自浮橡膠排泥管工程應(yīng)用研究

楊志，周丙浩，李 晟

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

引言

自浮管是在排泥管周圍外包浮體材料，能獨(dú)立漂浮于水面的疏浚管系，具有浮力大，重量輕，占用體積小，易運(yùn)輸，安全，水動力性能好等優(yōu)點[1]，是現(xiàn)在絞吸式挖泥船輸泥管系的發(fā)展方向。秦崇仁[2]等人，對自浮式與浮筒式排泥管的穩(wěn)定性和抗風(fēng)浪能力進(jìn)行了比較研究;鐘培輝[3]等人，對自浮式輸泥管快速接頭進(jìn)行了設(shè)計研究；本文針對東帝汶帝巴灣某碼頭項目疏?；靥罟こ?，采用自浮橡膠排泥管與鋼管相結(jié)合的管線形式，對自浮橡膠排泥管的水動力性能和工程應(yīng)用情況進(jìn)行了研究分析。

1 工程背景與模型

1.1 工程背景

東帝汶帝巴灣新集裝箱碼頭項目疏?；靥罟こ?，距東帝汶帝力港約10 km。項目整體規(guī)模為2個7 000 TEU 集裝箱泊位，碼頭長度630 m，另有80 m 長拖輪碼頭，施工區(qū)平面示意圖如圖1 所示。

圖1 施工區(qū)平面示意圖

疏浚區(qū)域包括港池、碼頭泊位（含基槽）、拖輪泊位、額外取土區(qū)，總疏浚工程量534 萬m3。港池區(qū)設(shè)計深度-16 m，邊坡為1:5 或1:8；泊位區(qū)設(shè)計長度630 m，寬度70 m，疏浚深度-16 m；基槽設(shè)計底寬29 m，底長665.4 m，疏浚深度-19 m，基槽西側(cè)及北側(cè)邊坡1:5，東側(cè)邊坡1:8，南側(cè)邊坡1:3；設(shè)計拋泥區(qū)位于航道東北方向，距離口門約2.2 km，直徑500 m，拋泥區(qū)南部水深55～65 m，北部水深大于65 m。

吹填區(qū)面積約2.6×105 m2，吹填需在設(shè)計標(biāo)高基處上考慮預(yù)留20 cm 沉降，流失量按12 %估算，總回填量為318 萬m3。為滿足環(huán)保要求和便于吹填施工，共設(shè)置了4 條臨時圍堰。

1.2 模型參數(shù)

自浮橡膠排泥管漂浮材料與管體和外覆層牢固粘接在一起，自浮管接頭由法蘭和圓形筒體組成，管道之間采用法蘭螺栓連接。橡膠排泥管內(nèi)徑850 mm，設(shè)計工作壓力2.5～3.0 MPa，法蘭筒體部分內(nèi)襯層厚度40 mm，外覆層厚度20 mm；管接頭法蘭外徑1 120 mm，法蘭厚度50 mm，圓筒體厚度14 mm，螺孔個數(shù)24，中心圓直徑1 020 mm，孔徑33 mm。保壓時間≥45 min，設(shè)計工作壓力下，橡膠排泥管長度變化率-2 %～5 %；1.5 倍設(shè)計工作壓力下，橡膠排泥管長度變化率-2 %～7.5 %；最小爆破壓力應(yīng)不低于設(shè)計工作壓力的3 倍。漂浮材料密度0.1～0.11 g/cm3，吸水率1.5 %～2 %；23℃×72 h、25 %壓縮率下，壓縮永久變形≤35 %；100℃×5 h 下，熱萎縮率≤10 %。

2 自浮管水動力特性分析

2.1 工況條件

帝巴灣海灣內(nèi)風(fēng)浪較弱，主要為4 級風(fēng)，風(fēng)速5～7.5 m/s，東南向；半日潮，最高潮位+2.6 m，平均大潮高潮位+2.4 m，平均大潮低潮位+1.5 m，平均海平面+1.35 m，平均小潮高潮位+1.2 m，平均小潮低潮位+0.3 m，最低天文潮高程0.0 m；水流也比較小，通常在0.2 m/s 以下，近海處沿著暗礁，流速有時會達(dá)到0.5 m/s。

帝巴灣水域主要由珊瑚礁盤和澙湖構(gòu)成，珊瑚礁盤區(qū)鉆孔結(jié)果顯示為珊瑚砂，細(xì)顆粒含量大小不均，分布無明顯規(guī)律，澙湖區(qū)鉆孔結(jié)果顯示-16 m以上均為淤泥和粘土，兩種土體材質(zhì)差異顯著，邊界線大致可按等深線確定，等深線稠密的區(qū)域為珊瑚礁邊坡，等深線稀疏的區(qū)域為潟湖區(qū)。

2.2 計算模型

一節(jié)浮管管段由直徑1.77 m、長11.8 m 自浮橡膠管和直徑0.886 m、長6.0 m 的鋼管組合而成。按帝巴灣實測流速分布圖，分別模擬潮流流速0.3 m/s和0.5 m/s 時，11.8 m 自浮橡膠管、6.0 m 鋼管的垂向流阻。根據(jù)浮管安裝位置和輸送泥漿時的浮管實測位置，將浮管漂浮狀態(tài)分為2 種，分別為自浮橡膠管漂浮于水面體積為10 %和25 %：

自浮橡膠管①漂浮于水面體積為10 %時，自浮橡膠管水面以下深度為1 490 mm，鋼管全部浸沒于水下，水面至管頂?shù)纳疃葹?62 mm。

自浮橡膠管②漂浮于水面體積為25 %時，自浮橡膠管水面以下深度為1 245 mm，鋼管水面以下深度為803 mm。

根據(jù)浮管模擬狀態(tài)和模型尺寸，自浮橡膠管的直管段模型建立、坐標(biāo)系及網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 ANSYS 計算模型

兩種浮管狀態(tài)下的模型參數(shù)如表1 所示。

表1 模型參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

1）幅值響應(yīng)算子RAO

幅值響應(yīng)算子RAO 是反映微幅波條件下管線運(yùn)動響應(yīng)的重要參數(shù)，針對工程需要，計算分析90°浪向下，管道的橫蕩運(yùn)動和一階波浪力。計算水深取50m，管道位置?、佟ⅱ趦煞N狀態(tài)，計算頻域為0～3 rad/s，計算步長為0.1 rad/s。如圖3 所示，為90°浪向下，橡膠浮管和鋼管的橫蕩頻率響應(yīng)曲線。

圖3 橫蕩RAO

由上圖可知，90°浪向下，橡膠浮管的橫蕩響應(yīng)總體較高，隨著頻率的增加，橫蕩幅值明顯降低；鋼管的橫蕩響應(yīng)總體較低，輸送泥漿時，橡膠浮管和鋼管的橫蕩響應(yīng)均有所增加；1 rad/s～3 rad/s 頻率區(qū)段內(nèi)，橡膠浮管和鋼管的橫蕩響應(yīng)幅值均位于5以下，穩(wěn)定性與耐波性能較好。

2）波浪一階力

如圖4 所示，為90°浪向下，橡膠浮管和鋼管y方向上的波浪一階力頻率曲線。由圖可知頻率為 1.5 rad/s 時，橡膠浮管所受一階波浪力最大，可達(dá)21 000 N/m，此時需提高管道接頭處的檢查頻率，降低管線影響率，提高疏浚時間利用率；頻率為 2.2 rad/s 時，鋼管所受一階波浪力最大，但總體受力較小，均在1 200 N/m 之內(nèi)，影響較小。

圖4 波浪一階力Fy—F-K+diffraction force

3）流載荷

根據(jù)工況條件和實測流速分布圖，本工程主要考慮流速為0.3 m/s 和0.5 m/s 時，管段所受的流載荷，如表2 所示，排泥時自浮橡膠管段所受的流載荷最大，流速為0.3 m/s 時，所受流載荷為1 589.5 N；流速為0.5 m/s 時，所受流載荷為4 415.28 N。

表2 流載荷

根據(jù)浮管所受流載荷、波浪一階力和具體施工地形，本工程管線采用4 點系泊方式，每兩根一組對稱布置。

3 工程應(yīng)用

3.1 管線調(diào)遣

東帝汶的運(yùn)輸公司規(guī)模小，運(yùn)輸速度慢，帝力港需要使用貨船自帶的吊機(jī)卸貨，且泊位有限，有滯港危險。根據(jù)工程背景，結(jié)合自浮橡膠管浮力大，重量輕，占用體積小，易運(yùn)輸，能經(jīng)受住拖輪碰、頂、撞且調(diào)遺、排管方便等優(yōu)點，最終確定采用自浮橡膠管與鋼管相結(jié)合的管線形式，委托國際物流公司承擔(dān)管線運(yùn)輸與調(diào)遣。

3.2 管線布置

絞吸開挖淤泥外拋施工浮管長度約3.5 km。浮管鋪設(shè)時，先將浮管在靠近施工區(qū)約4 km 的帝力海灘區(qū)域拼接，然后拖運(yùn)至現(xiàn)場；浮管管線布置呈近似流線型彎曲，不可形成死彎；每隔100 m 設(shè)浮管錨固定浮管，漲、落水錨間隔布設(shè)；浮管留有足夠的富余長度，在重載之下仍然要露出水面以上，以保證絞吸船的施工需求。

岸管采用汽車裝運(yùn)，陸路運(yùn)輸進(jìn)入施工現(xiàn)場，沿各回填區(qū)的圍堰鋪設(shè)進(jìn)入吹填區(qū)內(nèi)，多采用岔管及三通管，以減少接管及延伸管線的時間，提高船舶的時間利用率。在吹填區(qū)東側(cè)布設(shè)1 個管線登陸水陸管架，管架設(shè)置牢固，水陸管架與浮管用橡膠軟管連接，沉管用鋼絲繩八字形固定在岸上或拋錨固定，防止因漂動將接頭拉脫。

3.3 應(yīng)用分析

2019 年4 月4 日A1 區(qū)開挖，挖深-16 m，排距1 101～1 229m，排壓 11 bar，實測疏浚方量 108 179.3m3，平均挖泥時間利用率62 %，最高時率72 %，管線影響8.3 %，對時間利用率總體影響不大；2019 年4 月13 日C 區(qū)開挖，挖深-7.5 m，排距1 229～1 571 m，排壓在11 bar，實測疏浚方量 178 007.3 m3，平均挖泥時間利用率58 %，最高時率92 %，管線影響1 %，大大降低了管線對施工時間的影響；2019 年4 月30 日外拋施工，排距 3 012 m，850 mm 噴口布置于水下-14 m，平均時間利用率71 %，最高時率90 %，管線影響0 %；總體上，管線對施工的影響較低，基本可保持連續(xù)施工，效果較好。

4 結(jié)語

1）帝巴灣水域采用自浮橡膠管與鋼管相結(jié)合的潛管形式，不影響水域船舶通行，同時避免管線遇海底障礙彎曲從而影響疏浚效率；管段由直徑1.77 m、長11.8 m 自浮橡膠管和直徑0.886 m、長6.0 m 的鋼管組合而成；1 rad/s～3 rad/s 頻率區(qū)段內(nèi)，橡膠浮管和鋼管的橫蕩響應(yīng)幅值均位于5 以下，穩(wěn)定性與耐波性能較好。

2）自浮橡膠管段所受一階波浪力最大可達(dá) 21 000 N/m，排泥時所受最大流載荷4 415.28 N，根據(jù)具體施工地形采用4 點系泊方式。

3）浮管管線布置呈近似流線型彎曲，不可形成死彎；每隔100 m 設(shè)浮管錨固定浮管，漲、落水錨間隔布設(shè)；浮管留有足夠的富余長度，在重載之下仍要露出水面以上，以保證絞吸船的施工需求。

4）管線對施工的影響為0 %～8.3 %，基本可保持連續(xù)施工，應(yīng)用效果較好。