大口徑玻璃鋼管在港工排水結構中的應用

吉 明，張榮勇，王 芳

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060；2.中國核電工程有限公司，北京 100840）

引言

纖維纏繞玻璃鋼管道采用微機控制纖維纏繞技術，通過將浸潤好樹脂基體的玻璃纖維按螺旋纏繞+環向纏繞的規律逐層纏繞在旋轉的芯模上，固化、脫模成型的非金屬管材。由于管壁結構受力合理，從而在滿足使用強度的前提下，能充分發揮其復合材料的特性。

大口徑玻璃鋼管以其輕質，高強，耐腐蝕，不結垢，安裝方便，維護費用低，使用壽命長等優點[1]在國內外取排水結構中有較多的應用案例[2]，具體參見表1。

表1 璃鋼管道取排水結構典型應用情況

在某些大型海工排水結構中，由于設計水量大，排水管徑逐漸加大。考慮玻璃鋼管固有的特性，隨著生產、制造、安裝等技術的快速發展，超大直徑（5 m 及以上）玻璃鋼管在已進行相關應用研究。

1 工程概述

某港排水項目設計總排水量約為 141 m3/s，海域部分排水沉管長為 3 074.1 m，排水口位于海域約-19.7 m 水深處，設計采用6.3 m 內徑的玻璃鋼管（2 根管并排）。

1.1 水文條件

1）水位

極端高水位（50 年一遇高潮位）3.31 m，設計高水位（歷時累積頻率 1 %潮位）3.20 m，設計低水位（歷時累積頻率 98 %潮位）-1.45 m，極端低水位（50 年一遇低潮位）：-1.53 m。

2）波浪

表2 排水頭部設計波浪要素（重現期100年）

3）水流

工程海區為明顯的往復流，工程區域各站潮流可能最大流速測站的0.4 H 層，為 144 cm/s。區域附近表層的潮流可能最大流速為81 cm/s。

1.2 泥沙

工程海域河流來沙及海域潮流輸沙量有限，對工程影響的沙源主要為近岸波浪沿岸輸沙，在正常天氣條件下，工程海域含沙量都處于很低的水平，漲落潮平均含沙量基本在0.04 kg/m3以下，垂線平均最大含沙量在0.1 kg/m3以下。

1.3 工程地質

工程地層主要為第四系和侵入巖，侵入巖主要以燕山晚期白堊紀侵入黑云母花崗巖和石英閃長巖為主。地基為中等～微風化黑云母花崗巖，中等風化黑云母花崗巖的巖體基本質量等級為 IV 級，剪切波速度為 1 560 m/s，承載力為 1.8 MPa；微風化黑云母花崗巖的基本質量等級為Ⅱ級，剪切波速度為 2 200 m/s，承載力為 7.0 MPa。

2 應用方案

2.1 管材特性[3]

表3 玻璃鋼管道材質特性表

2.2 結構斷面

1）典型斷面

考慮施工安裝玻璃鋼管的錯位對沿程水頭的損失影響，在滿足排水量和水頭損失等工藝要求條件下，綜合考慮玻璃鋼管斷面工程量、基槽炸礁量及開挖量等方面對造價的影響，確定排水管采用兩排玻璃鋼管，單排孔內徑為6.3 m，玻璃鋼管壁厚50 mm，兩個玻璃鋼管之間的設計凈距為3 000 mm，兩側預留1 500 mm 安裝空間。

圖1 玻璃鋼管標準斷面圖

2）上覆土層厚度的確定

排水玻璃鋼管及上覆層頂有不阻礙船舶通航的要求，同時為了滿足船舶可能的拋錨對玻璃鋼管的破壞，玻璃鋼管頂部需鋪設一定厚度覆蓋層。

考慮玻璃鋼管頂面覆蓋石料層從上往下依次為150～200 kg，厚850 mm，二片石墊層厚400 mm、碎石墊層厚300 mm。回填料須選用基槽開挖后的砂土作為回填料，不得選用炸礁后的巖石。

3）基槽開挖斷面及回填料斷面設計

炸礁邊坡強風化巖1:1，中風化巖1:0.5，上部覆蓋珊瑚砂層開挖邊坡1:2。不同施工位置采用不同挖深和炸礁深度以滿足600 mm 的整平要求。

4）排水頭部

排水頭部在每根玻璃鋼管頂部連接一根DN2500 玻璃鋼管，作三通處理外伸至原泥面以上，頂高程為-14.0 m。DN2500 玻璃鋼管沿排水管道軸線每隔5 m 布置一組，共布置4 組，共14 根（兩側分散式排水），實施后采用混凝土空心罩進行防護。見圖2。

圖2 排水頭部斷面圖

2.3 主體結構計算[4]

1）壓力設計

式中：

Pc——壓力等級，取0.4 MPa；

HDB——靜水壓應變基準，取0.006；

Fs——安全系數，取1.8；

t——管道加強壁厚；

D——平均壁厚；

Pw——工作壓力，取0.25 MPa；

Ps——波動壓力，取0.1 MPa；

Pd——設計壓力，取0.3 MPa。

經復核計算，玻璃鋼材質的壓力設計均滿足要求。

2）玻璃鋼管變形

管道的預計變形率是指基于回填設計考慮的包括土壤荷載，活荷載，回填土類型及壓實度等各種因素以后管道可以預見到的變形量與管道公稱直徑的比值。此變形率必須小于管道容許最大變形率跟管道廠家允許的管道變形率之間的較小者。計算公式如下：

式中：

DL——管道滯后效應系數，原土比較好的情況下取為1.0，原土比較差或者回填土比較松的情況下取為1.5；

Wc——作用于管道垂直方向的土壤荷載，N/m2；

WL——活荷載，N/m2；

Kx——墊層系數，取為0.1；

Ps——管道剛度，為10 000 Pa；

Ms——復合土限制模量，MPa。

計算出玻璃鋼管最大變形Δy=107 mm，最大撓度Δy／D=1.7 %，小于最大允許撓度δd/D=3 %，滿足變形要求。

3）強度分析

采用ANSYS 進行分析計算，模型采用變形計算構件的整體模型，構件長度取單根管材長度12 m，計算結果如圖3、圖4 所示。

圖3 玻璃鋼管應力計算結果

根據材料特性要求：玻璃鋼管身初始強度不低于300 MPa，長期強度不低于100 MPa，管身應變應不大于1.8×10-3，加強筋應變不大于6×10-3；計算管身最大應力為19.6 MPa，加強筋的最大應力為19 MPa；管身最大應變為0.784×10-3，加強筋的最大應變為0.543×10-3，均滿足玻璃鋼管材應力、應變要求。

4）穩定性分析

采用承壓不承拉的桿單元模擬管周土對管道的作用，考慮外部土壓、水壓及真空負壓的影響，總的負壓按0.3 MPa 考慮。穩定計算結果見圖5，穩定安全系數計算值為3.3，滿足要求。

2.4 實施方案

工程實施主要包括基槽開挖、基床整平、玻璃鋼管預制安裝、基槽回填等內容，施工工序安排如圖6。

圖6 施工工序圖

考慮到當地海浪影響較大，為確保工程安全順利實施擬采用海上多功能施工平臺進行拋石、基床整平、玻璃鋼管安裝及基槽回填等工作。多功能平臺含自升式平臺、雙懸臂固定門架起重機、拋石整平溜筒等結構。門架起重機上布置 3 臺移動桁車，分別位于月池及兩側舷外區域，桁車可以沿門架縱向移動，拋石整平溜筒可上下升降。平臺船體型長50 m，型寬 42 m，型深 5.5 m，中間月池尺寸 27×19 m。

為減少水下作業工作量，加快施工進度，將管道預組裝成合適的長度。管道預組裝長度的確定主要考慮起吊的平衡和起吊、浮運能力。玻璃鋼管單長為12 m，暫按預組裝管段長為24 m，即2 根管道組成一個管段。

管道連接推薦采用帶限位齒及導入舌拉桿固定的套筒式連接方式。不帶導入舌的一端在出廠前預安裝，水下現場只需要承插連接一端，導入舌可以保證從上沉入水中的玻璃鋼管道無偏差的落入套筒內；內側采用帶45°倒角的齒形密封圈，該密封圈壓力越高越密封，同時具有一定額鎖緊效果，外側采用“O”型密封圈起耐負壓的作用；外部拉桿限位可調整管道的偏向，并防止后續連接時，管道從套筒內拉出，兩側的條形孔可防止出現偏差時，方便螺栓穿入。

3 結語

玻璃鋼管材以其輕質、高強、耐腐蝕、不結垢、維護費用低、使用壽命長等優點在海水排水工程中具有良好的使用前景。結合工程應用研究，大口徑玻璃鋼管應用應重點解決以下問題：

1）管材強度、變形、結構安裝穩定性等方面進行重點設計，特別是對材質的地質、水文條件等的適應性提出相關要求；

2）施工過程中圓形管水下定位安裝及接頭的處理；

3）管材安裝過程中及時覆土固定，防止管材在基槽淤積泥沙、波浪等作用情況下管道變形破損[5]；

4）管材外露泥面部分的結構性保護措施。