海底管道海上接收井圍堰設計研究

鄒 恒，馬如彬，董蕃宗

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

在工業園區經濟快速發展的同時，環境問題不容忽視，水污染的治理，直接制約社會和經濟的持續發展。達標尾水排海工程能夠充分利用海洋的環境功能，在不污染海洋環境的基礎上，更好地保障陸域水環境，對工業園區的建設具有重要的意義。

徐圩新區達標尾水排海工程設計流量：近期排放流量8.57萬m3/d，遠期排放流量11.83萬m3/d。設計排海管道DN1400，須穿越現狀海堤，沿設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狀海堤到達一定水深的灘涂，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、海堤及漁業養殖區等保護要求較高的建構筑物，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，減小海上施工風險和水下土方開挖量，擬采用雙排鋼板樁圍堰搭設海上接收井，在接收井內開挖基坑，水下作業完成管道連接。

1 建設條件分析

1.1 設計水位

根據《污水排海管道工程技術規范》（GB/T 19570—2017），污水排海管道環境條件重現期應按50 a設計。該工程排放口設計高水位為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，該海域實測最大波高約為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東側近岸區域，海域岸灘屬于淤泥質海岸，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

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

表1 各土層物理力學特性一覽表

2 海上接收井結構設計

2.1 頂管段管道結構設計

達標尾水排海管道是地下永久性隱蔽工程設施，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《污水排海管道工程技術規范》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狀海堤，管道內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，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，內套DN1400鋼管，內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生的自身震動對海堤堤身的影響，管壁與土堤結合處不會因震動而產生滲水問題。

2.2 鋪管段管道結構設計

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

威廉·萊斯等作家敏銳地反映了建設全球性生態文明的緊迫訴求，其中的問題框架是我們發掘發揮馬克思生態思想的有益線索，其提出的許多觀點對于我們樹立人類命運共同體意識、建設美麗中國也具有啟發價值。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制的主體即政治經濟學批判當中，堅持不同于萊斯等西方學者看待生態問題的科學的馬克思主義政治經濟學立足點。〔本文受到江蘇省2016年度普通高校學術學位研究生科研創新計劃項目“新中國初期主流意識形態的構建及其歷史經驗研究”(項目號:KYZZ16_0482)資助〕

2.3 海上圍堰結構設計

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，減小海上施工風險和水下土方開挖量，該工程采用雙排鋼板樁圍堰搭設接收井，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，在圍護內側開挖基坑，采用水下作業方式完成管道連接。

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，圍堰內側坑底高程-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。內外兩排鋼板樁之間采用?140，壁厚10 mm的鋼管做支撐，鋼管內采用?40鋼拉桿將內外兩層鋼板樁拉緊。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。材質為Q235B，允許應力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 鋼板樁圍堰強度計算

根據以上接收井鋼板樁圍堰結構設計方案，對設計方案的合理性和可靠性進行分析與計算復核。

圍堰結構設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、抗傾與抗滑穩定計算，以及拉桿與鋼板樁的內力計算。

3.1 鋼板樁入土深度計算

鋼板樁入土深度應滿足內側鋼板樁踢腳穩定，對鋼板樁下一道拉桿安裝點以下的圍護結構作為脫離體，將作用于圍護結構上的外力進行力矩平衡分析，從而求得抗傾覆分項系數：

3.2 堰體寬度計算

堰體寬度應滿足抗剪、抗傾要求。

抗剪穩定驗算采用美國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為內摩擦角。

抗傾穩定：

式中：G為堰體每延米重；T為每延米鋼板樁與土的摩阻力。

經過復核，圍堰的入深度、堰體抗剪與抗傾穩定均滿足設計要求。

3.3 拉桿與鋼板樁內力計算

鋼板樁內力采用變位法進行計算，在外力作用下，內外側兩道鋼板樁產生變位，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梁受到的內力，對鋼板樁和鋼導梁的強度進行復核。

4 數值計算分析

通過數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構內力，設計風力7級，設計風速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。

數值模型需足夠幾何尺寸以滿足數值計算的精度要求，鋼板樁圍堰結構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。鋼板樁圍堰結構距離模型四周邊界不小于一倍波長，順水流方向不小于十倍波長，取60 m。

圍堰鋼結構選擇線彈性模型（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。海床地基本構關系選擇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。

圖5 材料模型剖面圖

圖6給出了水流波浪長期穩態作用下拉桿的最大主應力，上層內支撐的最大主應力為20.9 MPa，下層內支撐的最大主應力為56.5 MPa。總體上內支撐應力遠小于內支撐鋼管材料的抗拉抗壓強度。

圖6 水流波浪長期穩態作用下拉桿的最大主應力圖示

5 結論

為減小海上管道銜接施工對于鄰邊因素的影響，減小海上施工風險和水下土方開挖量，該工程采用雙排鋼板樁圍堰搭設接收井，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計的主要內容，并對方案合理性和可靠性進行分析與計算復核，分別采用變位法和有限元方法對結構內力進行計算。對比之下，認為兩種方法計算得到的支撐內力結果均在合理范圍之內，并滿足設計強度要求。

雙排鋼板樁圍堰結構設計涉及到樁土作用和超靜定問題，通過一定假設，采用變位法求解結構內力，為圍堰結構中的鋼結構選型或設計復核提供了一種有效方法。