長距離排海管道陸海銜接計算研究

范旭征博

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港222000）

0 引言

以往石化工業園區產生的廢水都是直接排放至內河和近岸海域中，導致河流和近岸水域污染嚴重，直接影響人們的生活和近岸的水產養殖產業，對水體造成了巨大的破壞。為了兼顧經濟發展和環境保護的要求，降低污水處理的高昂經濟成本，在不污染海洋的基礎上充分利用海洋自身的凈化功能，實現達標尾水的順利排放，采用長距離的海域尾水排放管道進行達標尾水的集中處理和排放，減少污水處理的成本，兼顧經濟發展和生態環境保護[1-4]。

徐圩新區達標尾水排海工程設計規模為：近期排放量8.57萬m3/d，遠期排放量11.83萬m3/d。陸域管道進入陸上頂管工作井后采用頂管穿越復堆河和海濱大道，其中頂管工作井至入海點400 m管道為陸域管道，項目海域工程范圍以入海點為界，包括穿越復堆河和海濱大道管線長720 m頂管（入海點至海上接收井），管道采用DN1800頂管工藝穿越現狀海堤，頂管內襯DN1400排放管，采用兩排鋼板樁圍堰搭設海上接收井，在海上接收井內完成頂管管道與鋪管船工藝施工的DN1400管道銜接。鋪管管道沿平行防波堤鋪設，然后在東防波堤北端折轉，鋪向排放口，海域段排放管全長22.2 km（見圖1）。

圖1 海域管道工程平面布置圖

海上管道銜接施工受到海上風浪及水位影響較大，海邊灘涂地區淤泥深厚，周邊存在防波堤、海堤及養殖區等保護要求較高的影響因素，施工難度較大。為順利完成海域管道鋪設施工，需對不同管徑的管道頂管段與敷管段在海上的銜接方式進行分析與計算，并提出合理可靠的實施方案。

1 建設條件分析

1.1 潮位

徐圩港區尚無長期潮位觀測資料，根據2005年9月和2006年1月水文測驗期間小丁港臨時潮位觀測資料，與連云港長期潮位站同步潮位資料建立相關，推算獲得徐圩港區設計水位如下（85國家基準）：

50 a一遇高潮位3.66 m（設計高水位）

50 a一遇低潮位-3.58 m

平均高潮位 1.94 m

平均低潮位 -1.72 m（設計低水位）

1.2 波浪

海區歷年平均波高為0.5 m，各月平均波高為0.4～0.6 m，其中秋冬季波高略大于春夏季。各向平均波高以偏北向為最大，其中NNW、N、NNE向平均波高均為0.9 m。海區累年平均周期為3.1s，各月平均周期介于2.7～3.1 s之間，累年各向平均周期以NNE向為最大，達4.3 s，NE向次之為4.1 s。接收井施工安排在7月份，實測最大波高約為1.5 m。

1.3 海底地形

連云港地區沿岸屬于廢黃河水下三角洲北緣的一部分，歷史上受黃河奪淮入海期泥沙擴散淤積的影響，沿岸底部普遍沉積了厚度不等的粉砂－粘土質淤泥沉積層，岸灘呈現淤泥質海岸特點。海床呈沖淤平衡、略有沖刷的態勢。

該項目海底路由位于連云港徐圩新區東側近岸，東西連島與灌河口之間海域，原始地貌為淺海平原，地形上總體呈西南高東北低的趨勢。路由及其附近海域，由岸向海方向，水深逐漸增加，坡度平緩，水深范圍0m～12 m，等深線走向與岸線相近。管道入海點外側水下岸坡，水深由0 m逐漸加深至3.5 m，海底地形平均坡度0.56°。

2 管道銜接結構設計

2.1 入海點設計

排海管入海穿越現狀復堆河底及已建海濱大道海堤，常見穿越方式為架管穿越及頂管穿越，架管穿越方案對現狀海濱大道通車影響較大；灘涂管道采用開槽埋管法施工方案受潮位水深影響，將增加局部水體中懸浮物和破壞底棲生物。故該工程采用有較大埋深的頂管方案穿越大堤和灘涂進入外海。頂管工作井位于規劃復堆河西岸，接收井位于海域側水深-3.4 m處，頂管段長度1 120 m。圖2為頂管斷面示意圖。

圖2 頂管斷面示意圖

2.2 頂管工程結構設計

管道內尾水采取壓力流排放，穿堤段管道施工期、使用期會對重力式斜坡堤堤身造成一定的影響。海堤后期沉降對管道安全也存在影響。結合類似工程穿堤保護經驗，該工程穿堤管道擬采用DN1800鋼管，壁厚20 mm，內套DN1400鋼管，銜接陸域和海域管道。DN1800鋼管頂管施工做好端頭封堵止水，穿越大堤處同步圍巖注漿加固。DN1800鋼管內噴射樹脂混凝土平臺，內套管穿管按設計要求焊接滑輪基腳，減少穿管時的阻力，內套管采用泡沫塑料包裹可以消除壓力管道使用時產生的震動。

2.3 海上鋪管結構設計

海上管道采用鋪管船敷管加沖射后開溝槽法相結合的施工工藝。首先利用敷管船將管道敷設在既定的管位，再采用沖射后開溝槽法，將管道埋設至設計標高。

尾水排海管道屬于城市地下永久性隱蔽工程設施，要求具有很高的安全性和可靠性。排海管道必須具有足夠的強度，以承受外部的荷載和內部的水壓。內壁應整齊光滑，粗糙系數小，使水流的阻力盡量減小。從降低海上埋管施工風險和控制施工工期的角度考慮，選鋼管作為海上埋管的管材。

該排海工程兼考慮近遠期水量變化較大，管道直徑的選擇既應保證管道流速不可過低，又要保證管道沿程損失適中，水泵揚程合理；同時，要考慮施工方法和工程投資。根據水力計算和多方案比選，采用單根管道，管徑DN1400方案。

管壁厚度根據管徑大小、設計條件下的受力特點、管道防腐，以及經濟性等因素綜合確定為18 mm。

2.4 海上圍堰結構設計

灘涂頂管管道與海域埋管管道接口施工因其牽涉到兩種不同的施工結構體的銜接，故應十分重視。為減小海上施工風險和水下土方開挖，該工程采用頂管接收井實現頂管與開槽埋管的連接。采用雙排鋼板樁圍堰搭設海上接收井，在海上接收井內完成頂管內襯管道與鋪管船工藝施工的管道銜接。接收井位置現狀海底高程約-3.4 m，通過平底駁船趕潮施工鋼板樁圍堰；沉樁采用屏風式沉樁工藝，將鋼板樁打至設計標高。同時，基坑內帶水施工，管道接駁采用法蘭連接。

海上雙排鋼板樁圍堰為方形，接收井凈尺寸為10.0 m×15.0 m（見圖3、圖4）。樁頂高程為3.00 m，樁底高程為-21.0 m，鋼板樁型號為AU25，長24 m。在鋼板樁內側布置2道鋼圍檁和角撐。圍堰內側坑底高程-8.70 m，坑底采用高壓旋噴樁φ800@700加固，標高-8.7～-16.7 m。

圖3 接收井平面布置圖（單位：mm）

圖4 接收井斷面圖（單位：mm）

3 數值模型

3.1 水動力基本方程

在有限元計算中，假設流體是不可壓縮的，能夠傳遞能量和浮力；與ALE變形網格一起使用，可以進行流固耦合分析。其流體的控制方程為：

對于穩態水流而言，動量守恒方程的積分形式變成：

式中：V為具有表面積S的任意控制流體；n為S的外法向；ρ為流體密度；v為速度矢量；υm為移動網格的速度；f為體積力，本文只要為重力g；τ為粘性切應力。

上述不可壓縮流體方程，被稱為納維-斯托克斯方程，在工程應用的復雜幾何邊界上求其解答，必須采用一些特定的算法才能實現。因本文計算為圍堰結構和水流的相互作用問題，圍堰在外力作用下發生變形，對于任意一個變形區域，使用先進的二階投影形式。然后基于固定網格的SIMPLE算法，采用壓力的一個節點為中心的有限元離散和所有其他傳輸變量的體積中心的有限體積離散。當保持與傳統有限體積法相關聯的局部保守屬性時，此種混合法可保證其計算的精確性。

3.2 有限元模型

有限元模型建模時，海床以上水深按平均高潮位考慮，水深為5.34 m，海床地基深度根據鋼板樁插入深度及數值模型計算精度要求取36 m，即鋼板樁底部距離模型底部邊界18.3 m，超過兩倍波長，模型四周邊界距離外圍鋼板樁10.8 m，超過一倍波長。水域計算范圍按下列原則選取：順水流方向（與圍堰長邊垂直）至少取10個波長（本文取60 m）。

對圍堰結構整體變形進行計算分析，鋼板樁、圓管拉桿支撐和角撐分別按照剛度等效原則進行簡化處理。鋼板樁根據拉森鋼板樁及槽鋼圈梁剛度換算成剛度等效的矩形鋼板，角撐根據鋼板和槽鋼支撐剛度換算成等效鋼板，鋼管拉桿支撐按剛度等效換算成圓形鋼管。圖5為整體材料模型。

圖5 整體材料模型

3.3 參數的選取

海床地基本構關系采用Mohr-Coulumn模型模擬，圍堰鋼結構按照線彈性模型考慮。海底土層基本處于飽和狀態，因此土體按飽和介質處理，土體參數取飽和土參數，圍堰鋼結構全部按剛度等效處理。表1為有限元模型參數表。

表1 有限元模型參數表

3.4 荷載與邊界條件

海床四周邊界采用水平約束，底部邊界采用固定約束。水域在基坑長邊一側施加初始水流速度和波浪要素，水流流向垂直于圍堰長邊。水流力、波浪力垂直作用于基坑圍堰的長邊方向。鋼板樁圍堰與海床地基之間設置接觸面，接觸面形式為硬接觸，摩擦系數為0.7，該接觸面模型保障樁土之間可以錯動滑移，可以分離，但不能相互刺入。

4 接收井圍堰結構變形分析

現通過數值方法計算分析不同海況條件下接收井圍堰的變形情況。根據設計要求，風力按7級考慮，風速13.9 m/s，需考慮兩種波浪水流條件：（1）平均最大波高1.5 m、周期4.3 s，水流流速為2 m/s；（2）平均波高0.5 m、周期3.1 s，水流流速為1 m/s。

在項目分析過程中，波浪由邊界制造輸入，因基坑內外均有海水作用，且因圍堰阻擋作用，坑內波浪衰減較大，波浪力較小。水流方向僅考慮單向（垂直于基坑長邊），波浪水流作用力為最大情況，計算結果理論上偏于安全。

（1）工況一（流速2 m/s，波浪高度1.5 m，波浪周期4.3 s）

圍堰內基坑開挖至5 m時，鋼板樁圍堰最大水平位移達到9.0 cm，發生在基坑內開挖面和海床泥面交界處。基底最大隆起量為7.2 cm。頂管連接段管底距坑底留有0.5 m空間，基底隆起不會影響頂管連接作業。

圖6 鋼板樁最大水平變形圖示（9.00 cm）

圖7 底部最大隆起變形圖示（7.2 cm）

（2）工況二（流速1 m/s，波浪高度0.5 m，波浪周期3.1 s）

圍堰內基坑開挖至5m時，鋼板樁圍堰最大水平位移達到6.78 cm（見圖8），發生在基坑內開挖面和海床泥面交界處。基底最大隆起量為6.87 cm（見圖9）。頂管連接段管底距坑底留有0.5 m空間，基底隆起不會影響頂管連接作業。

圖8 鋼板樁最大水平變形圖示（6.78 cm）

圖9 底部最大隆起變形圖示（6.87 cm）

5 結 論

徐圩新區達標尾水排海工程設計規模為：近期排放量8.57萬m3/d，遠期排放量11.83萬m3/d。項目海域工程范圍以入海點為界，DN1800頂管穿越現狀海堤，內襯DN1400排放管，在海上接收井內完成頂管管道與鋪管船工藝施工的DN1400管道銜接。本文介紹了不同管徑的管道頂管段與敷管段在海上的銜接關鍵技術，并對方案合理性和可靠性進行分析與計算復核，得到以下結論：

（1）排海管入海穿越現狀復堆河底及已建海濱大道海堤，可采用架管穿越和頂管穿越。架管穿越方案對現狀海濱大道通車形成影響，對堤外灘涂造成生態環境污染。該工程采用有較大埋深的頂管方案穿越大堤和灘涂進入外海較合理。

（2）DN1800鋼管頂管施工做好端頭封堵止水，穿越大堤處同步圍巖注漿加固。φ 1 800鋼管內噴射樹脂混凝土平臺，內套管穿管按設計要求焊接滑輪基腳，減少穿管時的阻力，內套管采用泡沫塑料包裹可以消除壓力管道使用時產生的震動。

（3）海上管道采用鋪管船敷管加沖射后開溝槽法相結合的施工工藝，工藝成熟合理，經濟可靠。

（4）海上管道銜接施工受到海上風浪及水位影響較大，海邊灘涂地區淤泥深厚，頂管管道與鋪管船工藝施工的管道銜接施工在海上接收井內完成，圍堰施工完成后即可在內部開挖出頂管端部，吊運出機頭，進行管道水下安裝連接。海上圍堰的實施降低了施工難度和風險，有效地控制了海上環境影響。

（5）通過有限元方法計算得到不同海況條件下接收井圍堰的變形情況，在水下土方開挖過程中，接收井圍堰結構最大水平變形量達9.00 cm，坑底最大隆起量為7.2 cm。鋼板樁圍堰結構整體變形可控，頂管連接段管底距坑底留有0.5 m空間，基底隆起不會影響頂管連接作業。

（6）數值計算方法對各鋼結構之間銜接均按剛性接觸處理。在現場施工過程中，應隨時檢查錨固節點，避免節點松弛，影響圍堰結構的整體作用。