抗漂浮、穩管技術在湖泊或河道穿越中的理論分析

武 靜 （中冶華天工程技術有限公司，江蘇 南京 210019）

0 導讀

隨著人們環保意識的提高，對青山綠水的訴求越來越多，直接排放的做法已不能被大眾接受，目前大多數的污水都進入了污水廠進行處理，但仍有一些老城區或是跨河道的小區域，生活污廢水不便收集，直接與雨水管道合用，未經處理就直接排放至就近人工湖泊或者河道，污染環境不說，也直接影響人的感官。近幾年國家政府對沒有經過處理就排入湖泊水體的污廢水普遍進行整改，對一些雨污合流的管道進行分流處理，污水必須經過處理達標才可排放，在此過程中就出現了一些問題，一些被河道等阻斷的區域需進行穿越河道才可接入收集管網。

1 技術概況

湖泊及河道穿越工程建成后必須保證管道安全、穩定運行，國內一般為大開挖穿越，建成后再通水，不得不考慮水系的沖淤變化給管道建成后的穩定運行帶來的風險。水下的穿越管道在沖淤變化下可能就達不到安全埋深，從而受到水流的浮力與動力的交叉作用，引起管段漂浮或者位移。因此水下管線穿越工程常采用混凝土連續覆蓋，裝配式混凝土加重塊、堆石壩等加重穩管措施提高管道運行的安全性和穩定性。

2 理論依據

目前國內外水下管道穿越常采用裸露敷設和溝埋敷設兩種方式，這兩種方式的計算如下：

裸露敷設：

溝埋敷設：

式中，

W

-單位長度水下管線重力，kN/m；

W

-單位長度加重穩管結構重力，kN/m；

F

-單位長度水下管線（包括防腐穩管結構）在水流作用下的水平推力，kN/m；

Fy

-單位長度水下管線（包括防腐穩管結構）在水流作用下向上的抬力，kN/m；

A

-單位長度水下管線（包括防腐穩管結構）在靜水中的浮力，kN/m；

F

-單位長度水下管線在彈性曲線敷設時的彈性力，kN/m；

f

-水下管線與管基的滑動摩擦系數；

K

-抗位移穩定系數，大型河流1.15～1.30，小型河流1.10～1.20；

K

-抗上浮穩定系數，大型河流1.10～1.20，小型河流1.10～1.15；

K

-安全系數，大型河流1.15～1.20，小型河流1.10～1.15。

對于大開挖方法進行的河流穿越工程，最小埋深應根據工程等級與設計洪水沖刷深度或疏浚深度要求確定，一般不小于1m。

當水下穿越管道埋深大于1m時，可不做抗位移計算，但應做抗漂浮核算：

W

-單位長度水下管線總重力（管道自重、配重、有效覆土，不含管內介質），N/m；

K

-穩定安全系數，大型河流1.2，小型河流1.1；

F

-單位長度管線浮力，N/m。

3 工程實例

以某改造項目為例，改造前的污水直接排入了旁邊的水塘內，導致水塘水質被嚴重破壞，本次改造將污水收集，排入市政污水管網中，因項目周邊可接入的排水口位于水塘對面，故決定采用將排水管道埋于塘底的方式，將周邊居民生活污廢水從河道底部穿過，排入附近市政管線，最終排入污水處理廠，實現在不污染居民生活區域自然河道水質的前提下環保排放污廢水的目的。

排水管道并非滿流，內有大量空氣，埋于塘底比其他管道更加容易漂浮起來。工程中常用的排水管道材質見表1，三種材質的管道在工程實踐中都需要做抗漂浮分析。預制混凝土管抗壓強度高，造價低適合在遠郊長距離排水工程中應用；鑄鐵管不但抗壓強度高，且方便運輸，適合市區且預算充足的項目；HDPE雙壁波紋管較前面兩種管材更易漂浮，但因其使用壽命長造價低的絕對優勢，使用率逐年提高，正因為如此，對排水管道抗漂浮分析顯得尤為重要，隨著工程應用領域計算分析工具及高級人力資源的引進，HDPE雙壁波紋管的使用瓶頸進一步縮小。

常用排水管材性能比較 表1

鑒于此，本文以HDPE雙壁波紋管抗漂浮分析為例，利用分析軟件，模擬管道在水下的運行工況，將抗漂浮運行結果通過分析軟件予以呈現，直觀明了地了解它的薄弱環節，以便采取正確的應對措施，防患于未然。

本例選用外徑500mm、壁厚2.8mm的HDPE雙壁波紋管裸露敷設的方式且埋深 300～500mm（不足1000mm），結合上節描述采用公式（1）進行抗漂浮分析。

3.1 建立三維模型

圖1 某河道埋管模型

HDPE雙壁波紋管單位長度為6000mm，該模型選取三節長度共18m作為研究目標，管道接頭采用柔性接口，橡膠類密封圈密封。

3.2 網格設置及載荷分布

圖2 埋管網格劃分

網格設置參數分別為：網格節點406822，元素202786，元素平均大小0.1，分級系數1.5，最大轉角30°；模型兩端平面即為自定義固定點；向下的箭頭中最中間的代表Wp，其余代表Wc，向上的箭頭為綜合浮力，表達式如下：

3.3 材料參數

見表2。

材料物理性能參數 表2

3.4 分析結果

3.4.1 應力分布

從圖3～圖5應力分布圖可知，管路系統等效應力集中在固定接頭處，其余位置應力分布較為均勻，從第一主應力分析得知，管道內部流動對管壁應力影響較為均勻，而第三主應力分析可以看出，管段漂浮應力主要來自管道外部水流產生的浮力。

圖3 等效應力分布

圖4 第一主應力分布

圖5 第三主應力分布

圖6 位移分布

3.4.2 位移分布

從位移分布可以觀察到，總長18m的管道模型，中間位置位移最為明顯，向兩邊依次遞減，且最大位移量275.4mm，較為明顯，則管道外部水流對管道周圍淤積沖刷明顯。

4 結論

①抗漂浮、穩管計算時，首先結合工程實踐判斷屬于第2節中第一類，然后正確選擇計算公式，如本工程實例屬于第一類，選對應的公式（1）進行分析計算；

②為增強管段抗漂浮能力，固定端應力較為集中，因此在設計及施工過程中，管段固定位置混凝土或者堆石與管段接觸端口易采用柔性連接以延長固定端使用壽命；

③經過本例分析得知，排水管內部流過的水量較小，管段內部流體流動對管道漂浮作用較小，管段漂浮受外部流體作用明顯；

④HDPE雙壁波紋管為聚乙烯材質，較金屬管彈性模量低了兩個數量級，受浮力作用后變形明顯，將加速淤積物流失，穩定性較差易導致漂浮，故該類材質管段固定端間隔不宜過長。如選用排水鑄鐵管等金屬管材，因管材本身的重量比較大，穩定性與抗浮性相較于聚乙烯管材要好，故可對固定間距稍微放松，但每節管段均應至少需要有一個固定點。

從上述分析即可看出，管道敷設于湖底時，最中間的位置即為最薄弱的環節，分別向兩側遞減，設計施工中應特別加重對中心位置的固定措施，固定措施也可向兩側遞減，各個接口也需連接密實，以便有更好的抗變形能力。對于水下工程來說，施工不易，檢修起來更加不易，因此在設計與施工時均需謹慎對待，盡可能地將危險因素消除在前期，減少后期檢修的概率。