管袋砂組合圍堰在海底管線潮間段施工應用

尹志剛

(中石化石油工程設(shè)計有限公司 項目管理中心,山東 東營 257026)

國內(nèi)江河和濱海水利工程經(jīng)常會用到臨時圍堰施工。沿海管袋充砂圍堰施工技術(shù)近期在中國有不少成功的工程實例。福建金山吹填砂圍堰工程[1]、溫州龍灣二期工程[2]、橫琴島澳門大學新校區(qū)海底專用隧道圍堰工程[3]、廣州南沙龍穴島北部海域圍堰工程[4]都使用管袋充砂圍堰技術(shù)。管袋充砂圍堰使用土工管袋充砂筑堰可以抵御濱海日常風浪潮位變化,結(jié)構(gòu)上滿足穩(wěn)定、防滲、抗沖施工要求,具有施工構(gòu)造簡單、拆除方便、經(jīng)濟合理的特點。茂名石化30萬t單點系泊新建海底輸油管線在登陸潮間段采用了管袋充砂圍堰與鋼板樁圍堰組合的方式,借鑒國內(nèi)濱海施工經(jīng)驗,完成了管線鋪設(shè)。

1 工程背景

茂名石化新建海底輸油管線處于南海之濱,與之前海底管線平行敷設(shè)(在之前管線北側(cè)50 m),是亞洲最大管徑的海底輸油管線系統(tǒng)。路由長度 15.49 km,其中海管長度15.28 km,陸管長度0.21 km。管線管徑Φ1219 mm,配重層厚130 mm/110 mm,單根重達30 t。無論是設(shè)計、管線涂覆配重、海上鋪管施工均為國內(nèi)首次。南海海域?qū)贌釒ШＱ笮约撅L與亞熱帶大陸性季風氣候,受西太平洋熱帶環(huán)流影響,海平面氣壓變化幅度大,氣候要素變化頻繁。海域氣溫高,年平均氣溫 22.8 ℃,雨量充沛濕度大,年均雨量 1 755.3 mm,年平均相對濕度81%。在復雜海浪氣候影響下,對登陸潮間段圍堰鋪管施工提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

施工期9月至12月盛行北～東北風,北方冷空氣與西太平洋暖濕氣流交匯形成的季風,對登陸近岸段影響強烈,時常還有臺風影響該海域。海域常年出現(xiàn)的風浪1.5 m以下的占70%,2.5 m以上的占4.2%。平均潮差為1.49 m,最大潮流流速0.4 m/s。因此臨時圍堰必須能夠耐受多次季風風暴潮的侵襲,強度要求高,保證圍堰筑起到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及40 m管線鋪設(shè)安全。

鋪管施工控制安全性要求高。由于新建管線與仍在運行的管線距離50 m,在進行管溝預挖、新管鋪設(shè)時需要較高的施工控制精度,精確定位運行海管的位置,圍堰要保護運行海管區(qū)域,防止鋪設(shè)新建管線管溝坍塌對運行管線的影響。

鋪管施工在水陸交界潮間段沙灘施工,灘涂存在承載力差、設(shè)備易傾覆、管溝支護困難、易塌方等特點。潮間段圍堰直接經(jīng)受海浪沖刷,海水滲流壓力高、出現(xiàn)管涌幾率高,易造成圍堰坍塌。

2 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于沿海軟基土工管袋圍堰施工,郭來娣等[4]對比了土工管袋與傳統(tǒng)砂袋圍堰的穩(wěn)定性,驗證了土工管袋對圍堰加筋作用有明顯效果,安全系數(shù)比傳統(tǒng)砂袋高，具有變形能力強,防沖效果明顯的特點;高峰[5]對濱海軟基膜袋圍堰穩(wěn)定性分析及沉降預測進行了研究,提出膜袋的抗拉強度對圍堰安全系數(shù)影響明顯,隨著抗拉強度增大,圍堰安全系數(shù)呈線性增加。登陸潮間段地層結(jié)構(gòu)5 m深度內(nèi),表層1.0～2.5 m主要由流塑狀淤泥質(zhì)砂、砂質(zhì)淤泥和稍密-中密狀砂,下部為中密-密實的中粗砂或黏性土質(zhì)砂和可塑-硬塑黏性土,材料豐富,適合土工管袋吹沙圍堰施工。

所采用土工布膜袋規(guī)格型號為200 g/m2,底層為70 m×20 m,吹砂成型后達到底寬20 m,頂寬至少4 m,共8層。

2.1 管袋砂圍堰方案

管線連接點在登陸零點前40 m處,首先在60 m處垂直于管線路由方向作為圍堰內(nèi)邊界線,向岸邊進行圍堰,圍堰分為3段,長度共計190 m。圍堰結(jié)構(gòu)布置圖如1所示。

圖1 圍堰結(jié)構(gòu)布置

(1)1#圍堰所在區(qū)域水深2～9 m,圍堰內(nèi)邊界線距離管線連頭位置有20 m安全距離,潮位按最高潮位3.5 m設(shè)計。

(2)2#圍堰起始位置距離新建管線路由20 m,保證土工布管袋形成的砂枕不直接著落在預挖管溝邊緣,避免造成管溝塌方,因運行管線區(qū)域已有拋石,圍堰區(qū)域受涌浪沖刷相對較小,水深0～2.5 m,土工布管袋寬12 m,頂寬4 m。

(3)3#圍堰域受涌浪沖刷較大,后續(xù)管線連接需要施工空間,選擇在新建管線路由東側(cè)25 m,平行于管線路由進行圍堰,水深0～2 m,土工布管袋底寬12 m,頂寬4 m。

2.2 海床處理

潮間段低潮期水深不超過0.5 m,在低潮期對海床進行處理。使用挖掘機挖一條深0.5～0.8 m的溝槽(橫跨管溝部分不進行處理)保證圍堰底部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。開挖溝槽時,對塊石、巖石等清除,明顯凹凸的地方進行整平,保證溝槽平滑,避免圍堰時土工管袋發(fā)生破損泄漏。

2.3 圍堰沉降觀測

圍堰設(shè)立三處沉降觀測點,采用沉降盤觀測圍堰沉降情況,如圖2所示。沉降盤底部鋼板置于第一層土工管袋下,穿過管袋連接。觀測鋼管露出頂層管袋的長度變化來反饋沉降情況,以及控制頂層土工布管袋的標高。

圖2 沉降觀測點布置

吹砂圍堰筑至設(shè)計高度后停止施工,停筑約48小時候觀察圍堰是否沉降,如有沉降按同樣的工藝再次修筑至設(shè)計高度。

2.4 鋼板樁圍堰

圍堰完成后,在距離內(nèi)側(cè)堰體6 m處打鋼板樁,鋼板樁采用12 m長鋼質(zhì)結(jié)構(gòu), 用打樁機貫入地下7 m,露出地面5 m,為增加堰體強度,在鋼板樁與堰體之間用紅土填充,用推土機將紅土推平并反復壓實,在管線岸拖牽引頭附近開始進行鋼板樁支護。鋼板樁圍堰如圖3所示。

圖3 鋼板樁圍堰

2.5 管溝開挖

管溝開挖深度為3.5 m,底寬4 m,坡度較緩不需要額外進行放坡處理。在已挖好的管溝內(nèi)修筑編織袋護坡,防止管溝坍塌和滲水,防止海砂遷移引起塌陷。編織袋護坡可有效地減少砂的流失,保護邊坡,同時也是人員進出管溝的安全通道。管溝兩側(cè)邊坡各設(shè)置1架10 m逃生梯,逃生梯距作業(yè)人員不超過4 m,緊急情況可方便人員出入和搶救疏散,保證在管溝內(nèi)施工人員的人身安全。

2.6 圍堰排水

圍堰沒有沉降后進行抽水,管溝內(nèi)放置抽水泵,邊抽水邊檢查,控制抽水速度,防止堰體底部粗砂地質(zhì)形成滲水通道。施工時若有漏水現(xiàn)象,在圍堰管線路由的一側(cè)開設(shè)引水渠和排水井,采用的排水泵進行降水、排水。

3 圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圍堰完成后,經(jīng)歷多次惡劣風暴潮變化過程,暴露出圍堰穩(wěn)定、沉降、防滲、防沖擊存在以下問題:

(1)圍堰南側(cè)面向南海開闊海域,直接受臺風等惡劣風浪侵襲,冬季季風季節(jié),涌浪增強,東南結(jié)合部受海浪沖擊猛烈,由于1#和2#堰體結(jié)合處在運行管線拋石區(qū)一側(cè),拋石區(qū)阻浪性能對堰體起到保護作用。1#、3#堰體結(jié)合部相對承受海浪強度大,極易被海浪沖垮。出現(xiàn)堰體下沉,管袋破裂、滲水。頂層堰體受高潮位海浪沖擊破裂,砂土流失。

(2)海底粗砂地質(zhì)透水性強,尤其圍堰結(jié)合部防滲效果差,堰內(nèi)排水難以達到管線連接條件。堰內(nèi)管溝開挖過程由于滲水,導致流沙黏土流失,排水降水困難;

(3)圍堰自修筑開始到施工完畢拆除至少需一個月時間,維持時間較長,抗風浪沖擊強度要求高。

提高堰體風浪抗沖擊性能,增加防滲效果是解決以上問題的關(guān)鍵。因此,重新對堰體結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化,優(yōu)化方案如下：

(1)3#堰體增加雙層堰體,垂直方向鋪設(shè)第四段加強堰體,提高堰體東南側(cè)結(jié)合部強度。

(2)堰體外圍增設(shè)護面保護結(jié)構(gòu),堰體頂層排列一層聚乙烯防護充砂噸袋(2方砂土),提高頂層堰體強度和抗浪性能,在外側(cè)均勻分布排列充砂噸袋,形成防護砂墻,提高堰體抗浪性能。尤其在1#、3#堰體結(jié)合部多重布設(shè)。

(3)圍堰增加防滲結(jié)構(gòu),每層鋪設(shè)防滲土工布,鋪設(shè)不得褶皺和破損,防滲土工布有效減少海水在堰體的滲透量。從坡頂?shù)狡轮河脟嵈潭▔悍€(wěn),圍堰外側(cè)鋪設(shè)土工布,包裹保護土工管袋,防止海浪和尖銳物品對管袋破壞。紅土換填前將粗砂地質(zhì)軟地基挖除,增加紅土換填高度并充分壓實,提高堰體底部阻水性能;提高防滲效果。

通過一系列優(yōu)化改進圍堰穩(wěn)定性、防滲、抗風浪能力達到了施工要求。2016年12月21日圍堰達到管線連接條件,安全平穩(wěn)完成施工。

4 結(jié) 論

(1)土工管袋砂圍堰施工迅速,取材方便,與鋼板樁圍堰結(jié)合,中間充填南方普遍的紅色黏土適宜在南海軟地基潮間段施工。但要充分考慮堰體抗風浪能力,加強堰體沉降觀測,提高堰體強度和防滲效果。

(2)充砂聚乙烯噸袋、鋪設(shè)土工布等措施對土工管袋砂圍堰保護阻浪效果明顯,聚乙烯材質(zhì)管袋具有韌性強不易斷裂的特點,在堰體外側(cè)、頂部均勻排列也能起到提高堰體強度的效果。

(3)本次圍堰期間經(jīng)歷了臺風“艾利”和多次冬季季風風暴潮潮位變化過程,沖垮一次、局部一側(cè)垮塌多次。運行管線拋石區(qū)對圍堰一側(cè)保護、阻浪效果作用明顯。如果圍堰前新建管線預挖溝先拋石回填一段,在管線正面形成拋石阻浪區(qū),預留60 m圍堰。圍堰時采取噸袋等對土工管袋砂圍堰的保護,圍堰維持時間會更長,抗沖擊強度更高,這也為今后沿海特別是面向外海開闊海域圍堰修筑提供了經(jīng)驗和思考。

[1] 賀躍武.吹填砂圍堰在洪塘泵站工程中的應用[J].湖南水利水電,2008(3):60- 63.

[2] 徐東海.管袋充砂圍堰設(shè)計與施工技術(shù)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2015(21):126-128.

[3] 馬永鋒.淤泥地基上模袋圍堰設(shè)計與關(guān)鍵性施工技術(shù)[J].人民長江,2007,38(2):32-34.

[4] 郭來娣,林陽.新型土工管袋和傳統(tǒng)砂袋圍堰岸坡穩(wěn)定計算結(jié)果的差異研究[J].中國水運,2016,16(9):296-297.

[5] 高峰.濱海軟基上膜袋圍堰穩(wěn)定性分析[J].巖土力學,2010,31(4):1233-1237.