淺談排海HDPE管配重工程設計

黃柯

【摘要】排海管道受到浮力、海流力和海浪力的影響，往往需要可靠、經濟的穩管措施，保證管道的下沉性能和在鋪設位置的穩定性能。本文介紹了HDPE管混凝土配重塊的設計方法，為今后的類似工程提供借鑒。

【關鍵詞】排海管道；混凝土塊配重；穩定性計算；設計

排海工程是充分利用海洋水體的輸移擴散和自凈能力進行污水處理，達到保護環境的目的。相對于陸上的污水處理，海洋具有巨大的環境容量和較低的處理成本。

海底管道的管材選擇，必須滿足設計和海上鋪管的施工要求，同時選用最經濟的管材。HDPE管與其他傳統管材比較具有如下優點：綜合造價、維護運行成本低；良好的耐海水腐蝕性，使用壽命長；延展性好，通過自身的移動和彎曲適應強水流的沖擊；柔韌性好，能適應水下天然地形，管道能直接鋪設于較平坦的海床上。基于上述優點，HDPE管越來越廣泛的應用到排海工程領域。

排海管道在淺海和半淺海區，從安全性和穩定性方面考慮往往需要將管道鋪設在基槽中。而在深海區波浪對管道的作用力已經很小，管道只要較輕的配重也能保持穩定。配重塊的設計包括配重塊重量、間距、型式等。HDPE管配置的配重塊需要滿足以下幾個要求：

a. 對于浮沉法施工的管道，負重管能起浮并漂移到指定位置；

b. 能滿足管道的下沉性能，且具有較高的施工效率；

c. 直接鋪設在海床上能滿足穩定性要求；

d. 能滿足安全施工要求，避免管道在施工過程中產生過大的應力和變形。

1.漂浮的最大配重

HDPE管的密度和水相近，浮力由管內的空氣提供。管道產生的浮力與管道自身重量和配重塊的水中質量相等時，達到平衡狀態，既不下沉也不上浮。深海區的壓重可取管道排水量的20%～50%。

2.自由下沉

HDPE管到達預定的管線位置時，開始下沉操作。一般考慮管道的重量（含配重）為浮力1.1～1.2倍，即可滿足工程鋪設的要求。過快的下沉速度容易使管道產生振動和壓屈失穩，通常推薦的下沉速度為0.3～0.5m/s。

3.保持水下穩定性的最小壓重

鋪設在海床上的管道受到海流力和海浪力的作用，通常管道內還積聚有一定量的空氣，需要對管道的穩定性進行校核。管道受力如圖1所示：

垂直方向力平衡方程為：FN = Wcw + Ww + Wp + Wa - FB - FL

式中：FN - 海床的反作用力；Wcw -混凝土配重塊的水中重量；Ww - 管道內水的重量； Wp - 管道在空氣中的重量； Wa - 管道空氣的重量，可忽略；FB - 管道的浮力；FL - 管道的升力。

管道保持穩定應使水平方向的摩擦力大于等于拖力，即：Ff ≥ FD ，其中 Ff = μFN 。由上式可知，求得拖力FD和升力FL，既可驗算管道的穩定性。式中：μ - 海床摩擦力系數。

3.1 海流力

管道受海流力的作用時，受到的力可以分解為：水平方向上的拖力FD；垂直方向上的升力FL。升力隨著管道與海床的間距增加而減小，當間距為0.5D（D為管道外徑）時，升力大約是管道直接鋪設在海床升力的10%。為減小管道的升力，設置配重塊后的管道應使管道最底點距離海床不小于0.5D。

3.2 波浪力

深海區波浪破碎的深度小于管道鋪設的深度，一般深度大于15m可不考慮波浪力的作用，故可只校核海流力。

4.配重塊的間距

控制配重塊之間的間距，主要目的是限制管道的應力和變形，過大的變形會增加空氣在管道中積聚。減小配重塊之間的間距，可增加管道的鋪設深度，分散海床上的載荷，減小管道在外載荷作用下移動的可能，并且能使管道沉降過程更為順利，但過小的間距會影響鋪設效率。管道公稱直徑DN≤300 mm，配重塊間距可取為1.5～3m；300 mm

5.配重塊結構設計

配重塊一般采用適當增強的混凝土制作，可制作成各種形狀，如需增加海床的摩擦力，可依次選擇圓形、方形、星形。管道在下沉過程中或在錨定地區受海流、海浪力較大時，為防止管道的扭曲和滾動，可采用下重上輕的平底結構。配重塊一般由上下兩部分組成，并配置提升吊耳，方便制作和安裝。配重塊和管道之間設有保護層并能防止配重塊的滑移。此外配重塊的設置還與施工方法相關，施工過程中必須滿足管線鋪設張力的要求。

6.工程實例

剛果鉀肥工廠產生的廢棄物主要為固體狀態的NaCl和廢鹵，廢鹵的主要成分為MgCl2，廢棄物成分與海水成分基本相同， 可通過管道直接排入海洋。排放管道采用DN450的HDPE管，公稱壓力1.6MPa，管內流速約為1m/s。排放管伸入海洋約1000m，離岸600m為淺海區，管道埋于基槽內，埋深2m。管端600m～1000m處，平均深度為18m，HDPE管設置混凝土配重塊，直接敷設于海床上，管道最底點距離海床0.3m。配重塊尺寸為800×800×350mm，方形，間距為5m。

7.結語

傳統排海管道的海上施工費用占工程造價的比例較高。而采用HDPE管顯著的降低了工程費用，并能鋪設在傳統管道無法鋪設的場合。HDPE管的大部分工作量是混凝土配重塊的制作和安裝，因此合理設計配重塊具有較大的經濟意義。

相對于剛性管道，HDPE管道本身的柔韌性能很大程度上減小地震對管道的破壞，而服務年限內極值風浪的影響將是排海管道穩定性設計的重要控制指標。

近年來管道的自埋技術有進一步發展，可以進一步減小管道配重，增加管道的穩定性，這將是以后排海管道設計的工作方向。

參考文獻：

[1] 張玉川等.《水中鋪設塑料管道的市場分析和專用技術》.北京塑料工業協會，2006.