管道排水工藝在吹填工程中的應用

陳國剛 周天瑋 嘉興市世紀交通設計有限公司

1.引言

吹填工程可以形成陸域，緩解沿海用地壓力，是港口工程中常見的一種項目[1]。吹填土因來自海洋的疏浚底泥，含有大量水分。在吹填過程中，泥水混合物通過吹填管道進入到吹填區內部后，因底泥的密度大于水的密度，伴隨泥水混合物在吹填區內的流動，泥質在吹填區內逐步沉淀落底，水體則析出浮于上表形成余水。余水產生后需要及時排出，否則會占用吹填區的容積，對吹填造成影響。針對上述問題，目前工程界通常采用在吹填區距離吹填管口較遠的位置開設一處泄水口用于排出吹填區內的余水。該種方法工藝簡單，造價經濟，在吹填項目的余水排出工作中起到了積極效果。需要注意的是，目前常采用的無論是溢流式泄水口還是埋管閘箱式泄水口均需要在吹填區的封閉邊界上開設缺口來排出余水，余水沿泄水口排出的同時也會帶來吹填土隨余水流失的情況，在給工程造成損失的同時，也對吹填區外部造成了一定的污染。尤其是當追趕工期進度時，現場通常會布置多條吹填管線并行作業，這樣就會短時間內在吹填區內積聚大量余水，加大泄水口的開口寬度雖然是一種解決辦法，但會帶來吹填土流失增加的消極效果。

因此，探索一種適用于吹填區內有大量余水需要及時排出工況條件下的排水工藝就具有了較高的研究價值。渤海灣港口陸域形成項目吹填過程中吹填區內部析出大量余水，因泄水口排水較慢，吹填區內積聚大量余水，對吹填進度造成了影響。現場通過研究采用了管道排水工藝，及時排出了吹填區內的余水，并起到了節約工期、減少吹填土流失的效果。

2.工程簡介

本項目為渤海灣港口陸域形成二期工程，計劃通過吹填形成35萬m2的陸域用于服務日益增長的港口發展需要。吹填土來自航道疏浚底泥，總吹填方量達760萬m3。該項目同時面臨著工期緊的情況。基于上述情況，現場布置了多條吹填管線并行作業用于追趕工程進度，致使短時間在吹填區內積聚了大量余水，現場照片見圖1。

圖1 吹填區實景照片

考慮到現階段國家對環保要求的重視及減少吹填土的流失的理念，現場決定摒棄擴大泄水口斷面的措施，通過研究探討，提出了采用了管道排出吹填區內余水的措施。

3.管道設計

3.1 基本參數

根據現場測算，若確保吹填區內的余水及時排出，不影響吹填工作的進度，余水外排規模需要達到10萬m3/d，需架設余水排出管道全長9585m。

3.2 管道選型

目前常用的排水管道有鋼管、聚乙烯塑料管、混凝土管等。現場通過詳細踏勘，多輪研究論證，余水排出管道選擇采用鋼管。主要原因是：（1）管材及管件加工容易，抗震性能優于其它管材，地形復雜的地段更適宜采用鋼管。（2）鋼管具有耐高壓、韌性好的特點，同時鋼管一般管壁相對較薄，管段較長，因此又有重量輕、運輸方便、接頭少的特點。（3）鋼管鋪設、安裝較為方便。（4）水泥砂漿內襯后的內壁糙率n≤0.012，水力條件好。（5）考慮到輸水管線為臨時輸水管道，采用法蘭連接的鋼管可進行拆除，具有一定的回收利用價值。

3.3 管徑選擇

管道管徑的選擇直接關系到工程的良好運行和經濟性，因此合理選擇管徑是管道設計的重要環節，采用經濟流速法[2]確定管徑。計算公式如下：

式中，ve代表管道經濟流速，經現場抽水試驗，結合本工程吹填進度對余水外排速度的要求，取1.5m/s。式中Q即需要外排的水量，取本工程余水外排規模10萬m3/d。經計算，管道采用直徑為1200mm螺旋縫焊接鋼管，中間采用直徑1200mm橡膠管進行連接。

3.4 管道壁厚計算

依據《水電站壓力鋼管設計規范》[3]給出的鍋爐公式確定鋼管壁厚t：

式中，γw代表水的重度；H代表管道中心內水壓力水頭，取采用的水泵的額定壓力；d代表鋼管內徑；φ代表焊縫系數，根據規范[3]，取0.95；σs代表鋼管管壁鋼材屈服點（MPa），本工程管道采用Q235型鋼材，即屈服強度235Mpa。經計算管道的壁厚t=10mm。

3.5 管道在外壓作用下的應力分布

為確保所選用的管道強度能夠滿足允許應力的要求，需要對管道的受力情況進行分析。分析可知，從工程應用的角度，管道外力主要來自水流力，根據《港口工程荷載規范》[4]計算單位面積上的水流力標準值。計算公式如下：

式中Fw代表單位面積上的水流力標準值，Cw為水流阻力系數，根據規范[5]，取0.73；ρ為水的密度；V為水流平均設計流速，取吹填區內余水平均流速，本工程經現場測算為1.2m/s。水流力計算結果見表1。

表1 水流力計算表

計算中，水流力相當于作用在管道上的均布荷載q，此均布荷載q即為單位面積上的水流力乘以管道外徑，管道在此荷載作用下，受到彎矩的作用。按照管道兩端固定的極端情況，管道中間處將會出現最大彎曲正應力，此彎曲正應力沿管道軸向方向，其大小采用下式計算：

式中，q為水流均布荷載，l為吹填區寬度；管道在水流均布荷載作用下的應力計算結果列表如表2。

表2 水流力作用下的最大彎曲正應力計算表

3.6 管道在內壓作用下的應力分布

除受到水流力的作用外，管道還受到內部的壓力，當管道的壁厚δ遠小于內徑d時（δ/d<0.1），稱為薄壁圓筒，本工程管道壁厚為0.01m，內徑為1.2m，屬于薄壁圓筒，若封閉的薄壁圓筒所受內壓強為P時，則在內壓作用下的管道軸向應力和環向應力分別為：

3.7 管道在內外壓共同作用下的應力分布

在內壓和外壓共同作用下，管道受到的軸向應力和環向應力分別為：

式中，σ代表管壁截面的折算應力。管道在應力作用下，一側受拉，另一側受壓，所受的應力大小和方向不同，管道應力計算結果列表如表3。

表3 內外壓共同作用下管道應力計算表

3.8 管道應力驗算

管道上的應力應滿足許用應力值的限定，即σ應小于等于許用應力，許用應力值用下式表示。

式中，[σ]代表管道的許用應力；K代表強度設計系數，取0.55；η代表焊縫系數，取0.95；代表管道鋼材的屈服強度。經計算，管道的許用應力值為122.8Mpa，管道兩側的應力值均小于許用應力，能夠滿足允許應力的要求。

3.9 螺栓受力分析

除了確保管道強度滿足應力要求外，還需要對管道連接處的螺栓強度進行驗算。本工程管道連接處使用的螺栓個數為24個或32個，根據材料力學知識，計算螺栓受到的拉力為：

1）當螺栓個數為24時：

2）當螺栓個數為32時：

本工程螺栓規格為M27＊110，有效截面積為459mm2，需要的螺栓抗拉強度為螺栓受到的拉力與有效截面積的比，即72.1Mpa，根據《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》[6]的有關規定，鋼制螺栓按其強度水平分為10個不同的強度性能等級，最低等級為3.6級，根據計算結果，3.6級即可滿足螺栓強度要求。

4.工程效果

4.1 管道安全性

現場從開始抽水直抽水結束，布置的管道均安全穩定運行。從滿足工程應用的角度，本文提出的余水排出管道設計計算過程，可以確保管道設計的安全性。

4.2 余水排出效果

吹填區內的余水得到了快速的外排，甚至工人可以在穿戴好安全裝備的情況下徒步進入吹填區內部進行作業，為吹填工作的順利開展提供了保障，詳見圖2。

圖2 吹填區抽水后現場照片

4.3 工程效益

基于本文采用的管道排水工藝，現場的工程進度得到了確保，通過管道排出吹填區內的余水，減少了吹填土的流失，在節約工程費用的同時，也減少了吹填土外泄對外部區域的污染。

5.結論

（1）基于本工程實例，在吹填區內有大量余水需要快速外排時，本工程采用的管道排水工藝可以較好的排出吹填區內的余水，相較于傳統的泄水口排水方式，可以節約工期，且可以減少吹填土的流失，進而減少因吹填土外泄對外部區域造成的污染。

（2）從滿足工程應用的角度，本文提出的余水排出管道設計計算過程，可以確保管道設計的安全性，可為類似工程提供借鑒。