泉州市某碼頭建設(shè)工程跨海堤疏浚管道安全分析

孟偉龍

(遼寧澤峰水利規(guī)劃設(shè)計有限公司，沈陽 110004)

0 引 言

近年來我國沿海的港口建設(shè)、吹填造地等項目發(fā)展迅速，但多數(shù)為非水工專業(yè)主導(dǎo)項目，對海堤的安全運行及保護成為項目建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。以中化泉州100萬噸/年乙烯及煉油改擴建項目配套碼頭建設(shè)項目為例，重點分析跨海堤輸泥管線在設(shè)計方案中對水工專業(yè)不足部分的分析和補充，提出全面的安全穩(wěn)定分析計算及震動影響的分析，并給出建議補救措施，對可能存在的風(fēng)險進行排查，確保海堤的安全運行。通過對安全穩(wěn)定計算等技術(shù)問題的分析與求解過程，為其他行業(yè)涉水項目的運行安全提供分析思路與方法。

1 配套輸泥管線安全分析過程

1.1 工程概況

1.1.1 跨堤管線

為完成中化泉州100萬噸/年乙烯及煉油改擴建項目配套碼頭工程建設(shè)，滿足項目區(qū)擴建配套碼頭及5000噸級液體散貨船全潮通航要求，擬實施項目應(yīng)對1-8#泊位前沿水域進行疏浚，對停泊水域、回旋水域及進港航道進行疏浚施工，需完成停泊水域、回旋水域及進港航道疏浚設(shè)計。通過絞吸船連接管道，將沿海一帶淤泥通過管線輸送至海堤背水側(cè)區(qū)域，擬鋪設(shè)的疏浚管線跨堤處位于2#海堤K2+880樁號。

1.1.2 現(xiàn)狀海堤情況

疏浚管線跨越段海堤(K2+880)為土石混合堤，采用復(fù)合斜坡式斷面，堤頂為漿砌塊石結(jié)構(gòu)，堤頂寬度為2.70m；混凝土防浪墻墻高0.8m；臨海側(cè)在4.50m高程設(shè)置3.0m寬消浪平臺，平臺上部坡比為1∶2.5，采用加糙丁砌條石護坡，平臺下部坡比為1∶2.0，采用丁砌條石護坡。背水坡為干砌塊石護坡，坡度為1∶1.75。背海側(cè)5.30m高程寬度6.0m為的瀝青道路，供工程自身檢修運行維護使用。海堤原設(shè)計為3級堤防，防潮標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇。

1.2 管線跨堤方案解讀

1.2.1 管線及布置

疏浚工程施工工藝為絞吸船挖泥，布設(shè)管道吹泥至納泥區(qū)。擬從已建泊由水上跨海堤轉(zhuǎn)至陸上，疏浚管道采用Φ700mm和Φ800mm鋼管(跨堤段為Φ800mm)，接頭為法蘭螺栓連接。疏浚管道從海堤里程為K2+880處跨越，管道由水上轉(zhuǎn)為陸上布設(shè)，并埋設(shè)橫穿疏港大道。

1.2.2 管線施工

按照“挖近吹遠(yuǎn)、挖遠(yuǎn)吹進”的原則，合理布置船舶、管線平面位置，優(yōu)化船舶吹填排距。疏浚管道于堤外平臺和堤頂平臺上放線定位支架搭設(shè)平面位置，從下至上依次鋪設(shè)15cm厚碎石墊層、2cm厚橡膠墊、1.2cm厚鋼板，于鋼板上焊接腳手架，并于腳手架頂端焊接鋼板用于后續(xù)放置管線，最后在墊層四周用20cm寬的混凝土進行固定。

1.3 跨堤方案安全分析

通過碼頭建設(shè)單位提供相關(guān)的布置管線方案及施工方法，從水工角度應(yīng)進行全面的安全分析與評價，通過管線施工及運行期間可能產(chǎn)生的工況，進行荷載分析，并計算海堤在多種工況下的迎、背水坡安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求，并對其運行過程中產(chǎn)生無法量化計算的震動荷載進行分析，以確保海堤在跨堤管線施工及運行期間的安全性。

1.3.1 堤面荷載影響評價

吸泥管直接放置于海堤之上，所產(chǎn)生的荷載直接作用于海堤主體結(jié)構(gòu)，荷載包括自重荷載和震動荷載兩種傳遞給現(xiàn)狀海堤。輸泥管支架底座自上而下依次為鋼板、橡膠墊、碎石墊層,可有效擴散集中荷載,減小對海堤的影響,并起到防震的作用,不會破壞海堤堤身防滲體結(jié)構(gòu)。

除海堤堤頂至迎水坡拋石頂采用支架支撐外,吹砂管跨海堤管段基本貼海堤坡面鋪設(shè),本次荷載計算將吹砂管對海堤的作用力簡化為貼坡面鋪設(shè)管段的分布荷載及支架處的集中荷載,選取管道跨堤處海堤橫斷面進行受力分析,則該處亦視作管道對堤身的集中荷載。疏浚吹泥管道跨堤處均采用Φ800mm鋼管，現(xiàn)對跨堤段DN800鋼管進行荷載計算。

1)分布荷載

DN800鋼管(壁厚δ=15mm),單根管空管自重297.7kg/m，即2.977kN/m。砂濕容重取20kN/m3，砂重G=3.14×0.42×20=10.048KN/m，輸泥管工作時對海堤的分布荷載為：

(10.048+2.977)/cosα=15.04KN/m(α為坡面與水平面夾角,30°)。

2)集中荷載

集中荷載位于海堤的支架及防浪墻上，其中3號鋼架位于堤頂，堤頂段管長2.7m，該位置荷載由3號鋼架和混凝土防浪墻共同承擔(dān)，間距大致相當(dāng)，故3號鋼架荷載(G3)和混凝土防浪墻集中荷載(G3`)為2.7×13.025/2=17.58KN,1號鋼架及2號鋼架計算自重荷載，其中

G1=(4.6+4.4+1)×13.025×(4.4+2.3)/(1+4.6+4.4)=87.27kN

G2=(4.6+4.4+1)×13.025×(1+2.3)/(1+4.6+4.4)=42.98kN

1.3.2 荷載對海堤整體穩(wěn)定影響分析

為分析吹砂管荷載對海堤整體穩(wěn)定的影響程度，將吹砂管荷載加載到海堤上進行抗滑穩(wěn)定計算。對跨堤處海堤斷面進行計算，計算方法：

堤身穩(wěn)定計算采用水工邊坡結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)。程序在計算方法方面采用瑞典條分法。瑞典法計算公式。

計算結(jié)果：未設(shè)疏浚管道情況設(shè)計高潮位、設(shè)計低潮位及地震工況安全系數(shù)分別為1.28、1.32、1.25；增設(shè)吹砂管情況設(shè)計高潮位、設(shè)計低潮位及地震工況安全系數(shù)分別為1.23、1.25、1.13。由計算結(jié)果可知，吹砂管跨堤處現(xiàn)狀臨水、背水坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足原設(shè)計3級堤防要求。(正常運用情況下≥1.20，地震工況下≥1.05)；將按上述方法進行簡化后的疏浚管道加載到海堤上之后，在相同計算模式及工況下，海堤現(xiàn)狀臨水、背水坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)亦滿足要求，且加載后堤身整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)差別不大[1]。

1.3.3 輸送震動影響評價

根據(jù)已實施的相似工程運行情況，輸泥管輸送時震動輕微，啟動、停止歷時均約為30min，有緩沖過程緩慢啟停，不存在緊急啟動、緊急剎車的情況，施工過程中應(yīng)合理安排施工組織，科學(xué)采用施工工藝，對海堤位移進行同期監(jiān)測。

由于吸泥管規(guī)模較小，結(jié)構(gòu)重量較輕，且作為臨時結(jié)構(gòu)不會長期作用于堤防上，故自重對于海堤穩(wěn)定影響很小。而吸泥管施工過程中造成的動荷載作用，勢必對海堤的斷面穩(wěn)定及安全運行產(chǎn)生負(fù)面影響，將對堤基土層產(chǎn)生不同程度擾動，此動載的作用時間及幅度隨機性較大，無法定量計算，但由于本項目區(qū)地處范圍為地震區(qū)，根據(jù)《泉州市惠安縣外走馬埭海堤提及加固工程初步設(shè)計報告》，該地區(qū)原海堤抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第三組。原海堤已考慮地震荷載作用，其堤身已考慮抗震設(shè)計，故震動情況對海堤影響較小，同時施工過程中通過加強監(jiān)控與觀測，合理安排工期避開臺汛等措施可以進一步降低風(fēng)險。綜上所述，該管線產(chǎn)生的荷載對現(xiàn)狀海堤影響很小。

2 管線安全分析思路與方法

通過以上分析與評價的過程，對跨堤管線的安全分析思路方法總結(jié)如下：

2.1 收集跨堤方案設(shè)計資料，掌握總體方案布置

通過資料收集，掌握管線布置的基本情況，對整體布局有個清晰的脈絡(luò)，為下一步的計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為整體定性分析做鋪墊。

2.2 解讀跨堤施工設(shè)計方案，計算工況穩(wěn)定參數(shù)

通過整體布局方案，解讀跨堤段詳細(xì)施工設(shè)計內(nèi)容，提出建設(shè)及運行期堤防跨堤段可能發(fā)生的工況進行分析，結(jié)合堤防在不同工況下的水位遭遇情況，繪制各類工況下的受力分析圖，并進行整體穩(wěn)定計算。

結(jié)合本次案例，通過對管道建設(shè)前后的高潮位、低潮位、地震工況組合計算，可以分析出在不同受力情況下的堤防安全穩(wěn)定參數(shù)，注意堤防迎背水坡均可能發(fā)生失穩(wěn)，在計算中須全面考慮計算范圍，本次案例列出結(jié)果為左右岸最小計算值，通過現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范進行參考，判斷方案是否安全可行。

2.3 對可能產(chǎn)生的不利影響進行定性分析，提出化解風(fēng)險相關(guān)措施

結(jié)合總體布置方案，對很難量化計算的可能產(chǎn)生的威脅進行定性分析，諸如管道啟動及關(guān)閉輸砂可能產(chǎn)生的水錘震動，可以通過調(diào)整運行調(diào)度等方式降低風(fēng)險，并提出水工專業(yè)補救措施建議，通過專業(yè)化手段化解風(fēng)險。

2.4 運行監(jiān)測及后評價

項目在運行后，對期間出現(xiàn)的情況進行及時反饋與總結(jié)，形成聯(lián)動機制，對即時發(fā)生的問題第一時間處理，事后對工程運行及補救情況總結(jié)反思，為以后相關(guān)工程的實施提供經(jīng)驗與保障[2]。

3 跨堤管線工程建議措施

根據(jù)本次碼頭建設(shè)單位提供疏浚管道施工方案的分析與評價，明鋪跨堤管線，減震措施及防滲措施難免過于粗放，額外考慮堤防道路震動影響，從水工角度分析提出補救措施如下：

3.1 管線防滲措施

疏浚管道采用接頭為法蘭螺栓連接建議優(yōu)化。建議明確在每節(jié)吹砂管線法蘭盤之間采用優(yōu)質(zhì)橡膠做墊圈，法蘭螺栓宜均采用高強度螺栓。在管線外包裹兩層防水布，萬一管線滲水，水不會沖刷堤身，影響堤身安全及穩(wěn)定。

3.2 消除水錘措施

建議在絞吸船上安置壓力表及流速表，實時監(jiān)控管線運輸狀態(tài)，并在吹砂管上每隔500m設(shè)置一個活塞裝置，自動排氣，如果出現(xiàn)堵管或者水錘現(xiàn)象，可以立即停止吹砂作業(yè)，進行管線排查。

4 結(jié) 語

近年來我國沿海的港口建設(shè)、吹填造地等項目發(fā)展迅速，但多數(shù)為非水工專業(yè)主導(dǎo)項目，針對海堤的安全運行及保護成為項目建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。文章論述了中化泉州100萬噸/年乙烯及煉油改擴建項目配套碼頭工程疏浚管道跨海堤施工對外走馬埭海堤的安全影響及分析評價全過程，通過對跨堤輸泥管線各類工況的穩(wěn)定分析計算，確定其工程安全性及可靠性，對運行工況震動影響進行分析，提出相關(guān)安全措施方案，對堤防交叉施工管理提供技術(shù)參考。文章通過對安全穩(wěn)定計算等技術(shù)問題的分析與求解過程，為其他行業(yè)涉水項目的運行安全提供分析思路與方法，提出分析其安全量的定性計算方法及定性震動穩(wěn)定分析思路，并提出水工專業(yè)相關(guān)防滲及消除水錘的專項補救措施，并給出建議補救措施，對可能存在的風(fēng)險進行排查，確保海堤的安全運行，對非水工行業(yè)項目涉水安全分析提供了借鑒，具有一定指導(dǎo)意義。