海底取排水工程玻璃鋼管受力特性試驗研究

戈龍仔，劉針，陳漢寶

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，港口水工建筑技術國家工程實驗室，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

1 概述

近年來，隨著東南亞國家火電廠建設的迅速發(fā)展，電廠取排水對海底埋設輸水管道的選材也在不斷優(yōu)化，相較于傳統(tǒng)的鋼管和混凝土箱涵，新型的玻璃鋼管具有重量輕、耐腐蝕、防海生物附著、使用壽命長等技術優(yōu)點，使其在取排水工程中的應用日益廣泛[1-2]，在良好的地質條件下，玻璃鋼管與邊界之間適應性強[3-4]。但這類管道在含泥量較大的淤泥質海岸，且存在波浪循環(huán)荷載連續(xù)作用條件下，工程上出現(xiàn)了一些上浮斷裂的事故，因此考慮工程的安全性，有必要對其上浮規(guī)律、受力過程做進一步研究。前期倪偉杰、Kumar A V、李玉成等[5-7]學者通過模型試驗，獲得了一些在回填軟土中管道上浮力初步成果，另外陳漢寶等[8]、Magda W[9]針對一些工程案例總結和分析了關于淺海埋管的上浮力風險控制部分因素，而對于波浪循環(huán)荷載作用下海底管道的受力特性和變化過程則很少考慮，對此本次研究結合越南沿海二期2伊660 MW燃煤電廠采用玻璃鋼管項目，分別針對施工回填過程中的疏浚物對輸水管道的影響，以及施工完成營運期，開展了玻璃鋼管受力特性物理模型試驗研究。試驗結果可為類似沿海電廠海底玻璃鋼管取排水項目的安裝設計提供依據(jù)，以及為運營期的安全穩(wěn)定提供技術保障。

2 試驗條件

2.1 基本參數(shù)

玻璃鋼管尺寸為：內直徑3.0 m，壁厚73.7 mm，重量1 476.0 kg/m?；鄢叽纾焊? m，底寬為8 m，頂寬28 m，邊坡為1頤2，管道縱向長度每節(jié)為16.0 m。

由現(xiàn)場提供底質結果，以及參考陳漢寶等、Magda W[10]和Zang Z P等[11]研究成果，管道易上浮，上浮時泥水混合物密度籽=1.3 t/m3左右。因此試驗選擇了籽=1.3 t/m3和籽=1.5 t/m3兩種密度泥水混合物進行對比驗證。

2.2 試驗組合

施工期，為了能更好地了解施工中回填疏浚泥水混合物是否對管道產生上浮，模型上按不考慮波浪疊加影響，僅向懸浮于水中管道單、雙側回填泥水混合物，觀測此時管道是否有上浮現(xiàn)象，產生上浮后，進行管道上浮力測量，由得到的力變化結果來揭示管道上浮規(guī)律，確定試驗組合為：淤單側回填籽=1.3 t/m3泥水混合物；于單側回填籽=1.5 t/m3泥水混合物；盂雙側回填籽=1.3 t/m3泥水混合物。

營運期，考慮管道已受固結密實的回填物覆蓋，模型上簡化采用管箍對管道進行固定，管道周圍泥水混合物密度籽=1.3 t/m3，此時考慮外部動力因素波浪、周期和水深變化的影響，測量其波浪力，來揭示管道沿程受力情況，為管道沿程不同樁間距設計固定樁抗拔力計算提供基礎數(shù)據(jù)，確定試驗組合見表1。

2.3 模型設計與制作

模型按重力相似準則設計[12-13]，采用定床、正態(tài)，幾何比尺為20。試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院風浪流水槽中進行，水槽長68 m，寬1.0 m，高1.5 m，造波能力為最大造波水深1.0 m、波高0~35 cm、周期0.5~5.0 s，見圖1。

試驗采用不規(guī)則波，試驗中頻譜采用JON原SWAP譜（酌=3.3）。玻璃鋼管制作采用足夠剛度的PVC管進行模擬，管道采用兩側封堵方式，同時依據(jù)現(xiàn)場滿管水重和管道總重按照比尺進行折算，通過充水和管道內均勻配置鋼筋條進行配重，保證其重量、重心與原體一致。泥水混合物配置，采用泥漿機攪拌、沉淀，最終得到所需高濃度的泥水混合物密度試樣，試驗開始前，為防止固結，再次攪拌均勻，同時為能更真實反映現(xiàn)場施工情況，試驗模擬了每次抓斗回填泥水混合物的量，以及前、后兩次間隔時間即抓斗量為15 m3/次和間隔時間5.0 min/次，模型布置見圖2。

圖2 模型布置圖Fig.2 Model layout

2.4 上浮力測定與方法

施工期玻璃鋼管上浮力測定，利用自主研發(fā)拉壓力測力系統(tǒng)進行測量，該套測力系統(tǒng)由拉壓力傳感器和多組定滑輪組成，試驗前采用標準砝碼對該系統(tǒng)進行率定，試驗時預先給系統(tǒng)纜繩初始拉力，保證其懸浮狀態(tài)，測量由懸浮至上浮達到動態(tài)平衡整個過程。

運營期玻璃鋼管波浪力測定，采用在管道中部周圍位置均勻布置12個點壓力傳感器（即P1~P12測點），采用TK2008型動態(tài)壓力測量系統(tǒng)進行采集分析，利用式（1）統(tǒng)計得到單位長度管道受總力，管道上測點布置見圖3。

圖3 壓力測點布置圖Fig.3 Layout of pressure point on the FRP pipe

3 試驗結果與分析

3.1 施工期玻璃鋼管受力試驗

3.1.1 上浮規(guī)律的揭示

基于玻璃鋼管在泥水混合物中上浮試驗為試驗室內首次，對于管道是否產生上浮，首先進行了試探性試驗，發(fā)現(xiàn)回填物增加后管道上浮，并最終以動態(tài)平衡狀態(tài)懸浮于混合物中某個位置，與現(xiàn)場玻璃鋼管出現(xiàn)上浮事故是吻合的，表明實驗室配置的泥水混合物密度是合適，也揭示了玻璃鋼管存在上浮的規(guī)律，因此基于管道上浮事實，進行以下上浮力測量。

3.1.2 回填不同密度及方式試驗

1）單側回填籽=1.3 t/m3泥水混合物

隨著基坑內泥水混和物的增加，管道經過63 min后開始產生上浮力，變化值約為1.65 kN/m，至大約91 min時，力迅速加大，該上升階段持續(xù)時間為25 min，至116 min后力不再增加，基本趨于動態(tài)平衡狀態(tài)，統(tǒng)計整個上浮力變化值為23.66 kN/m，力隨時間變化過程見圖4。由管道力與時間變化趨勢，可得出在泥水混合物中上浮運動過程為：初始穩(wěn)定階段寅緩慢起動階段寅快速上浮階段寅最終震蕩平衡穩(wěn)定階段。

2）單側回填籽=1.5 t/m3泥水混合物

現(xiàn)象同上，該密度條件下，管道經過75 min后開始產生上浮力，隨后上浮力迅速加大，加大階段持續(xù)時間約為50 min，至125 min后基本趨于動態(tài)平衡狀態(tài)，統(tǒng)計整個上浮力變化值為49.54 kN/m，力隨時間變化過程見圖4。得到管道在該密度下上浮運動過程為：初始穩(wěn)定階段寅緩慢起動階段寅快速上浮階段寅震蕩平衡穩(wěn)定階段。

圖4 單、雙側回填與上浮力隨時間變化關系Fig.4 Relationship between buoyancy and time in different back filling ways

3）雙側回填籽=1.3 t/m3泥水混合物

隨著回填物雙倍增加，管道經過35 min后開始產生上浮力，隨后上浮力迅速加大，上浮階段持續(xù)時間約為18 min，統(tǒng)計整個上浮力變化值為25.29 kN/m；與單側回填不同為，兩側回填加劇動態(tài)平衡下震蕩幅度和時間，震蕩持續(xù)時間約為63~116 min，震蕩過程力變化值約為3.30 kN/m；力隨時間變化過程見圖4。得到管道上浮運動過程為：初始穩(wěn)定階段寅緩慢起動階段寅快速上浮階段寅劇烈震蕩階段寅緩慢震蕩平衡穩(wěn)定階段。

施工期將不同泥水混合物密度和回填方式受力結果統(tǒng)計對比見表2。由表2結果可知：淤相同回填方式，泥水混合物密度越大，則鋼管受力越大，上浮力持續(xù)的時間基本相同，但啟動的時間晚；于采用不同回填方式，雙側回填時上浮啟動和持續(xù)時間均縮短，穩(wěn)定時間段增加了；時間與回填速率不是成倍關系，但最終兩者玻璃鋼管上浮受力基本相同；盂玻璃鋼管受上浮力僅與泥水密度有關，與所采用的回填方式影響不大。

表2 不同密度和回填方式玻璃鋼管受力結果對比Table 2 Comparison result of force of FRP pipe with different density and back filling

3.2 運營期玻璃鋼管受力試驗

1）不同波高H作用

不同波高作用下，管道受力結果見表3。由表3中結果可知：淤玻璃鋼管受力與入射波高成正比關系，且有水平力大于上托力，最大水平力、上托力分別為10.36 kN/m和3.65 kN/m；于對比玻璃鋼管周圍各測點壓強分布，頂部測點（P1）壓強大于底部（P7），迎浪側（P4）大于背浪側（P10），最大壓強表現(xiàn)在迎浪側P4測點為4.94 kPa。盂因玻璃鋼管埋填在基槽泥水混合物中，受泥沙水掩護，從統(tǒng)計的受力結果來看，玻璃鋼管所受水平力和上托力分別在15 kN/m和5 kN/m范圍內。

表3 不同波高作用下管道受最大波浪力結果Table 3 Maximum wave forces under different wave condition

2）不同周期作用試驗

不同周期作用下，管道受力結果見圖5，由圖上變化規(guī)律可知：淤受力與入射波周期成正比關系，但變化不明顯，均有水平力大于上托力，最大分別為8.62 kN/m和2.88 kN/m。于各測點壓強對比，頂部測點（P1）壓強大于底部（P7），迎浪側（P4）大于背浪側（P10），最大壓強P4測點為4.27 kPa。盂管道所受波浪力總體較小。

圖5 管道受力隨周期T變化關系Fig.5 Relationship between FRP pipe stress and T

3）不同水深作用試驗

不同水深作用下，玻璃鋼管受力結果見圖6，由圖上變化規(guī)律可知：淤受力與水深成反比關系，隨著水深d的增加而減??；且有水平力大于上托力，最大分別為10.36 kN/m和4.16 kN/m；于各測點壓強對比，頂部測點（P1）壓強大于底部（P7），迎浪側（P4）大于背浪側（P10），最大壓強P4測點為4.33 kPa。盂管道所受波浪力總體較小。

圖6 管道受力隨水深d變化關系Fig.6 Relationship of FRP pipe stress and d

根據(jù)試驗得到，營運期玻璃鋼管所受波浪力與波高H、周期T成正比關系，與水深d成反比關系，統(tǒng)計分析管道受水平力、上托力與波高H、周期T和水深d的之間關系見圖7和圖8，擬合管道受力F與波高H、周期T和水深d三者關系式如下：

式中：Fx、Fz分別為管道所受水平力和上托力。

圖7 水平力與波高周期水深的變化關系Fig.7 Relationship between the horizontal force of FRP pipe and H,T,d

圖8 浮托力與波高周期水深的變化關系Fig.8 Relationship between the vertical force of FRP pipe and H,T,d

3.3 玻璃鋼管工程適用性分析

為了將試驗數(shù)據(jù)方便應用工程設計，因此將試驗數(shù)據(jù)推導出相應的經驗公式，為類似工程設計提供基礎數(shù)據(jù)。

1）管道固定樁抗拔力經驗公式

為保證管道在泥水混合物中穩(wěn)定性和防止上浮，設計往往需設置固定樁進行加固，其樁的抗拔力取值則取決于管道受到的浮力以及內部水、自重合力，而浮力的設計取值往往存在一定困難，由本次試驗結果可知，浮力可取試驗中施工期管道達到動態(tài)平衡的上浮力和波浪作用下整體上浮力合成的最大值，為便于工程上應用，因此將上浮力折算為單位長度玻璃鋼管體積的相對密度，以及系數(shù)k1之間的關系，最終得出不同間距L的樁抗拔力公式。

其中：

式中：F為單位長度上浮力，kN/m；酌1為泥水混合物重度，kN/m3；酌2為海水重度，kN/m3；酌3為玻璃鋼管材料重度，kN/m3；D1為玻璃鋼管外徑，m；D2為玻璃鋼管內徑，m；D3為玻璃鋼管中心與水面的距離，m；l為波長，m；d為水深，m；H為波高，m；Fumax為波浪引起上浮力的最大值，kN/m；F0為初始浮力值，kN/m；k1為比例系數(shù)，試驗得出k1=0.98；S為玻璃鋼管的橫截面面積，m2；L為樁間距，m。

2）管道縱向沿程浮力經驗公式

對于營運期，從實驗結果發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼管縱向所受波浪力與波浪引起的上浮力存在較明顯的比例關系，因此推導出關于Fu與系數(shù)k2之間的關系公式。

式中：Fu為波浪引起上浮力，kN/m；k2為比例系數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到2.63；L為不同樁間距，m；S為管道橫截面積，m2。

4 結語

通過對海底取排水工程玻璃鋼管受力特性試驗研究，可得出以下結論：

1）玻璃鋼管具有重量輕、耐腐蝕、防海生物附著、使用壽命長等技術優(yōu)點，但易產生上浮事故，試驗也揭示了淤泥質玻璃鋼管存在上浮事實，與現(xiàn)場吻合。

2）施工期條件下，試驗通過回填不同密度混合物和不同回填方式對比研究，得到：淤泥水混合物回填方式相同，則密度大，管道受力則大；上浮持續(xù)時間基本相同，但密度大上浮啟動晚；于回填速率加快，則上浮啟動和持續(xù)時間均縮短，但穩(wěn)定時間增加；上浮的時間與回填速率不成倍數(shù)關系，受力大小與速率變化也不明顯。

3）營運期條件下，不同波高、周期、水深組合試驗作用，得到：淤玻璃鋼管受力與波高、周期成正比關系，與水深成反比關系，且推導出力與三者間的關系式；于管道上各測點壓強分布均有頂部大于底部，迎浪側大于背浪側的特征，最大在迎浪側。

4）為了便于工程應用，根據(jù)試驗結果推導出了不同樁間距設計固定樁抗拔力和管道縱向沿程浮力的經驗公式。