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)濟的穩(wěn)管措施，保證管道的下沉性能和在鋪設位置的穩(wěn)定性能。本文介紹了HDPE管混凝土配重塊的設計方法，為今后的類似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】排海管道；混凝土塊配重；穩(wěn)定性計算；設計

排海工程是充分利用海洋水體的輸移擴散和自凈能力進行污水處理，達到保護環(huán)境的目的。相對于陸上的污水處理，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，必須滿足設計和海上鋪管的施工要求，同時選用最經(jīng)濟的管材。HDPE管與其他傳統(tǒng)管材比較具有如下優(yōu)點：綜合造價、維護運行成本低；良好的耐海水腐蝕性，使用壽命長；延展性好，通過自身的移動和彎曲適應強水流的沖擊；柔韌性好，能適應水下天然地形，管道能直接鋪設于較平坦的海床上?；谏鲜鰞?yōu)點，HDPE管越來越廣泛的應用到排海工程領(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在基槽中。而在深海區(qū)波浪對管道的作用力已經(jīng)很小，管道只要較輕的配重也能保持穩(wěn)定。配重塊的設計包括配重塊重量、間距、型式等。HDPE管配置的配重塊需要滿足以下幾個要求：

a. 對于浮沉法施工的管道，負重管能起浮并漂移到指定位置；

b. 能滿足管道的下沉性能，且具有較高的施工效率；

c. 直接鋪設在海床上能滿足穩(wěn)定性要求；

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

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，達到平衡狀態(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管到達預定的管線位置時，開始下沉操作。一般考慮管道的重量（含配重）為浮力1.1～1.2倍，即可滿足工程鋪設的要求。過快的下沉速度容易使管道產(chǎn)生振動和壓屈失穩(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，需要對管道的穩(wěn)定性進行校核。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，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，當間距為0.5D（D為管道外徑）時，升力大約是管道直接鋪設在海床升力的10%。為減小管道的升力，設置配重塊后的管道應使管道最底點距離海床不小于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力和變形，過大的變形會增加空氣在管道中積聚。減小配重塊之間的間距，可增加管道的鋪設深度，分散海床上的載荷，減小管道在外載荷作用下移動的可能，并且能使管道沉降過程更為順利，但過小的間距會影響鋪設效率。管道公稱直徑DN≤300 mm，配重塊間距可取為1.5～3m；300 mm

5.配重塊結(jié)構(gòu)設計

配重塊一般采用適當增強的混凝土制作，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。管道在下沉過程中或在錨定地區(qū)受海流、海浪力較大時，為防止管道的扭曲和滾動，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有保護層并能防止配重塊的滑移。此外配重塊的設置還與施工方法相關(guān)，施工過程中必須滿足管線鋪設張力的要求。

6.工程實例

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， 可通過管道直接排入海洋。排放管道采用DN450的HDPE管，公稱壓力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管設置混凝土配重塊，直接敷設于海床上，管道最底點距離海床0.3m。配重塊尺寸為800×800×350mm，方形，間距為5m。

7.結(jié)語

傳統(tǒng)排海管道的海上施工費用占工程造價的比例較高。而采用HDPE管顯著的降低了工程費用，并能鋪設在傳統(tǒng)管道無法鋪設的場合。HDPE管的大部分工作量是混凝土配重塊的制作和安裝，因此合理設計配重塊具有較大的經(jīng)濟意義。

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

近年來管道的自埋技術(shù)有進一步發(fā)展，可以進一步減小管道配重，增加管道的穩(wěn)定性，這將是以后排海管道設計的工作方向。

參考文獻：

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