向受力計算時作為鉸接處理。

5）不計土體的水平抗力，僅考慮土體對水平沉管段的軸向變形的摩擦阻力。豎向彈簧用只受壓的線性彈簧單元模擬。

6）計算時只約束模型的橫向位移。

6.2 荷載組合

1）沉管預制階段（施工期）

沉管在干塢內預制，采用半潛駁出運。沉管出運時在底部鋪設氣囊，計算時考慮鋪設4條氣囊，氣囊鋪設部位采用滑移支座模擬。

2）沉管下沉階段（施工期）

采用浮吊與浮箱助浮的安裝工藝。作用荷載有助浮鋼浮箱向上浮力和起吊荷載，計算考慮8點吊。

3）沉管對接階段（施工期）

沉管對接時，一端支撐于已經安裝完成的沉管上，一端支撐于碎石墩上。

4）沉管使用期和檢修期

沉管頂部和底部均與土體或者回填塊石接觸，縱向計算不考慮梁的上下溫差，因此縱向計算不需要考慮溫差的作用。作用于沉管上的荷載為沉管浮重+沉管覆土重+地基反力（采用彈簧模擬）。

荷載分項系數見表2。

6.3 計算模型和計算結果

1）有限元模型

計算采用有限元軟件ANSYS。

對于施工期沉管，采用殼單元shell43建立管節模型，模型邊界條件和所受荷載視實際情況而定。如圖6所示。

圖6 排水沉管管節的有限元模型Fig.6 FEM modelof one immersed drainage tube

對于使用期的沉管，采用梁單元beam189模擬管節，根據不同的地質及地形，施加不同的覆土重和彈簧參數，建立排水沉管的整體模型。管節間接頭采用鉸接處理，梁截面采用ANSYS的自定義梁截面功能；彈簧采用combin14單元，彈簧的剛度系數=地基系數×彈簧控制的長度×管節的寬度。

2）計算結果

通過計算可知，施工期沉管的縱向內力起控制作用，橫向內力不起控制作用，部分計算結果見圖7、圖8。結合5.3節分析，使用期沉管的橫向內力起控制作用，縱向內力不起控制作用。

圖7 下沉階段排水沉管彎矩圖Fig.7 Bendingmoment during sinking phase

圖8 對接階段排水沉管彎矩圖Fig.8 Bendingmoment duringmating phase

海域排水沉管的重量和長度限于安裝工藝的要求，長度一般在30m左右；其只通水不走人的使用功能，使其接頭形式較沉管隧道簡單的多，整體模型計算中簡化為鉸接進行處理。同時由于受較均勻的地基的約束作用，使用期排水沉管的縱向計算內力一般較小，對配筋不起控制作用。

7 結語

海洋環境中采用的矩形排水沉管結構已經超出了給水排水工程相關規范的應用范圍，若采用沉管隧道的設計標準，由于其規模和使用要求與沉管隧道相差甚遠，則會造成巨大的浪費。目前國內尚未見到對其設計的詳細介紹。

本文以實際工程為例，依據港口工程的有關規范，對海洋環境中矩形排水沉管設計應考慮的要素、原則和計算方法進行了詳細的梳理，為其他工程提供借鑒。

[1]DL/T 5339—2006，火力發電廠水工設計規范[S]. DL/T 5339—2006,Code for hydraulic design of fossil fuel power p lants[S].

[2]屈成忠，宋巍.不同工況下基床系數的取值研究[J].東北電力大學學報，2009（2）：8-12. QU Cheng-zhong,SONGWei.Study on the foundation modulus dereferencing under different conditions[J].Journal of Northeast ChinaDianliUniversity Natural Science Edition,2009(2):8-12.

[3] 仲鎖慶，張西平，潘海利.地基土基床系數研究[J].地下空間與工程學報，2005，1（7）：1 109-1 112. ZHONG Suo-qing,ZHANG Xi-ping,PAN Hai-li.Study on foundation soil coefficient of subgrade reaction[J].Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering,2005,1(7):1 109-1 112.

[4]沈世杰.給水排水工程結構設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2007：1 343-1 345. SHEN Shi-jie.Structural design manual of water supply and drainageworks[M].2nd ed.Beijing:China Architecture&Building Press,2007:1 343-1 345.

[5]GB 50332—2002，給水排水工程管道結構設計規范[S]. GB 50332—2002,Structural design code for pipelines of water supp ly and wastewater engineering[S].

[6]JTS141—2011，水運工程設計通則[S]. JTS 141—2011,General rules for design of port and waterway works[S].

[7]JTS 151—2011，水運工程混凝土結構設計規范[S]. JTS 151—2011,Design code for concrete structuresof port and waterway engineering[S].

[8]JTS167-2—2009，重力式碼頭設計與施工規范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

Structural calculation of rectangular immersed tubes in marine environment

WANG Jun,WUWen-cong,DENGTao,LONGSu-hua
（CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

Based on relevant codesof portengineering,we summarized the structural design factors,princip lesand calculations of the thermal power p lant's rectangular immersed tubes inmarine environment.Tubemodelwith shell elementwasused in the internal force calculation during construction,and the transverse and longitudinal internal forceswere drawn simultaneously. Frame beam modelwas used to calculate transverse internal force,elastic foundation beam model to calculate longitudinal internal force in the period of use and maintenance.The factors including uneven coefficient of subgrade reaction,joint between tubes,soil pressure,water pressure and temperature were taken into consideration.The results show that themaximum transverse internal force occurred in the period of use,themaximum longitudinal internal force occurred in the construction period. The calculation method of rectangular immersed tubes in marine environment is introduced to provide reference for similar engineering.

rectangular immersed tube;marine environment;portengineering

U655.5；TU470

A

2095-7874（2015）05-0031-06

10.7640/zggw js201505009

2014-12-07

2015-02-15

王軍（1982— ），男，山東青島人，碩士，工程師，港口工程專業。E-mail：junw886@126.com