淺談配重塊在海底PE管中的設(shè)計(jì)

杜年夫 林瑞潤(rùn)

【摘要】由于浮力的作用，海底PE管僅依靠管道自身重力，不能保證海底PE管道的穩(wěn)定及安全，需在PE管上適當(dāng)配重，確保海底管道施工及運(yùn)行的安全。介紹了配重塊的設(shè)計(jì)、選型及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，為其他海底PE管道敷設(shè)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】海底PE管；配重塊；敷管方式；混凝土配重塊

引言

我國(guó)海岸線長(zhǎng)，海島眾多，隨著海島的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，淡水不足已經(jīng)成了制約海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。為了促進(jìn)海島地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高海島上居民的生活水平，需增加島外引水項(xiàng)目對(duì)海島供水?，F(xiàn)今，島外引水主要采用鋼管、復(fù)合PE管、PE管等，因鋼管易腐蝕且投資較大，復(fù)合PE管在彎曲后恢復(fù)能力較差、給檢修帶來(lái)不便、難重復(fù)利用，因此海底PE管被廣泛應(yīng)用。但PE管管材密度較海水密度小，因此在海底鋪設(shè)PE管時(shí)需增加配重設(shè)施才能使其沉入海底并保證管道后期運(yùn)行不上浮。

1.配重塊設(shè)計(jì)

在計(jì)算中，首先應(yīng)確定每延米管道的配重塊重量，配重塊的重量主要取決于配重塊的材質(zhì)、PE管的浮力及管中空氣的占有量等因素。公式為：

F=（G配+G管+G水）/（F配浮+F配?。?/p>

F—管道的抗浮安全系數(shù)，一般不小于1.20；

G配—每米管道上配重塊的重量；

G管—每米管道的重量；

G水—每米管道中水的重量；

F配浮—每米管道配重塊的浮力；

F配浮—每米管道的浮力。

配重塊有多種形式，在工程中常做成Ω形、方形、環(huán)形等形狀。選擇配重塊的形狀與敷管形式有關(guān)，敷管形式主要有大開挖敷管和水力沖挖敷管等形式，一般情況，方形和環(huán)形配重塊可適用于水力沖挖敷管法，Ω形、方形、環(huán)形配重塊均可適用于大開挖敷管法。

因管道在敷設(shè)時(shí)，管道從托管架滑入開挖槽內(nèi)，需考慮配重塊的間距以滿足敷設(shè)要求。如果配重塊間距較小，會(huì)限制管道在敷設(shè)過(guò)程的變形量，同時(shí)會(huì)限制PE管的彎曲變形，但配重塊間距較小可以避免船只拋錨對(duì)管道造成的破壞。綜合考慮，配重塊的間距應(yīng)控制在1m～2m。

2.工程實(shí)例

2.1工程概況

舟山市大陸引水三期岱山段工程（海上段）主要由岱山島引水工程、衢山島引水工程和秀山島引水工程組成，其中衢山島引水工程跨海段輸水管道長(zhǎng)15.35km，輸水管道均采用PE100dn560SDR11管，管外徑560mm，壁厚50.8mm。除穿越海纜采用定向鉆牽引敷設(shè)外，其余均采用大開挖埋地敷設(shè)，管頂覆土深度不小于1.5m，部分穿越航道段管頂覆土不小于2.0m，管道沿線需配置配重塊。

2.2工程地質(zhì)

場(chǎng)地內(nèi)地層可將勘探深度內(nèi)的地層自上而下劃分為Ⅰ層淤泥、Ⅱ1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、Ⅱ2層淤泥質(zhì)粘土、Ⅲ層砂和砂礫、Ⅹ層基巖。Ⅰ層淤泥、Ⅱ1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、Ⅱ2層淤泥質(zhì)粘土，具有含水量高，孔隙比大，強(qiáng)度低，滲透性弱等特點(diǎn)，是工程區(qū)主要控制層，適宜于開槽埋設(shè)管道。Ⅹ層基巖衢山沙塘咀岬角基巖向海延伸約200m，推薦工程距其最近140～220m，沒(méi)有影響。

管道地基土為淺層軟土，可能存在沉降問(wèn)題。海底淺層氣不會(huì)對(duì)管道工程施工和運(yùn)行安全產(chǎn)生影響。工程區(qū)存在飽和Ⅲ層砂和砂礫，擬建場(chǎng)地為輕微液化場(chǎng)地，建筑的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理亦可不采取措施。

2.3配重塊設(shè)計(jì)及方案比較

海水容重取1.04×103kg/m3，管道內(nèi)考慮充水面積為50%管道斷面面積。管道在海底受到的浮力為256.15kg/m；管道自重為77.34kg/m，管道中考慮充有50%管道斷面面積水的重量為82.45kg/m，則：

根據(jù)海底管道的施工、運(yùn)行及管理要求，參照目前國(guó)內(nèi)主要的已建或擬建海底管道，海底段管道配重可采用混凝土配重塊或鑄鐵配重塊。

①混凝土配重塊

經(jīng)上式計(jì)算，確定海底輸水管道沿線每延米配重塊重539kg，考慮管道中有50%管道斷面積水，抗浮安全系數(shù)為1.48，滿足要求。考慮配重塊間距為1.5m，混凝土配重塊采用Ω型結(jié)構(gòu)，壁厚12～15cm，經(jīng)過(guò)斷面設(shè)計(jì)及計(jì)算，每塊配重塊重808kg。

混凝土配重塊每公里投資為88萬(wàn)元。

②鑄鐵配重塊

經(jīng)上式計(jì)算，確定海底輸水管道沿線每延米配重塊重180kg，考慮管道中有50%管道斷面面積水，抗浮安全系數(shù)為1.21，滿足要求?？紤]配重塊間距為1.5m，鑄鐵配重塊采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，配重塊厚度為8cm，經(jīng)過(guò)配重塊的斷面設(shè)計(jì)及計(jì)算確定，每塊配重塊重270kg。

鑄鐵配重塊每公里投資為108萬(wàn)元。

經(jīng)綜合比較，混凝土配重塊方案投資較鑄鐵配重塊方案投資小，且混凝土配重塊方案抗浮安全系數(shù)較鑄鐵配重塊高，另外混凝土配重塊抗腐蝕能力較鑄鐵配重塊強(qiáng)。混凝土配重塊的缺點(diǎn)是預(yù)制需要較長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)需要較大預(yù)制場(chǎng)地。與混凝土配重塊比較，鑄鐵配重的優(yōu)點(diǎn)是，尺寸較小、便于安裝及運(yùn)輸；強(qiáng)度高，管道敷設(shè)時(shí)不易損壞。考慮本工程水深較深、海底潮流較大，為加強(qiáng)海底管道穩(wěn)定的安全性，推薦海底管道采用混凝土配重塊進(jìn)行配重。

3.配重塊的其他要求

（1）為使Ω型配重塊與管道固定在一起方便施工，需在配重塊底部設(shè)置鋼板，同時(shí)鋼板與配重塊采用螺栓固定，螺栓需滿足結(jié)構(gòu)要求；

（2）Ω型配重塊安放時(shí)，需使平面平穩(wěn)放置在溝槽內(nèi)；

（3）混凝土配重塊需配筋以滿足在吊裝及運(yùn)行時(shí)混凝土的開裂；

（4）在配重塊頂部需設(shè)置排水孔，有利于在敷管時(shí)將配重塊下面的空氣排出，減小浮力；

（5）為了便于配重塊的安裝，配重塊內(nèi)徑需略大于管道外徑；

（6）為了防止在安裝配重塊時(shí)對(duì)管道造成損壞，需在PE管外增加一層保護(hù)層，材料可選擇橡膠或者復(fù)合土工布；

（7）為了便于安裝，需在配重塊頂部設(shè)置吊耳或者吊孔；

（8）兩個(gè)配重塊之間需采用短環(huán)鏈連接，使整段管道的配重塊連為一體，防止因潮流使配重塊發(fā)生滑動(dòng)，進(jìn)而使局部管道配重不足發(fā)生上浮現(xiàn)象。

4.結(jié)論

海底PE管敷設(shè)過(guò)程中，在不同地質(zhì)及不同施工方式的情況下，會(huì)選擇不同類型的配重塊，同時(shí)需考慮施工時(shí)間的限制，本工程為其他海底PE管配重塊設(shè)計(jì)積累了可供參考的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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