孟偉龍

(遼寧澤峰水利規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，沈陽(yáng) 110004)

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)沿海的港口建設(shè)、吹填造地等項(xiàng)目發(fā)展迅速，但多數(shù)為非水工專業(yè)主導(dǎo)項(xiàng)目，對(duì)海堤的安全運(yùn)行及保護(hù)成為項(xiàng)目建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。以中化泉州100萬(wàn)噸/年乙烯及煉油改擴(kuò)建項(xiàng)目配套碼頭建設(shè)項(xiàng)目為例，重點(diǎn)分析跨海堤輸泥管線在設(shè)計(jì)方案中對(duì)水工專業(yè)不足部分的分析和補(bǔ)充，提出全面的安全穩(wěn)定分析計(jì)算及震動(dòng)影響的分析，并給出建議補(bǔ)救措施，對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排查，確保海堤的安全運(yùn)行。通過對(duì)安全穩(wěn)定計(jì)算等技術(shù)問題的分析與求解過程，為其他行業(yè)涉水項(xiàng)目的運(yùn)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(wàn)噸/年乙烯及煉油改擴(kuò)建項(xiàng)目配套碼頭工程建設(shè)，滿足項(xiàng)目區(qū)擴(kuò)建配套碼頭及5000噸級(jí)液體散貨船全潮通航要求，擬實(shí)施項(xiàng)目應(yīng)對(duì)1-8#泊位前沿水域進(jìn)行疏浚，對(duì)停泊水域、回旋水域及進(jìn)港航道進(jìn)行疏浚施工，需完成停泊水域、回旋水域及進(jìn)港航道疏浚設(shè)計(jì)。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(hào)。

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(tái)，平臺(tái)上部坡比為1∶2.5，采用加糙丁砌條石護(hù)坡，平臺(tái)下部坡比為1∶2.0，采用丁砌條石護(hù)坡。背水坡為干砌塊石護(hù)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(yùn)行維護(hù)使用。海堤原設(shè)計(jì)為3級(jí)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(jìn)”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(tái)和堤頂平臺(tái)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(jìn)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(jìn)行全面的安全分析與評(píng)價(jià)，通過管線施工及運(yùn)行期間可能產(chǎn)生的工況，進(jìn)行荷載分析，并計(jì)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(duì)其運(yùn)行過程中產(chǎn)生無(wú)法量化計(jì)算的震動(dòng)荷載進(jìn)行分析，以確保海堤在跨堤管線施工及運(yùn)行期間的安全性。

1.3.1 堤面荷載影響評(píng)價(jià)

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(dòng)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(kuò)散集中荷載,減小對(duì)海堤的影響,并起到防震的作用,不會(huì)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(jì)算將吹砂管對(duì)海堤的作用力簡(jiǎn)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(jìn)行受力分析,則該處亦視作管道對(duì)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(duì)跨堤段DN800鋼管進(jìn)行荷載計(jì)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(shí)對(duì)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(hào)鋼架位于堤頂，堤頂段管長(zhǎng)2.7m，該位置荷載由3號(hào)鋼架和混凝土防浪墻共同承擔(dān)，間距大致相當(dāng)，故3號(hào)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(hào)鋼架及2號(hào)鋼架計(jì)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(duì)海堤整體穩(wěn)定影響分析

為分析吹砂管荷載對(duì)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(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。對(duì)跨堤處海堤斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法：

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

計(jì)算結(jié)果：未設(shè)疏浚管道情況設(shè)計(jì)高潮位、設(shè)計(jì)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(jì)高潮位、設(shè)計(jì)低潮位及地震工況安全系數(shù)分別為1.23、1.25、1.13。由計(jì)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(jì)3級(jí)堤防要求。(正常運(yùn)用情況下≥1.20，地震工況下≥1.05)；將按上述方法進(jìn)行簡(jiǎn)化后的疏浚管道加載到海堤上之后，在相同計(jì)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(dòng)影響評(píng)價(jià)

根據(jù)已實(shí)施的相似工程運(yùn)行情況，輸泥管輸送時(shí)震動(dòng)輕微，啟動(dòng)、停止歷時(shí)均約為30min，有緩沖過程緩慢啟停，不存在緊急啟動(dòng)、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(duì)海堤位移進(jìn)行同期監(jiān)測(cè)。

由于吸泥管規(guī)模較小，結(jié)構(gòu)重量較輕，且作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)不會(huì)長(zhǎng)期作用于堤防上，故自重對(duì)于海堤穩(wěn)定影響很小。而吸泥管施工過程中造成的動(dòng)荷載作用，勢(shì)必對(duì)海堤的斷面穩(wěn)定及安全運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響，將對(duì)堤基土層產(chǎn)生不同程度擾動(dòng)，此動(dòng)載的作用時(shí)間及幅度隨機(jī)性較大，無(wú)法定量計(jì)算，但由于本項(xiàng)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(jì)報(bào)告》，該地區(qū)原海堤抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)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(jì)，故震動(dòng)情況對(duì)海堤影響較小，同時(shí)施工過程中通過加強(qiáng)監(jiān)控與觀測(cè)，合理安排工期避開臺(tái)汛等措施可以進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，該管線產(chǎn)生的荷載對(duì)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(píng)價(jià)的過程，對(duì)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(jì)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(duì)整體布局有個(gè)清晰的脈絡(luò)，為下一步的計(jì)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(jì)方案，計(jì)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(jì)內(nèi)容，提出建設(shè)及運(yùn)行期堤防跨堤段可能發(fā)生的工況進(jìn)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(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。

結(jié)合本次案例，通過對(duì)管道建設(shè)前后的高潮位、低潮位、地震工況組合計(jì)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(jì)算中須全面考慮計(jì)算范圍，本次案例列出結(jié)果為左右岸最小計(jì)算值，通過現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行參考，判斷方案是否安全可行。

2.3 對(duì)可能產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行定性分析，提出化解風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)措施

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

2.4 運(yùn)行監(jiān)測(cè)及后評(píng)價(jià)

項(xiàng)目在運(yùn)行后，對(duì)期間出現(xiàn)的情況進(jìn)行及時(shí)反饋與總結(jié)，形成聯(lián)動(dòng)機(jī)制，對(duì)即時(shí)發(fā)生的問題第一時(shí)間處理，事后對(duì)工程運(yùn)行及補(bǔ)救情況總結(jié)反思，為以后相關(guān)工程的實(shí)施提供經(jīng)驗(yàn)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(píng)價(jià)，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(dòng)影響，從水工角度分析提出補(bǔ)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(qiáng)度螺栓。在管線外包裹兩層防水布，萬(wàn)一管線滲水，水不會(huì)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(shí)時(shí)監(jiān)控管線運(yùn)輸狀態(tài)，并在吹砂管上每隔500m設(shè)置一個(gè)活塞裝置，自動(dòng)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(jìn)行管線排查。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)我國(guó)沿海的港口建設(shè)、吹填造地等項(xiàng)目發(fā)展迅速，但多數(shù)為非水工專業(yè)主導(dǎo)項(xiàng)目，針對(duì)海堤的安全運(yùn)行及保護(hù)成為項(xiàng)目建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。文章論述了中化泉州100萬(wàn)噸/年乙烯及煉油改擴(kuò)建項(xiàng)目配套碼頭工程疏浚管道跨海堤施工對(duì)外走馬埭海堤的安全影響及分析評(píng)價(jià)全過程，通過對(duì)跨堤輸泥管線各類工況的穩(wěn)定分析計(jì)算，確定其工程安全性及可靠性，對(duì)運(yùn)行工況震動(dòng)影響進(jìn)行分析，提出相關(guān)安全措施方案，對(duì)堤防交叉施工管理提供技術(shù)參考。文章通過對(duì)安全穩(wěn)定計(jì)算等技術(shù)問題的分析與求解過程，為其他行業(yè)涉水項(xiàng)目的運(yùn)行安全提供分析思路與方法，提出分析其安全量的定性計(jì)算方法及定性震動(dòng)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(xiàng)補(bǔ)救措施，并給出建議補(bǔ)救措施，對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排查，確保海堤的安全運(yùn)行，對(duì)非水工行業(yè)項(xiàng)目涉水安全分析提供了借鑒，具有一定指導(dǎo)意義。