淺談排海HDPE管配重工程設(shè)計(jì)

黃柯

【摘要】排海管道受到浮力、海流力和海浪力的影響，往往需要可靠、經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)管措施，保證管道的下沉性能和在鋪設(shè)位置的穩(wěn)定性能。本文介紹了HDPE管混凝土配重塊的設(shè)計(jì)方法，為今后的類(lèi)似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】排海管道；混凝土塊配重；穩(wěn)定性計(jì)算；設(shè)計(jì)

排海工程是充分利用海洋水體的輸移擴(kuò)散和自?xún)裟芰M(jìn)行污水處理，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。相對(duì)于陸上的污水處理，海洋具有巨大的環(huán)境容量和較低的處理成本。

海底管道的管材選擇，必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和海上鋪管的施工要求，同時(shí)選用最經(jīng)濟(jì)的管材。HDPE管與其他傳統(tǒng)管材比較具有如下優(yōu)點(diǎn)：綜合造價(jià)、維護(hù)運(yùn)行成本低；良好的耐海水腐蝕性，使用壽命長(zhǎng)；延展性好，通過(guò)自身的移動(dòng)和彎曲適應(yīng)強(qiáng)水流的沖擊；柔韌性好，能適應(yīng)水下天然地形，管道能直接鋪設(shè)于較平坦的海床上?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，HDPE管越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到排海工程領(lǐng)域。

排海管道在淺海和半淺海區(qū)，從安全性和穩(wěn)定性方面考慮往往需要將管道鋪設(shè)在基槽中。而在深海區(qū)波浪對(duì)管道的作用力已經(jīng)很小，管道只要較輕的配重也能保持穩(wěn)定。配重塊的設(shè)計(jì)包括配重塊重量、間距、型式等。HDPE管配置的配重塊需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：

a. 對(duì)于浮沉法施工的管道，負(fù)重管能起浮并漂移到指定位置；

b. 能滿(mǎn)足管道的下沉性能，且具有較高的施工效率；

c. 直接鋪設(shè)在海床上能滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求；

d. 能滿(mǎn)足安全施工要求，避免管道在施工過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力和變形。

1.漂浮的最大配重

HDPE管的密度和水相近，浮力由管內(nèi)的空氣提供。管道產(chǎn)生的浮力與管道自身重量和配重塊的水中質(zhì)量相等時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，既不下沉也不上浮。深海區(qū)的壓重可取管道排水量的20%～50%。

2.自由下沉

HDPE管到達(dá)預(yù)定的管線位置時(shí)，開(kāi)始下沉操作。一般考慮管道的重量（含配重）為浮力1.1～1.2倍，即可滿(mǎn)足工程鋪設(shè)的要求。過(guò)快的下沉速度容易使管道產(chǎn)生振動(dòng)和壓屈失穩(wěn)，通常推薦的下沉速度為0.3～0.5m/s。

3.保持水下穩(wěn)定性的最小壓重

鋪設(shè)在海床上的管道受到海流力和海浪力的作用，通常管道內(nèi)還積聚有一定量的空氣，需要對(duì)管道的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。管道受力如圖1所示：

垂直方向力平衡方程為：FN = Wcw + Ww + Wp + Wa - FB - FL

式中：FN - 海床的反作用力；Wcw -混凝土配重塊的水中重量；Ww - 管道內(nèi)水的重量； Wp - 管道在空氣中的重量； Wa - 管道空氣的重量，可忽略；FB - 管道的浮力；FL - 管道的升力。

管道保持穩(wěn)定應(yīng)使水平方向的摩擦力大于等于拖力，即：Ff ≥ FD ，其中 Ff = μFN 。由上式可知，求得拖力FD和升力FL，既可驗(yàn)算管道的穩(wěn)定性。式中：μ - 海床摩擦力系數(shù)。

3.1 海流力

管道受海流力的作用時(shí)，受到的力可以分解為：水平方向上的拖力FD；垂直方向上的升力FL。升力隨著管道與海床的間距增加而減小，當(dāng)間距為0.5D（D為管道外徑）時(shí)，升力大約是管道直接鋪設(shè)在海床升力的10%。為減小管道的升力，設(shè)置配重塊后的管道應(yīng)使管道最底點(diǎn)距離海床不小于0.5D。

3.2 波浪力

深海區(qū)波浪破碎的深度小于管道鋪設(shè)的深度，一般深度大于15m可不考慮波浪力的作用，故可只校核海流力。

4.配重塊的間距

控制配重塊之間的間距，主要目的是限制管道的應(yīng)力和變形，過(guò)大的變形會(huì)增加空氣在管道中積聚。減小配重塊之間的間距，可增加管道的鋪設(shè)深度，分散海床上的載荷，減小管道在外載荷作用下移動(dòng)的可能，并且能使管道沉降過(guò)程更為順利，但過(guò)小的間距會(huì)影響鋪設(shè)效率。管道公稱(chēng)直徑DN≤300 mm，配重塊間距可取為1.5～3m；300 mm

5.配重塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配重塊一般采用適當(dāng)增強(qiáng)的混凝土制作，可制作成各種形狀，如需增加海床的摩擦力，可依次選擇圓形、方形、星形。管道在下沉過(guò)程中或在錨定地區(qū)受海流、海浪力較大時(shí)，為防止管道的扭曲和滾動(dòng)，可采用下重上輕的平底結(jié)構(gòu)。配重塊一般由上下兩部分組成，并配置提升吊耳，方便制作和安裝。配重塊和管道之間設(shè)有保護(hù)層并能防止配重塊的滑移。此外配重塊的設(shè)置還與施工方法相關(guān)，施工過(guò)程中必須滿(mǎn)足管線鋪設(shè)張力的要求。

6.工程實(shí)例

剛果鉀肥工廠產(chǎn)生的廢棄物主要為固體狀態(tài)的NaCl和廢鹵，廢鹵的主要成分為MgCl2，廢棄物成分與海水成分基本相同， 可通過(guò)管道直接排入海洋。排放管道采用DN450的HDPE管，公稱(chēng)壓力1.6MPa，管內(nèi)流速約為1m/s。排放管伸入海洋約1000m，離岸600m為淺海區(qū)，管道埋于基槽內(nèi)，埋深2m。管端600m～1000m處，平均深度為18m，HDPE管設(shè)置混凝土配重塊，直接敷設(shè)于海床上，管道最底點(diǎn)距離海床0.3m。配重塊尺寸為800×800×350mm，方形，間距為5m。

7.結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)排海管道的海上施工費(fèi)用占工程造價(jià)的比例較高。而采用HDPE管顯著的降低了工程費(fèi)用，并能鋪設(shè)在傳統(tǒng)管道無(wú)法鋪設(shè)的場(chǎng)合。HDPE管的大部分工作量是混凝土配重塊的制作和安裝，因此合理設(shè)計(jì)配重塊具有較大的經(jīng)濟(jì)意義。

相對(duì)于剛性管道，HDPE管道本身的柔韌性能很大程度上減小地震對(duì)管道的破壞，而服務(wù)年限內(nèi)極值風(fēng)浪的影響將是排海管道穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)。

近年來(lái)管道的自埋技術(shù)有進(jìn)一步發(fā)展，可以進(jìn)一步減小管道配重，增加管道的穩(wěn)定性，這將是以后排海管道設(shè)計(jì)的工作方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張玉川等.《水中鋪設(shè)塑料管道的市場(chǎng)分析和專(zhuān)用技術(shù)》.北京塑料工業(yè)協(xié)會(huì)，2006.