海底管道海上接收井圍堰設(shè)計研究

鄒 恒，馬如彬，董蕃宗

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

在工業(yè)園區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，環(huán)境問題不容忽視，水污染的治理，直接制約社會和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。達(dá)標(biāo)尾水排海工程能夠充分利用海洋的環(huán)境功能，在不污染海洋環(huán)境的基礎(chǔ)上，更好地保障陸域水環(huán)境，對工業(yè)園區(qū)的建設(shè)具有重要的意義。

徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程設(shè)計流量：近期排放流量8.57萬m3/d，遠(yuǎn)期排放流量11.83萬m3/d。設(shè)計排海管道DN1400，須穿越現(xiàn)狀海堤，沿設(shè)計路線鋪向指定排放口，海域段排放管全長22.2 km。

采用頂管工藝穿越現(xiàn)狀海堤到達(dá)一定水深的灘涂，在堤外海上完成與海上鋪管施工的管道銜接施工。銜接施工受到風(fēng)浪及潮位影響，堤外灘涂沉積了深厚的淤泥層。此外，銜接點周邊存在防波堤、海堤及漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)等保護(hù)要求較高的建構(gòu)筑物，海上施工不利因素較多，施工難度大。為減小海上管道銜接施工對于鄰邊因素的影響，減小海上施工風(fēng)險和水下土方開挖量，擬采用雙排鋼板樁圍堰搭設(shè)海上接收井，在接收井內(nèi)開挖基坑，水下作業(yè)完成管道連接。

1 建設(shè)條件分析

1.1 設(shè)計水位

根據(jù)《污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 19570—2017），污水排海管道環(huán)境條件重現(xiàn)期應(yīng)按50 a設(shè)計。該工程排放口設(shè)計高水位為50 a一遇的高潮位P2%=3.66 m（85國家高程基面，下同）；設(shè)計低水位，采用平均低潮位為：-1.72 m。

1.2 波浪

接收井施工時間安排在7月份，該海域?qū)崪y最大波高約為1.5 m，周期4.3 s。海流流速約為2 m/s。

1.3 海底地形

該項目海域管道路線位于連云港徐圩新區(qū)東側(cè)近岸區(qū)域，海域岸灘屬于淤泥質(zhì)海岸，海床基本沖淤平衡、略有沖刷。原始地貌為總體呈西南高東北低的淺海平原，水下岸坡平均坡度0.56°。

1.4 工程地質(zhì)

根據(jù)勘察結(jié)果，海床模型36 m深度范圍內(nèi)，涉及的土層包含：Ⅲ1灰黃～灰色淤泥、Ⅲ2灰黃～灰色淤泥質(zhì)黏土、Ⅳ1灰黃色粉質(zhì)黏土、Ⅳ3灰黃色砂質(zhì)粉土、Ⅳ4灰黃色粉砂、Ⅴ1灰黃～灰色粉質(zhì)黏土、Ⅴ2灰黃色黏質(zhì)粉土。根據(jù)土層的物理力學(xué)特性進(jìn)行均化處理，模型中海床部分分三層處理（從上至下）：淤泥，淤泥質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土（見表1）。

表1 各土層物理力學(xué)特性一覽表

2 海上接收井結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 頂管段管道結(jié)構(gòu)設(shè)計

達(dá)標(biāo)尾水排海管道是地下永久性隱蔽工程設(shè)施，管材選擇安全性和可靠性較高的鋼管。

為防止淤泥和油污的沉積，根據(jù)《污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范》要求的管道最小流速為0.6 m/s，一般可控制在0.8～1.0 m/s。根據(jù)多方案的計算與比選，管道排放方式采用單根管徑DN1400管道排放方案。

該工程排海管須穿越現(xiàn)狀海堤，管道內(nèi)尾水采用壓力管排放，對重力式斜坡堤堤身造成一定的影響，同時從減少海底埋管施工對局部水體中懸浮物量和底棲生物破壞程度及有利于施工角度出發(fā)，管道穿堤及近岸灘涂管道施工方案采用有較大埋深的頂管方案。穿堤管道擬采用DN1800鋼管，內(nèi)套DN1400鋼管，內(nèi)外套管之間采用橡膠條和泥漿填充，以減小壓力管道可能產(chǎn)生的自身震動對海堤堤身的影響，管壁與土堤結(jié)合處不會因震動而產(chǎn)生滲水問題。

2.2 鋪管段管道結(jié)構(gòu)設(shè)計

海上管道采用S-lay鋪管結(jié)合沖射后開溝槽法施工，將管道在船上進(jìn)行焊接和涂裝，再利用敷管船將管道下沉敷設(shè)至海底既定的管位，再沖射開槽，將管道埋設(shè)至設(shè)計標(biāo)高。

威廉·萊斯等作家敏銳地反映了建設(shè)全球性生態(tài)文明的緊迫訴求，其中的問題框架是我們發(fā)掘發(fā)揮馬克思生態(tài)思想的有益線索，其提出的許多觀點對于我們樹立人類命運共同體意識、建設(shè)美麗中國也具有啟發(fā)價值。但是，在我們借鑒這一西馬派別理論的過程中，必須始終堅持馬克思主義的立場觀點方法，特別是從馬克思理論創(chuàng)制的主體即政治經(jīng)濟(jì)學(xué)批判當(dāng)中，堅持不同于萊斯等西方學(xué)者看待生態(tài)問題的科學(xué)的馬克思主義政治經(jīng)濟(jì)學(xué)立足點。〔本文受到江蘇省2016年度普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生科研創(chuàng)新計劃項目“新中國初期主流意識形態(tài)的構(gòu)建及其歷史經(jīng)驗研究”(項目號:KYZZ16_0482)資助〕

2.3 海上圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂管段管道與鋪管段管道需要在堤外海上完成銜接施工。為減小海上管道銜接施工對于鄰邊因素的影響，減小海上施工風(fēng)險和水下土方開挖量，該工程采用雙排鋼板樁圍堰搭設(shè)接收井，為頂管段管道與鋪管段管道的連接提供有利條件。

接收井處現(xiàn)狀海底泥面高程約-3.4 m，通過船只海上趕潮施工打入鋼板樁形成基坑圍護(hù)，在圍護(hù)內(nèi)側(cè)開挖基坑，采用水下作業(yè)方式完成管道連接。

雙排鋼板樁海上圍堰為方形，凈尺寸為10.0 m×15.0 m。堰頂高程為3.00 m，圍堰內(nèi)側(cè)坑底高程-8.70 m。鋼板樁型號為拉森Ⅳw，樁長24 m，有效幅寬600 mm，有效高度210 mm，厚度18 mm。內(nèi)外兩排鋼板樁之間采用?140，壁厚10 mm的鋼管做支撐，鋼管內(nèi)采用?40鋼拉桿將內(nèi)外兩層鋼板樁拉緊。兩道支撐軸線高程分別為-0.3 m和2.5 m，支撐水平間距為1 500 mm。拉桿及鋼管支撐與鋼板樁連接處采用28#a槽鋼做圈梁加固，圍堰外側(cè)采用兩層型號為20#a的槽鋼疊放，拉桿與圈梁之間采用鉚釘連接。圍堰四角采用厚度為20 mm的鋼板做角撐。材質(zhì)為Q235B，允許應(yīng)力δ=205 MPa。

接收井圍堰平面布置及接收井圍堰斷面見圖1、圖2所示。

圖1 接收井圍堰平面布置圖

圖2 接收井圍堰斷面圖

3 鋼板樁圍堰強(qiáng)度計算

根據(jù)以上接收井鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對設(shè)計方案的合理性和可靠性進(jìn)行分析與計算復(fù)核。

圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計需要確定圍堰高度和寬度、鋼板樁的長度和選型，以及連接桿件的選型。其計算包括鋼板樁插入深度計算，堰體抗剪、抗傾與抗滑穩(wěn)定計算，以及拉桿與鋼板樁的內(nèi)力計算。

3.1 鋼板樁入土深度計算

鋼板樁入土深度應(yīng)滿足內(nèi)側(cè)鋼板樁踢腳穩(wěn)定，對鋼板樁下一道拉桿安裝點以下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為脫離體，將作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的外力進(jìn)行力矩平衡分析，從而求得抗傾覆分項系數(shù)：

3.2 堰體寬度計算

堰體寬度應(yīng)滿足抗剪、抗傾要求。

抗剪穩(wěn)定驗算采用美國KARI太沙基方法：

式中：M為外力對開挖面的力矩；PA為堰中心線上的壓力，φ為內(nèi)摩擦角。

抗傾穩(wěn)定：

式中：G為堰體每延米重；T為每延米鋼板樁與土的摩阻力。

經(jīng)過復(fù)核，圍堰的入深度、堰體抗剪與抗傾穩(wěn)定均滿足設(shè)計要求。

3.3 拉桿與鋼板樁內(nèi)力計算

鋼板樁內(nèi)力采用變位法進(jìn)行計算，在外力作用下，內(nèi)外側(cè)兩道鋼板樁產(chǎn)生變位，在兩道拉桿處的橫向變位相等。

懸臂梁受任意分布橫向荷載作用下任意一點的撓度，見圖3所示。

圖3 懸臂梁受任意分布橫向荷載作用示意圖

求任意一點x=a處的撓度w（a），在該點作用單位力P’=1，由單位力產(chǎn)生的撓度很容易通過卡氏第二定理求出，為：

使用互等定理有：

代入w’（x，a）的表達(dá)式，注意P’=1，得：

懸臂梁受三角形均布荷載，長為L，三角形荷載最大為q，位于固定端。撓度公式為：

假定鋼板樁樁身基坑底處為固定端，求在外力作用下，兩道拉桿處的水平位移。圖4為雙排鋼板樁圍堰受力圖。

圖4 雙排鋼板樁圍堰受力圖

兩排鋼板樁之間采用?140，壁厚10 mm的鋼管做支撐，支撐水平間距為1 500 mm。得到上下兩道支撐所受最大應(yīng)力為33.9 MPa和70.3 MPa。

在求得兩道拉桿支撐作用力之后，可計算鋼板樁和鋼導(dǎo)梁受到的內(nèi)力，對鋼板樁和鋼導(dǎo)梁的強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。

4 數(shù)值計算分析

通過數(shù)值方法計算分析施工期間接收井圍堰受到荷載條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，設(shè)計風(fēng)力7級，設(shè)計風(fēng)速13.9 m/s，平均最大波高1.5 m，周期4.3 s，水流流速為2 m/s。在平均高潮位條件下，灘涂面水深為5.34 m。

數(shù)值模型需足夠幾何尺寸以滿足數(shù)值計算的精度要求，鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)底部距離模型下方邊界不小于兩倍波長，取模型地基深度36 m。鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)距離模型四周邊界不小于一倍波長，順?biāo)鞣较虿恍∮谑恫ㄩL，取60 m。

圍堰鋼結(jié)構(gòu)選擇線彈性模型（見圖5），按照剛度等效原則將拉森鋼板樁、拉桿和支撐分別進(jìn)行簡化處理。鋼板樁換算成剛度等效的矩形鋼板，拉桿支撐換算成等效圓形鋼管。海床地基本構(gòu)關(guān)系選擇Mohr-Coulumn模型。鋼板樁圍堰與海床地基之間接觸面形式為硬接觸。海底土層土體取飽和土參數(shù)。

圖5 材料模型剖面圖

圖6給出了水流波浪長期穩(wěn)態(tài)作用下拉桿的最大主應(yīng)力，上層內(nèi)支撐的最大主應(yīng)力為20.9 MPa，下層內(nèi)支撐的最大主應(yīng)力為56.5 MPa。總體上內(nèi)支撐應(yīng)力遠(yuǎn)小于內(nèi)支撐鋼管材料的抗拉抗壓強(qiáng)度。

圖6 水流波浪長期穩(wěn)態(tài)作用下拉桿的最大主應(yīng)力圖示

5 結(jié)論

為減小海上管道銜接施工對于鄰邊因素的影響，減小海上施工風(fēng)險和水下土方開挖量，該工程采用雙排鋼板樁圍堰搭設(shè)接收井，為頂管段管道與鋪管段管道的連接提供有利條件。

本文主要介紹了海上接收井圍堰設(shè)計的主要內(nèi)容，并對方案合理性和可靠性進(jìn)行分析與計算復(fù)核，分別采用變位法和有限元方法對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計算。對比之下，認(rèn)為兩種方法計算得到的支撐內(nèi)力結(jié)果均在合理范圍之內(nèi)，并滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到樁土作用和超靜定問題，通過一定假設(shè)，采用變位法求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力，為圍堰結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)選型或設(shè)計復(fù)核提供了一種有效方法。