沉管法在電廠取排水工程中的應(yīng)用

鄧 楠，修志福

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

沉管法在電廠取排水工程中的應(yīng)用

鄧 楠，修志福

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

本文對(duì)電廠取排水工程的沉管法主要計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，列舉沉管常見(jiàn)連接型式，并簡(jiǎn)介公（鐵）路工程中沉管隧道接頭型式為取排水工程沉管的密封性優(yōu)化提供借鑒參考。

沉管；穩(wěn)定計(jì)算；橫（縱）向計(jì)算；密封性；柔性；剛性；接頭

引 言

電廠取排水方式可分為明渠和暗涵。暗涵主要優(yōu)點(diǎn)為：1）基本可忽略波浪對(duì)取排水構(gòu)筑物安全的影響；2）對(duì)近岸潮流場(chǎng)基本不產(chǎn)生影響；3）相對(duì)明渠暗涵溫排水對(duì)周邊環(huán)境的影響較小。暗涵施工方法主要有沉管法、礦山法、盾構(gòu)法、頂管法和圍堰明挖法等。施工方法的選擇主要根據(jù)工程地質(zhì)、水文、埋深、沿線地下管線及構(gòu)筑物情況、斷面型式、施工條件以及工期要求等因素綜合確定。目前以沉管工法建造的取排水暗涵在電廠建設(shè)中的應(yīng)用日漸廣泛。沉管法的主要特點(diǎn)有：

1）對(duì)地基允許承載力要求不敏感，經(jīng)過(guò)論證后沉管隧道可修建在軟弱地基上；

2）相對(duì)于盾構(gòu)法、頂管法埋深要求不高，一般管段的頂部離海床1 m即可；

3）斷面空間利用率高，斷面類型靈活多變；

4）工序可平行作業(yè)縮短工期，如基槽開(kāi)挖、管段預(yù)制、浮運(yùn)沉放等可平行作業(yè)；

5）在預(yù)制管段接頭間可采用止水帶密封，大大提高密封質(zhì)量，其防水性能在優(yōu)于管片作襯砌的盾構(gòu)隧道。

1 沉管法計(jì)算

沉管法主要計(jì)算內(nèi)容可包括：沉管穩(wěn)定性分析、沉管基礎(chǔ)的穩(wěn)定性分析、沉管內(nèi)力計(jì)算和接頭設(shè)計(jì)計(jì)算等。

1.1 沉管穩(wěn)定性分析

影響海底沉管穩(wěn)定的因素有波浪和水流力（主要是潮流力）：

1）波浪對(duì)沉管的作用，按水深與波長(zhǎng)比值，可以分為深水、淺水、破碎和岸邊4個(gè)區(qū)段。

深水區(qū)段波浪作用微弱，可不考慮。其余區(qū)段波浪對(duì)海底管線的作用力包括浮托力和水平波浪力兩部分，水平波浪力由速度力和慣性力兩部分組成。

①波浪未破碎前（即d＞crd ）：

式中：H為波高（m）；L為波長(zhǎng)（m）；T為周期（s）；d為水深（m）；Z為水面至管中心的高度（m）；θ為相位角（°）；x為自波峰起算的水平距離（m）；t為時(shí)間（s）。

②當(dāng)波浪破碎（即d＜crd）時(shí)：

2）水流對(duì)沉管的作用，主要是指一般以潮流和風(fēng)海流為主形成的近岸海流，計(jì)算公式與波浪對(duì)沉管的作用相同，只是U由波浪水質(zhì)點(diǎn)的水平分速度替換為根據(jù)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的最大潮流流速。

3）波浪和水流作用計(jì)算后可根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中相應(yīng)公式計(jì)算沉管的穩(wěn)定性。

1.2 沉管基礎(chǔ)的穩(wěn)定性

沉管基礎(chǔ)的穩(wěn)定性主要考慮地基承載力、海流對(duì)沉管基礎(chǔ)沖刷和沉管支墩的穩(wěn)定性3個(gè)方面：

1）地基承載力計(jì)算可參照《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》和《港口工程地基規(guī)范》中的相應(yīng)公式。

2）海流對(duì)沉管基礎(chǔ)沖刷的穩(wěn)定性影響：波浪產(chǎn)生的底流速和潮流對(duì)沉管地基土存在沖刷作用。底流速的大小是動(dòng)力因素，而抵抗流速?zèng)_刷的是地基土體本身物理力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)土體的顆粒大小或粘結(jié)能力，有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算該土體的允許沖刷流速V。如果海流流速U＞V，則地基土存在沖刷危險(xiǎn)，如U＜V則認(rèn)為土體處于穩(wěn)定狀態(tài)（見(jiàn)圖1）。

目前工程中一般均在沉管頂部及兩側(cè)一定范圍設(shè)置覆蓋層，覆蓋層大多采用規(guī)格塊石。塊石規(guī)格可參照《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中根據(jù)流速選取相應(yīng)規(guī)格的護(hù)底塊石執(zhí)行，流速也應(yīng)考慮波浪產(chǎn)生的底流速和潮流流速兩部分。

圖1 沉管斷面

3）沉管在穿越巖礁地段或特定管節(jié)需要控制在某一合適的坡度內(nèi)，有時(shí)會(huì)采用管線墩座間隔地架空海底管線。應(yīng)指出此種型式從沉管受力情況和施工難度均會(huì)帶來(lái)不利影響，所以在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用水下架空管線形式。但在某些特殊情況下采用此種型式設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)計(jì)算以下問(wèn)題：支墩的地基承載力、支墩自身及地基穩(wěn)定性、支墩的不均勻沉降和支墩的間距。

1.3 沉管內(nèi)力計(jì)算

1）沉管作用荷載及組合：

永久作用包括自重、靜水壓力、回填土及覆蓋層產(chǎn)生的土壓力；可變作用包括正常工作時(shí)沉管內(nèi)流體壓力、試運(yùn)行時(shí)沉管內(nèi)流體壓力、沉管內(nèi)外溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、沉管不均勻沉降產(chǎn)生的內(nèi)力、均布荷載、可變荷載引起的土壓力；偶然作用主要有沉船（或拋錨）和地震時(shí)產(chǎn)生的慣性力、動(dòng)土壓力等荷載；短暫作用可考慮沉管預(yù)制時(shí)自重和吊沉?xí)r施工荷載。

上述荷載根據(jù)沉管所處的工作條件、環(huán)境條件等實(shí)際情況，有的同時(shí)作用，有的不可能同時(shí)作用，要按實(shí)際可能產(chǎn)生的荷載條件進(jìn)行組合后分別進(jìn)行計(jì)算，可考慮以下組合：

①沉管正常工作時(shí)受力+設(shè)計(jì)擬定的外荷載；

②沉管施工期各種狀態(tài)時(shí)受力+施工期的外荷載；

③沉管正常工作時(shí)受力+地震力；

④沉管正常工作時(shí)受力+沉船荷載。

2）橫斷面計(jì)算

鋼筋混凝土矩形橫斷面沉管隧道橫斷面多為多孔箱型框架。同其它超靜定結(jié)構(gòu)，箱形框架的機(jī)構(gòu)分析也必須經(jīng)過(guò)“假定結(jié)構(gòu)截面尺寸、分析內(nèi)力、修正尺寸、重算內(nèi)力和截面配筋”的多次循環(huán)。沉管一般縱向較長(zhǎng)、橫向較短，計(jì)算時(shí)可選取單位長(zhǎng)度1 m管節(jié)按彈性地基上平面應(yīng)變狀態(tài)的閉合框架計(jì)算。彈性地基的彈簧系數(shù)，可根據(jù)沉管基礎(chǔ)的墊層特性（常見(jiàn)為砂墊層、碎石墊層或混合砂漿墊層）和開(kāi)挖基槽的地質(zhì)情況分層加權(quán)法計(jì)算。然后可利用一般的平面桿系結(jié)構(gòu)分析通用程序計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖2 某電廠排水工程沉管準(zhǔn)永久組合外板（內(nèi)外側(cè)）彎矩

圖3 某電廠排水工程沉管準(zhǔn)永久組合外板（內(nèi)外側(cè)）剪力

3）縱向計(jì)算

縱向計(jì)算包括管節(jié)的縱向靜力計(jì)算和接頭強(qiáng)度、變形計(jì)算。

沉管縱向靜力計(jì)算模型為彈性地基梁，地層變形遵從溫克假定。模型假設(shè)不計(jì)土體的水平彈性抗力，僅考慮土體對(duì)沉管段的軸向變形和摩阻力且沉管的中心為不動(dòng)點(diǎn)?？v向靜力計(jì)算重點(diǎn)考慮基床系數(shù)不均勻、基礎(chǔ)處理質(zhì)量、接頭剛度等因素。

根據(jù)接頭剛度和管節(jié)剛度比的不同，可分為剛性接頭和柔性接頭。柔性接頭的抗彎剛度僅為管節(jié)本體剛度的 1/600～1/500，縱向內(nèi)力計(jì)算時(shí)可做鉸接點(diǎn)處理。剛性接頭可做固結(jié)點(diǎn)處理。

接頭主要應(yīng)計(jì)算沉管軸力、沉管內(nèi)外溫差變化引起的溫度應(yīng)力及變形量。

沉管縱向受力條件變化的規(guī)律：在沉管兩端的鉸接處，支座垂直沉降特性對(duì)沉管段內(nèi)力的影響僅限于臨近端部一定范圍內(nèi)，其余部分基本上不受此影響。當(dāng)基床系數(shù)均勻時(shí)，距兩端一定距離后沉管段中的內(nèi)力分布均勻。在基床系數(shù)發(fā)生變化處，沉管中會(huì)出現(xiàn)彎矩峰值?；蚕禂?shù)隨機(jī)不利分布時(shí)內(nèi)力也將隨機(jī)出現(xiàn)變化。相鄰基床系數(shù)相差越大，即兩種墊層的密實(shí)度懸殊時(shí)出現(xiàn)的彎矩峰值越大，表明墊層充填質(zhì)量不好會(huì)使沉管內(nèi)力明顯增加。

4）水密性計(jì)算

水密性計(jì)算主要為止水帶選型提供依據(jù)：

①計(jì)算接頭總位移量Δlt，由止水帶溫度變化伸縮量 Δlt1、干燥收縮位移量 Δlt2、基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的Δδt組成；

②計(jì)算每米止水帶受到的荷載F=水壓作用面積×設(shè)計(jì)水位至水壓力梯形中線距離×10/止水帶周長(zhǎng)；

③初選止水帶型號(hào)，根據(jù)廠家提供的應(yīng)力應(yīng)變曲線查出在F下的壓縮量δ；

④M=廠家提供的止水帶壓縮狀態(tài)下的松弛量+廠家提供的一定水壓下保證水密性的最小壓縮量+沉管兩端混凝土端面預(yù)制誤差；

⑤δ≥M代表止水帶選型合理。

2 取排水工程常見(jiàn)沉管連接型式

取排水工程中沉管根據(jù)施工條件可分為現(xiàn)澆沉管和預(yù)制沉管：現(xiàn)澆沉管連接型式較簡(jiǎn)單，預(yù)制沉管連接型式可采用榫槽搭接、承插對(duì)接和鍥型接頭等幾種型式。

2.1 現(xiàn)澆沉管連接

位于陸上或海陸交接處的沉管一般具備干施工現(xiàn)澆條件，對(duì)接精度較高且止水帶承壓較小，連接型式可在沉管澆筑前相鄰兩節(jié)沉管端截面上布置止水帶預(yù)埋件（見(jiàn)圖4）。

圖4 現(xiàn)澆沉管鏈接斷面示意

2.2 榫槽搭接

在沉管有止水帶預(yù)埋件的位置設(shè)置凹凸槽，相鄰兩節(jié)沉管在一側(cè)沉管頂板設(shè)置突出端部一定尺寸的懸臂，另一側(cè)沉管端部頂板向內(nèi)縮進(jìn)同樣尺寸。沉管在完成初次沉放后對(duì)接時(shí)，以凹凸榫槽、導(dǎo)向構(gòu)件和搭接懸臂作定位控制，輔助以起重船、鋼浮箱，并拉合千斤頂對(duì)橡膠止水帶進(jìn)行擠密達(dá)到接頭密封效果（見(jiàn)圖5）。

圖5 沉管榫槽搭接示意

2.3 承插對(duì)接

在相鄰兩節(jié)沉管的端部對(duì)外壁局部加厚一定尺寸，對(duì)接時(shí)以承插口為定位控制。由于接頭處壁厚空間較大，可布置雙層止水帶并預(yù)埋灌漿管，拉合千斤頂壓密止水帶后可在兩層止水帶間注漿灌縫。此種型式的密封效果較前者較好（見(jiàn)圖6）。

圖6 沉管承插對(duì)接示意

2.4 鍥型接頭

取排水構(gòu)筑物如遇單體自重過(guò)大，不具備拉合千斤頂擠密止水帶條件。對(duì)接時(shí)可采用如下型式：沉管端部做成斜截面，沉管沉放時(shí)利用自重對(duì)止水帶進(jìn)行初次擠密，后期可根據(jù)密封性需要在頂板和側(cè)板設(shè)置OMEGA止水帶進(jìn)行二次密封。此種型式接頭造價(jià)較高，一般適用于取排水構(gòu)筑物與最后一節(jié)沉管間的連接（見(jiàn)圖7）。

圖7 鍥型接頭示意

3 公（鐵）路工程中沉管隧道接頭型式

公（鐵）路工程中很多跨江（海）隧道也都采用沉管法建設(shè)，其中對(duì)水下管節(jié)間連接技術(shù)的密封性要求較高，接頭型式可分為剛性和柔性2種。剛性連接時(shí)鋼筋在接頭部位縱向連通，還設(shè)有加強(qiáng)鋼板，其強(qiáng)度和剛度與管段本身較接近。柔性接頭是采用允許轉(zhuǎn)動(dòng)和變位的方法，其結(jié)構(gòu)型式有多種。理論上就抗震設(shè)計(jì)或適應(yīng)不均勻沉降的要求而言，采用柔性接頭是有利的。柔性連接必須在接頭承受拉力和剪力的同時(shí)，仍能保證其可靠的水密性。

柔性接頭可在沉管管壁內(nèi)預(yù)埋預(yù)應(yīng)力鋼索，沉管對(duì)接時(shí)通過(guò)拉預(yù)應(yīng)力鋼索將剛沉放的管段拉向已沉管段，壓縮橡膠止水帶產(chǎn)生一定變形量初步止水；在初步止水效果確認(rèn)后可在沉管內(nèi)壁安裝OMEGA止水帶進(jìn)行永久止水（見(jiàn)圖8）。

圖8 沉管隧道柔性接頭示意

剛性接頭可由水力壓接實(shí)現(xiàn)：沉管端頭一般采用鋼殼結(jié)構(gòu)，沉管對(duì)接時(shí)用拉合千斤頂使橡膠止水帶壓縮一定程度，然后抽掉隔艙水，利用沉管自由端的巨大水壓形成初始密封。沿內(nèi)圈焊接連接鋼板、綁扎鋼筋、灌注混凝土，最后焊接最內(nèi)圈的連接鋼板（見(jiàn)圖9）。

圖9 沉管隧道剛性接頭示意

公（鐵）路隧道中的沉管接頭密封性、耐久性較高，可對(duì)取排水工程優(yōu)化提供借鑒參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）沉管法鑒于其特點(diǎn)在發(fā)電廠取排水暗涵工程中應(yīng)用日趨廣泛。

2）總結(jié)取排水工程中沉管主要計(jì)算內(nèi)容和常見(jiàn)的接頭型式。

3）公（鐵）路隧道中的沉管接頭密封性、耐久性較高，可對(duì)取排水工程優(yōu)化提供借鑒參考。

[1]沉管隧道設(shè)計(jì)與施工[M].

[2]海底管線設(shè)計(jì)與施工[M].

[3]JTS 145-2-2013海港水文規(guī)范[S].

[4]JTS 154-1-2011防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[5]中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組海域排水隧道及排出口施工圖設(shè)計(jì)[R].2011.

[6]中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.國(guó)投湄洲灣第二發(fā)電廠2×1 000 MW機(jī)組工程取排水工程施工圖設(shè)計(jì)[R].2014.

Application of Immersed Tube Method in Water Intake and Drainage Project of Power Plant

Deng Nan,Xiu Zhifu
(CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510230,China)

For the immersed tube method applied in water intake and drainage project of power plant,its calculation content is summarized and common connection patterns of two immersed tubes are listed.In addition,a brief introduction is made to the joint type of the immersed tube tunnel in highway (railway) projects,which will provide a reference for optimizing the sealing property of immersed tubes in water intake and drainage project.

immersed tube; stability calculation; transverse (longitudinal) calculation; sealing property; flexibility; rigidity; joint

X77

：A

：1004-9592（2016）06-0056-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160614

2016-07-01

鄧楠（1985-），男，工程師，主要從事港口航道工程設(shè)計(jì)與咨詢。