沉管法在電廠取排水工程中的應用

鄧 楠，修志福

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

沉管法在電廠取排水工程中的應用

鄧 楠，修志福

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

本文對電廠取排水工程的沉管法主要計算內容進行總結，列舉沉管常見連接型式，并簡介公（鐵）路工程中沉管隧道接頭型式為取排水工程沉管的密封性優化提供借鑒參考。

沉管；穩定計算；橫（縱）向計算；密封性；柔性；剛性；接頭

引 言

電廠取排水方式可分為明渠和暗涵。暗涵主要優點為：1）基本可忽略波浪對取排水構筑物安全的影響；2）對近岸潮流場基本不產生影響；3）相對明渠暗涵溫排水對周邊環境的影響較小。暗涵施工方法主要有沉管法、礦山法、盾構法、頂管法和圍堰明挖法等。施工方法的選擇主要根據工程地質、水文、埋深、沿線地下管線及構筑物情況、斷面型式、施工條件以及工期要求等因素綜合確定。目前以沉管工法建造的取排水暗涵在電廠建設中的應用日漸廣泛。沉管法的主要特點有：

1）對地基允許承載力要求不敏感，經過論證后沉管隧道可修建在軟弱地基上；

2）相對于盾構法、頂管法埋深要求不高，一般管段的頂部離海床1 m即可；

3）斷面空間利用率高，斷面類型靈活多變；

4）工序可平行作業縮短工期，如基槽開挖、管段預制、浮運沉放等可平行作業；

5）在預制管段接頭間可采用止水帶密封，大大提高密封質量，其防水性能在優于管片作襯砌的盾構隧道。

1 沉管法計算

沉管法主要計算內容可包括：沉管穩定性分析、沉管基礎的穩定性分析、沉管內力計算和接頭設計計算等。

1.1 沉管穩定性分析

影響海底沉管穩定的因素有波浪和水流力（主要是潮流力）：

1）波浪對沉管的作用，按水深與波長比值，可以分為深水、淺水、破碎和岸邊4個區段。

深水區段波浪作用微弱，可不考慮。其余區段波浪對海底管線的作用力包括浮托力和水平波浪力兩部分，水平波浪力由速度力和慣性力兩部分組成。

①波浪未破碎前（即d＞crd ）：

式中：H為波高（m）；L為波長（m）；T為周期（s）；d為水深（m）；Z為水面至管中心的高度（m）；θ為相位角（°）；x為自波峰起算的水平距離（m）；t為時間（s）。

②當波浪破碎（即d＜crd）時：

2）水流對沉管的作用，主要是指一般以潮流和風海流為主形成的近岸海流，計算公式與波浪對沉管的作用相同，只是U由波浪水質點的水平分速度替換為根據觀測資料統計的最大潮流流速。

3）波浪和水流作用計算后可根據《重力式碼頭設計與施工規范》中相應公式計算沉管的穩定性。

1.2 沉管基礎的穩定性

沉管基礎的穩定性主要考慮地基承載力、海流對沉管基礎沖刷和沉管支墩的穩定性3個方面：

1）地基承載力計算可參照《重力式碼頭設計與施工規范》和《港口工程地基規范》中的相應公式。

2）海流對沉管基礎沖刷的穩定性影響：波浪產生的底流速和潮流對沉管地基土存在沖刷作用。底流速的大小是動力因素，而抵抗流速沖刷的是地基土體本身物理力學性質。根據土體的顆粒大小或粘結能力，有相應的經驗公式可以計算該土體的允許沖刷流速V。如果海流流速U＞V，則地基土存在沖刷危險，如U＜V則認為土體處于穩定狀態（見圖1）。

目前工程中一般均在沉管頂部及兩側一定范圍設置覆蓋層，覆蓋層大多采用規格塊石。塊石規格可參照《防波堤設計與施工規范》中根據流速選取相應規格的護底塊石執行，流速也應考慮波浪產生的底流速和潮流流速兩部分。

圖1 沉管斷面

3）沉管在穿越巖礁地段或特定管節需要控制在某一合適的坡度內，有時會采用管線墩座間隔地架空海底管線。應指出此種型式從沉管受力情況和施工難度均會帶來不利影響，所以在規劃和設計中應盡量避免采用水下架空管線形式。但在某些特殊情況下采用此種型式設計時應重點計算以下問題：支墩的地基承載力、支墩自身及地基穩定性、支墩的不均勻沉降和支墩的間距。

1.3 沉管內力計算

1）沉管作用荷載及組合：

永久作用包括自重、靜水壓力、回填土及覆蓋層產生的土壓力；可變作用包括正常工作時沉管內流體壓力、試運行時沉管內流體壓力、沉管內外溫差產生的溫度應力、沉管不均勻沉降產生的內力、均布荷載、可變荷載引起的土壓力；偶然作用主要有沉船（或拋錨）和地震時產生的慣性力、動土壓力等荷載；短暫作用可考慮沉管預制時自重和吊沉時施工荷載。

上述荷載根據沉管所處的工作條件、環境條件等實際情況，有的同時作用，有的不可能同時作用，要按實際可能產生的荷載條件進行組合后分別進行計算，可考慮以下組合：

①沉管正常工作時受力+設計擬定的外荷載；

②沉管施工期各種狀態時受力+施工期的外荷載；

③沉管正常工作時受力+地震力；

④沉管正常工作時受力+沉船荷載。

2）橫斷面計算

鋼筋混凝土矩形橫斷面沉管隧道橫斷面多為多孔箱型框架。同其它超靜定結構，箱形框架的機構分析也必須經過“假定結構截面尺寸、分析內力、修正尺寸、重算內力和截面配筋”的多次循環。沉管一般縱向較長、橫向較短，計算時可選取單位長度1 m管節按彈性地基上平面應變狀態的閉合框架計算。彈性地基的彈簧系數，可根據沉管基礎的墊層特性（常見為砂墊層、碎石墊層或混合砂漿墊層）和開挖基槽的地質情況分層加權法計算。然后可利用一般的平面桿系結構分析通用程序計算結構內力（見圖2、圖3）。

圖2 某電廠排水工程沉管準永久組合外板（內外側）彎矩

圖3 某電廠排水工程沉管準永久組合外板（內外側）剪力

3）縱向計算

縱向計算包括管節的縱向靜力計算和接頭強度、變形計算。

沉管縱向靜力計算模型為彈性地基梁，地層變形遵從溫克假定。模型假設不計土體的水平彈性抗力，僅考慮土體對沉管段的軸向變形和摩阻力且沉管的中心為不動點。縱向靜力計算重點考慮基床系數不均勻、基礎處理質量、接頭剛度等因素。

根據接頭剛度和管節剛度比的不同，可分為剛性接頭和柔性接頭。柔性接頭的抗彎剛度僅為管節本體剛度的 1/600～1/500，縱向內力計算時可做鉸接點處理。剛性接頭可做固結點處理。

接頭主要應計算沉管軸力、沉管內外溫差變化引起的溫度應力及變形量。

沉管縱向受力條件變化的規律：在沉管兩端的鉸接處，支座垂直沉降特性對沉管段內力的影響僅限于臨近端部一定范圍內，其余部分基本上不受此影響。當基床系數均勻時，距兩端一定距離后沉管段中的內力分布均勻。在基床系數發生變化處，沉管中會出現彎矩峰值。基床系數隨機不利分布時內力也將隨機出現變化。相鄰基床系數相差越大，即兩種墊層的密實度懸殊時出現的彎矩峰值越大，表明墊層充填質量不好會使沉管內力明顯增加。

4）水密性計算

水密性計算主要為止水帶選型提供依據：

①計算接頭總位移量Δlt，由止水帶溫度變化伸縮量 Δlt1、干燥收縮位移量 Δlt2、基礎不均勻沉降產生的Δδt組成；

②計算每米止水帶受到的荷載F=水壓作用面積×設計水位至水壓力梯形中線距離×10/止水帶周長；

③初選止水帶型號，根據廠家提供的應力應變曲線查出在F下的壓縮量δ；

④M=廠家提供的止水帶壓縮狀態下的松弛量+廠家提供的一定水壓下保證水密性的最小壓縮量+沉管兩端混凝土端面預制誤差；

⑤δ≥M代表止水帶選型合理。

2 取排水工程常見沉管連接型式

取排水工程中沉管根據施工條件可分為現澆沉管和預制沉管：現澆沉管連接型式較簡單，預制沉管連接型式可采用榫槽搭接、承插對接和鍥型接頭等幾種型式。

2.1 現澆沉管連接

位于陸上或海陸交接處的沉管一般具備干施工現澆條件，對接精度較高且止水帶承壓較小，連接型式可在沉管澆筑前相鄰兩節沉管端截面上布置止水帶預埋件（見圖4）。

圖4 現澆沉管鏈接斷面示意

2.2 榫槽搭接

在沉管有止水帶預埋件的位置設置凹凸槽，相鄰兩節沉管在一側沉管頂板設置突出端部一定尺寸的懸臂，另一側沉管端部頂板向內縮進同樣尺寸。沉管在完成初次沉放后對接時，以凹凸榫槽、導向構件和搭接懸臂作定位控制，輔助以起重船、鋼浮箱，并拉合千斤頂對橡膠止水帶進行擠密達到接頭密封效果（見圖5）。

圖5 沉管榫槽搭接示意

2.3 承插對接

在相鄰兩節沉管的端部對外壁局部加厚一定尺寸，對接時以承插口為定位控制。由于接頭處壁厚空間較大，可布置雙層止水帶并預埋灌漿管，拉合千斤頂壓密止水帶后可在兩層止水帶間注漿灌縫。此種型式的密封效果較前者較好（見圖6）。

圖6 沉管承插對接示意

2.4 鍥型接頭

取排水構筑物如遇單體自重過大，不具備拉合千斤頂擠密止水帶條件。對接時可采用如下型式：沉管端部做成斜截面，沉管沉放時利用自重對止水帶進行初次擠密，后期可根據密封性需要在頂板和側板設置OMEGA止水帶進行二次密封。此種型式接頭造價較高，一般適用于取排水構筑物與最后一節沉管間的連接（見圖7）。

圖7 鍥型接頭示意

3 公（鐵）路工程中沉管隧道接頭型式

公（鐵）路工程中很多跨江（海）隧道也都采用沉管法建設，其中對水下管節間連接技術的密封性要求較高，接頭型式可分為剛性和柔性2種。剛性連接時鋼筋在接頭部位縱向連通，還設有加強鋼板，其強度和剛度與管段本身較接近。柔性接頭是采用允許轉動和變位的方法，其結構型式有多種。理論上就抗震設計或適應不均勻沉降的要求而言，采用柔性接頭是有利的。柔性連接必須在接頭承受拉力和剪力的同時，仍能保證其可靠的水密性。

柔性接頭可在沉管管壁內預埋預應力鋼索，沉管對接時通過拉預應力鋼索將剛沉放的管段拉向已沉管段，壓縮橡膠止水帶產生一定變形量初步止水；在初步止水效果確認后可在沉管內壁安裝OMEGA止水帶進行永久止水（見圖8）。

圖8 沉管隧道柔性接頭示意

剛性接頭可由水力壓接實現：沉管端頭一般采用鋼殼結構，沉管對接時用拉合千斤頂使橡膠止水帶壓縮一定程度，然后抽掉隔艙水，利用沉管自由端的巨大水壓形成初始密封。沿內圈焊接連接鋼板、綁扎鋼筋、灌注混凝土，最后焊接最內圈的連接鋼板（見圖9）。

圖9 沉管隧道剛性接頭示意

公（鐵）路隧道中的沉管接頭密封性、耐久性較高，可對取排水工程優化提供借鑒參考。

4 結 語

1）沉管法鑒于其特點在發電廠取排水暗涵工程中應用日趨廣泛。

2）總結取排水工程中沉管主要計算內容和常見的接頭型式。

3）公（鐵）路隧道中的沉管接頭密封性、耐久性較高，可對取排水工程優化提供借鑒參考。

[1]沉管隧道設計與施工[M].

[2]海底管線設計與施工[M].

[3]JTS 145-2-2013海港水文規范[S].

[4]JTS 154-1-2011防波堤設計與施工規范[S].

[5]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.海南昌江核電廠1、2號機組海域排水隧道及排出口施工圖設計[R].2011.

[6]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.國投湄洲灣第二發電廠2×1 000 MW機組工程取排水工程施工圖設計[R].2014.

Application of Immersed Tube Method in Water Intake and Drainage Project of Power Plant

Deng Nan,Xiu Zhifu
(CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510230,China)

For the immersed tube method applied in water intake and drainage project of power plant,its calculation content is summarized and common connection patterns of two immersed tubes are listed.In addition,a brief introduction is made to the joint type of the immersed tube tunnel in highway (railway) projects,which will provide a reference for optimizing the sealing property of immersed tubes in water intake and drainage project.

immersed tube; stability calculation; transverse (longitudinal) calculation; sealing property; flexibility; rigidity; joint

X77

：A

：1004-9592（2016）06-0056-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160614

2016-07-01

鄧楠（1985-），男，工程師，主要從事港口航道工程設計與咨詢。