戈龍仔，劉針，陳漢寶

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

1 概述

近年來(lái)，隨著東南亞國(guó)家火電廠建設(shè)的迅速發(fā)展，電廠取排水對(duì)海底埋設(shè)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(zhǎng)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，使其在取排水工程中的應(yīng)用日益廣泛[1-2]，在良好的地質(zhì)條件下，玻璃鋼管與邊界之間適應(yīng)性強(qiáng)[3-4]。但這類(lèi)管道在含泥量較大的淤泥質(zhì)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(duì)其上浮規(guī)律、受力過(guò)程做進(jìn)一步研究。前期倪偉杰、Kumar A V、李玉成等[5-7]學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)，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(duì)一些工程案例總結(jié)和分析了關(guān)于淺海埋管的上浮力風(fēng)險(xiǎn)控制部分因素，而對(duì)于波浪循環(huán)荷載作用下海底管道的受力特性和變化過(guò)程則很少考慮，對(duì)此本次研究結(jié)合越南沿海二期2伊660 MW燃煤電廠采用玻璃鋼管項(xiàng)目，分別針對(duì)施工回填過(guò)程中的疏浚物對(duì)輸水管道的影響，以及施工完成營(yíng)運(yùn)期，開(kāi)展了玻璃鋼管受力特性物理模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果可為類(lèi)似沿海電廠海底玻璃鋼管取排水項(xiàng)目的安裝設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以及為運(yùn)營(yíng)期的安全穩(wěn)定提供技術(shù)保障。

2 試驗(yàn)條件

2.1 基本參數(shù)

玻璃鋼管尺寸為：內(nèi)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(zhǎng)度每節(jié)為16.0 m。

由現(xiàn)場(chǎng)提供底質(zhì)結(jié)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(shí)泥水混合物密度籽=1.3 t/m3左右。因此試驗(yàn)選擇了籽=1.3 t/m3和籽=1.5 t/m3兩種密度泥水混合物進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2.2 試驗(yàn)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(duì)管道產(chǎn)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(cè)回填泥水混合物，觀測(cè)此時(shí)管道是否有上浮現(xiàn)象，產(chǎn)生上浮后，進(jìn)行管道上浮力測(cè)量，由得到的力變化結(jié)果來(lái)揭示管道上浮規(guī)律，確定試驗(yàn)組合為：淤單側(cè)回填籽=1.3 t/m3泥水混合物；于單側(cè)回填籽=1.5 t/m3泥水混合物；盂雙側(cè)回填籽=1.3 t/m3泥水混合物。

營(yíng)運(yùn)期，考慮管道已受固結(jié)密實(shí)的回填物覆蓋，模型上簡(jiǎn)化采用管箍對(duì)管道進(jìn)行固定，管道周?chē)嗨旌衔锩芏茸?1.3 t/m3，此時(shí)考慮外部動(dòng)力因素波浪、周期和水深變化的影響，測(cè)量其波浪力，來(lái)揭示管道沿程受力情況，為管道沿程不同樁間距設(shè)計(jì)固定樁抗拔力計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定試驗(yàn)組合見(jiàn)表1。

2.3 模型設(shè)計(jì)與制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[12-13]，采用定床、正態(tài)，幾何比尺為20。試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)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(jiàn)圖1。

試驗(yàn)采用不規(guī)則波，試驗(yàn)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(jìn)行模擬，管道采用兩側(cè)封堵方式，同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滿管水重和管道總重按照比尺進(jìn)行折算，通過(guò)充水和管道內(nèi)均勻配置鋼筋條進(jìn)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(jī)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(yàn)開(kāi)始前，為防止固結(jié)，再次攪拌均勻，同時(shí)為能更真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)施工情況，試驗(yàn)?zāi)M了每次抓斗回填泥水混合物的量，以及前、后兩次間隔時(shí)間即抓斗量為15 m3/次和間隔時(shí)間5.0 min/次，模型布置見(jiàn)圖2。

圖2 模型布置圖Fig.2 Model layout

2.4 上浮力測(cè)定與方法

施工期玻璃鋼管上浮力測(cè)定，利用自主研發(fā)拉壓力測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，該套測(cè)力系統(tǒng)由拉壓力傳感器和多組定滑輪組成，試驗(yàn)前采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行率定，試驗(yàn)時(shí)預(yù)先給系統(tǒng)纜繩初始拉力，保證其懸浮狀態(tài)，測(cè)量由懸浮至上浮達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡整個(gè)過(guò)程。

運(yùn)營(yíng)期玻璃鋼管波浪力測(cè)定，采用在管道中部周?chē)恢镁鶆虿贾?2個(gè)點(diǎn)壓力傳感器（即P1~P12測(cè)點(diǎn)），采用TK2008型動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行采集分析，利用式（1）統(tǒng)計(jì)得到單位長(zhǎng)度管道受總力，管道上測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 壓力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of pressure point on the FRP pipe

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 施工期玻璃鋼管受力試驗(yàn)

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(yàn)為試驗(yàn)室內(nèi)首次，對(duì)于管道是否產(chǎn)生上浮，首先進(jìn)行了試探性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)回填物增加后管道上浮，并最終以動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)懸浮于混合物中某個(gè)位置，與現(xiàn)場(chǎng)玻璃鋼管出現(xiàn)上浮事故是吻合的，表明實(shí)驗(yàn)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(shí)，進(jìn)行以下上浮力測(cè)量。

3.1.2 回填不同密度及方式試驗(yàn)

1）單側(cè)回填籽=1.3 t/m3泥水混合物

隨著基坑內(nèi)泥水混和物的增加，管道經(jīng)過(guò)63 min后開(kāi)始產(chǎn)生上浮力，變化值約為1.65 kN/m，至大約91 min時(shí)，力迅速加大，該上升階段持續(xù)時(shí)間為25 min，至116 min后力不再增加，基本趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)整個(gè)上浮力變化值為23.66 kN/m，力隨時(shí)間變化過(guò)程見(jiàn)圖4。由管道力與時(shí)間變化趨勢(shì)，可得出在泥水混合物中上浮運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：初始穩(wěn)定階段寅緩慢起動(dòng)階段寅快速上浮階段寅最終震蕩平衡穩(wěn)定階段。

2）單側(cè)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(jīng)過(guò)75 min后開(kāi)始產(chǎn)生上浮力，隨后上浮力迅速加大，加大階段持續(xù)時(shí)間約為50 min，至125 min后基本趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)整個(gè)上浮力變化值為49.54 kN/m，力隨時(shí)間變化過(guò)程見(jiàn)圖4。得到管道在該密度下上浮運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：初始穩(wěn)定階段寅緩慢起動(dòng)階段寅快速上浮階段寅震蕩平衡穩(wěn)定階段。

圖4 單、雙側(cè)回填與上浮力隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 Relationship between buoyancy and time in different back filling ways

3）雙側(cè)回填籽=1.3 t/m3泥水混合物

隨著回填物雙倍增加，管道經(jīng)過(guò)35 min后開(kāi)始產(chǎn)生上浮力，隨后上浮力迅速加大，上浮階段持續(xù)時(shí)間約為18 min，統(tǒng)計(jì)整個(gè)上浮力變化值為25.29 kN/m；與單側(cè)回填不同為，兩側(cè)回填加劇動(dòng)態(tài)平衡下震蕩幅度和時(shí)間，震蕩持續(xù)時(shí)間約為63~116 min，震蕩過(guò)程力變化值約為3.30 kN/m；力隨時(shí)間變化過(guò)程見(jiàn)圖4。得到管道上浮運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：初始穩(wěn)定階段寅緩慢起動(dòng)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(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比見(jiàn)表2。由表2結(jié)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(shí)間基本相同，但啟動(dòng)的時(shí)間晚；于采用不同回填方式，雙側(cè)回填時(shí)上浮啟動(dòng)和持續(xù)時(shí)間均縮短，穩(wěn)定時(shí)間段增加了；時(shí)間與回填速率不是成倍關(guān)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(guān)，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(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison result of force of FRP pipe with different density and back filling

3.2 運(yùn)營(yíng)期玻璃鋼管受力試驗(yàn)

1）不同波高H作用

不同波高作用下，管道受力結(jié)果見(jiàn)表3。由表3中結(jié)果可知：淤玻璃鋼管受力與入射波高成正比關(guān)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(duì)比玻璃鋼管周?chē)鳒y(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)分布，頂部測(cè)點(diǎn)（P1）壓強(qiáng)大于底部（P7），迎浪側(cè)（P4）大于背浪側(cè)（P10），最大壓強(qiáng)表現(xiàn)在迎浪側(cè)P4測(cè)點(diǎn)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(hù)，從統(tǒng)計(jì)的受力結(jié)果來(lái)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(nèi)。

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

2）不同周期作用試驗(yàn)

不同周期作用下，管道受力結(jié)果見(jiàn)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(guān)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(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)對(duì)比，頂部測(cè)點(diǎn)（P1）壓強(qiáng)大于底部（P7），迎浪側(cè)（P4）大于背浪側(cè)（P10），最大壓強(qiáng)P4測(cè)點(diǎn)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(guān)系Fig.5 Relationship between FRP pipe stress and T

3）不同水深作用試驗(yàn)

不同水深作用下，玻璃鋼管受力結(jié)果見(jiàn)圖6，由圖上變化規(guī)律可知：淤受力與水深成反比關(guān)系，隨著水深d的增加而減小；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(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)對(duì)比，頂部測(cè)點(diǎn)（P1）壓強(qiáng)大于底部（P7），迎浪側(cè)（P4）大于背浪側(cè)（P10），最大壓強(qiáng)P4測(cè)點(diǎn)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(guān)系Fig.6 Relationship of FRP pipe stress and d

根據(jù)試驗(yàn)得到，營(yíng)運(yùn)期玻璃鋼管所受波浪力與波高H、周期T成正比關(guān)系，與水深d成反比關(guān)系，統(tǒng)計(jì)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(guān)系見(jiàn)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(guān)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(guān)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(guān)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(yàn)數(shù)據(jù)方便應(yīng)用工程設(shè)計(jì)，因此將試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1）管道固定樁抗拔力經(jīng)驗(yàn)公式

為保證管道在泥水混合物中穩(wěn)定性和防止上浮，設(shè)計(jì)往往需設(shè)置固定樁進(jìn)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(nèi)部水、自重合力，而浮力的設(shè)計(jì)取值往往存在一定困難，由本次試驗(yàn)結(jié)果可知，浮力可取試驗(yàn)中施工期管道達(dá)到動(dòng)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(yīng)用，因此將上浮力折算為單位長(zhǎng)度玻璃鋼管體積的相對(duì)密度，以及系數(shù)k1之間的關(guān)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(zhǎng)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(nèi)徑，m；D3為玻璃鋼管中心與水面的距離，m；l為波長(zhǎng)，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(yàn)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(jīng)驗(yàn)公式

對(duì)于營(yíng)運(yùn)期，從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)系，因此推導(dǎo)出關(guān)于Fu與系數(shù)k2之間的關(guān)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(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到2.63；L為不同樁間距，m；S為管道橫截面積，m2。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)海底取排水工程玻璃鋼管受力特性試驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)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(zhǎng)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但易產(chǎn)生上浮事故，試驗(yàn)也揭示了淤泥質(zhì)玻璃鋼管存在上浮事實(shí)，與現(xiàn)場(chǎng)吻合。

2）施工期條件下，試驗(yàn)通過(guò)回填不同密度混合物和不同回填方式對(duì)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(shí)間基本相同，但密度大上浮啟動(dòng)晚；于回填速率加快，則上浮啟動(dòng)和持續(xù)時(shí)間均縮短，但穩(wěn)定時(shí)間增加；上浮的時(shí)間與回填速率不成倍數(shù)關(guān)系，受力大小與速率變化也不明顯。

3）營(yíng)運(yùn)期條件下，不同波高、周期、水深組合試驗(yàn)作用，得到：淤玻璃鋼管受力與波高、周期成正比關(guān)系，與水深成反比關(guān)系，且推導(dǎo)出力與三者間的關(guān)系式；于管道上各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)分布均有頂部大于底部，迎浪側(cè)大于背浪側(cè)的特征，最大在迎浪側(cè)。

4）為了便于工程應(yīng)用，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出了不同樁間距設(shè)計(jì)固定樁抗拔力和管道縱向沿程浮力的經(jīng)驗(yàn)公式。