范旭征博

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港222000）

0 引言

以往石化工業(yè)園區(qū)產(chǎn)生的廢水都是直接排放至內(nèi)河和近岸海域中，導(dǎo)致河流和近岸水域污染嚴(yán)重，直接影響人們的生活和近岸的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，對(duì)水體造成了巨大的破壞。為了兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求，降低污水處理的高昂經(jīng)濟(jì)成本，在不污染海洋的基礎(chǔ)上充分利用海洋自身的凈化功能，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)尾水的順利排放，采用長(zhǎng)距離的海域尾水排放管道進(jìn)行達(dá)標(biāo)尾水的集中處理和排放，減少污水處理的成本，兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)[1-4]。

徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程設(shè)計(jì)規(guī)模為：近期排放量8.57萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期排放量11.83萬(wàn)m3/d。陸域管道進(jìn)入陸上頂管工作井后采用頂管穿越復(fù)堆河和海濱大道，其中頂管工作井至入海點(diǎn)400 m管道為陸域管道，項(xiàng)目海域工程范圍以入海點(diǎn)為界，包括穿越復(fù)堆河和海濱大道管線長(zhǎng)720 m頂管（入海點(diǎn)至海上接收井），管道采用DN1800頂管工藝穿越現(xiàn)狀海堤，頂管內(nèi)襯DN1400排放管，采用兩排鋼板樁圍堰搭設(shè)海上接收井，在海上接收井內(nèi)完成頂管管道與鋪管船工藝施工的DN1400管道銜接。鋪管管道沿平行防波堤鋪設(shè)，然后在東防波堤北端折轉(zhuǎn)，鋪向排放口，海域段排放管全長(zhǎng)22.2 km（見(jiàn)圖1）。

圖1 海域管道工程平面布置圖

海上管道銜接施工受到海上風(fēng)浪及水位影響較大，海邊灘涂地區(qū)淤泥深厚，周邊存在防波堤、海堤及養(yǎng)殖區(qū)等保護(hù)要求較高的影響因素，施工難度較大。為順利完成海域管道鋪設(shè)施工，需對(duì)不同管徑的管道頂管段與敷管段在海上的銜接方式進(jìn)行分析與計(jì)算，并提出合理可靠的實(shí)施方案。

1 建設(shè)條件分析

1.1 潮位

徐圩港區(qū)尚無(wú)長(zhǎng)期潮位觀測(cè)資料，根據(jù)2005年9月和2006年1月水文測(cè)驗(yàn)期間小丁港臨時(shí)潮位觀測(cè)資料，與連云港長(zhǎng)期潮位站同步潮位資料建立相關(guān)，推算獲得徐圩港區(qū)設(shè)計(jì)水位如下（85國(guó)家基準(zhǔn)）：

50 a一遇高潮位3.66 m（設(shè)計(jì)高水位）

50 a一遇低潮位-3.58 m

平均高潮位 1.94 m

平均低潮位 -1.72 m（設(shè)計(jì)低水位）

1.2 波浪

海區(qū)歷年平均波高為0.5 m，各月平均波高為0.4～0.6 m，其中秋冬季波高略大于春夏季。各向平均波高以偏北向?yàn)樽畲螅渲蠳NW、N、NNE向平均波高均為0.9 m。海區(qū)累年平均周期為3.1s，各月平均周期介于2.7～3.1 s之間，累年各向平均周期以NNE向?yàn)樽畲?，達(dá)4.3 s，NE向次之為4.1 s。接收井施工安排在7月份，實(shí)測(cè)最大波高約為1.5 m。

1.3 海底地形

連云港地區(qū)沿岸屬于廢黃河水下三角洲北緣的一部分，歷史上受黃河奪淮入海期泥沙擴(kuò)散淤積的影響，沿岸底部普遍沉積了厚度不等的粉砂－粘土質(zhì)淤泥沉積層，岸灘呈現(xiàn)淤泥質(zhì)海岸特點(diǎn)。海床呈沖淤平衡、略有沖刷的態(tài)勢(shì)。

該項(xiàng)目海底路由位于連云港徐圩新區(qū)東側(cè)近岸，東西連島與灌河口之間海域，原始地貌為淺海平原，地形上總體呈西南高東北低的趨勢(shì)。路由及其附近海域，由岸向海方向，水深逐漸增加，坡度平緩，水深范圍0m～12 m，等深線走向與岸線相近。管道入海點(diǎn)外側(cè)水下岸坡，水深由0 m逐漸加深至3.5 m，海底地形平均坡度0.56°。

2 管道銜接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 入海點(diǎn)設(shè)計(jì)

排海管入海穿越現(xiàn)狀復(fù)堆河底及已建海濱大道海堤，常見(jiàn)穿越方式為架管穿越及頂管穿越，架管穿越方案對(duì)現(xiàn)狀海濱大道通車影響較大；灘涂管道采用開(kāi)槽埋管法施工方案受潮位水深影響，將增加局部水體中懸浮物和破壞底棲生物。故該工程采用有較大埋深的頂管方案穿越大堤和灘涂進(jìn)入外海。頂管工作井位于規(guī)劃復(fù)堆河西岸，接收井位于海域側(cè)水深-3.4 m處，頂管段長(zhǎng)度1 120 m。圖2為頂管斷面示意圖。

圖2 頂管斷面示意圖

2.2 頂管工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道內(nèi)尾水采取壓力流排放，穿堤段管道施工期、使用期會(huì)對(duì)重力式斜坡堤堤身造成一定的影響。海堤后期沉降對(duì)管道安全也存在影響。結(jié)合類似工程穿堤保護(hù)經(jīng)驗(yàn)，該工程穿堤管道擬采用DN1800鋼管，壁厚20 mm，內(nèi)套DN1400鋼管，銜接陸域和海域管道。DN1800鋼管頂管施工做好端頭封堵止水，穿越大堤處同步圍巖注漿加固。DN1800鋼管內(nèi)噴射樹(shù)脂混凝土平臺(tái)，內(nèi)套管穿管按設(shè)計(jì)要求焊接滑輪基腳，減少穿管時(shí)的阻力，內(nèi)套管采用泡沫塑料包裹可以消除壓力管道使用時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。

2.3 海上鋪管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海上管道采用鋪管船敷管加沖射后開(kāi)溝槽法相結(jié)合的施工工藝。首先利用敷管船將管道敷設(shè)在既定的管位，再采用沖射后開(kāi)溝槽法，將管道埋設(shè)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

尾水排海管道屬于城市地下永久性隱蔽工程設(shè)施，要求具有很高的安全性和可靠性。排海管道必須具有足夠的強(qiáng)度，以承受外部的荷載和內(nèi)部的水壓。內(nèi)壁應(yīng)整齊光滑，粗糙系數(shù)小，使水流的阻力盡量減小。從降低海上埋管施工風(fēng)險(xiǎn)和控制施工工期的角度考慮，選鋼管作為海上埋管的管材。

該排海工程兼考慮近遠(yuǎn)期水量變化較大，管道直徑的選擇既應(yīng)保證管道流速不可過(guò)低，又要保證管道沿程損失適中，水泵揚(yáng)程合理；同時(shí)，要考慮施工方法和工程投資。根據(jù)水力計(jì)算和多方案比選，采用單根管道，管徑DN1400方案。

管壁厚度根據(jù)管徑大小、設(shè)計(jì)條件下的受力特點(diǎn)、管道防腐，以及經(jīng)濟(jì)性等因素綜合確定為18 mm。

2.4 海上圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

灘涂頂管管道與海域埋管管道接口施工因其牽涉到兩種不同的施工結(jié)構(gòu)體的銜接，故應(yīng)十分重視。為減小海上施工風(fēng)險(xiǎn)和水下土方開(kāi)挖，該工程采用頂管接收井實(shí)現(xiàn)頂管與開(kāi)槽埋管的連接。采用雙排鋼板樁圍堰搭設(shè)海上接收井，在海上接收井內(nèi)完成頂管內(nèi)襯管道與鋪管船工藝施工的管道銜接。接收井位置現(xiàn)狀海底高程約-3.4 m，通過(guò)平底駁船趕潮施工鋼板樁圍堰；沉樁采用屏風(fēng)式沉樁工藝，將鋼板樁打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。同時(shí)，基坑內(nèi)帶水施工，管道接駁采用法蘭連接。

海上雙排鋼板樁圍堰為方形，接收井凈尺寸為10.0 m×15.0 m（見(jiàn)圖3、圖4）。樁頂高程為3.00 m，樁底高程為-21.0 m，鋼板樁型號(hào)為AU25，長(zhǎng)24 m。在鋼板樁內(nèi)側(cè)布置2道鋼圍檁和角撐。圍堰內(nèi)側(cè)坑底高程-8.70 m，坑底采用高壓旋噴樁φ800@700加固，標(biāo)高-8.7～-16.7 m。

圖3 接收井平面布置圖（單位：mm）

圖4 接收井?dāng)嗝鎴D（單位：mm）

3 數(shù)值模型

3.1 水動(dòng)力基本方程

在有限元計(jì)算中，假設(shè)流體是不可壓縮的，能夠傳遞能量和浮力；與ALE變形網(wǎng)格一起使用，可以進(jìn)行流固耦合分析。其流體的控制方程為：

對(duì)于穩(wěn)態(tài)水流而言，動(dòng)量守恒方程的積分形式變成：

式中：V為具有表面積S的任意控制流體；n為S的外法向；ρ為流體密度；v為速度矢量；υm為移動(dòng)網(wǎng)格的速度；f為體積力，本文只要為重力g；τ為粘性切應(yīng)力。

上述不可壓縮流體方程，被稱為納維-斯托克斯方程，在工程應(yīng)用的復(fù)雜幾何邊界上求其解答，必須采用一些特定的算法才能實(shí)現(xiàn)。因本文計(jì)算為圍堰結(jié)構(gòu)和水流的相互作用問(wèn)題，圍堰在外力作用下發(fā)生變形，對(duì)于任意一個(gè)變形區(qū)域，使用先進(jìn)的二階投影形式。然后基于固定網(wǎng)格的SIMPLE算法，采用壓力的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為中心的有限元離散和所有其他傳輸變量的體積中心的有限體積離散。當(dāng)保持與傳統(tǒng)有限體積法相關(guān)聯(lián)的局部保守屬性時(shí)，此種混合法可保證其計(jì)算的精確性。

3.2 有限元模型

有限元模型建模時(shí)，海床以上水深按平均高潮位考慮，水深為5.34 m，海床地基深度根據(jù)鋼板樁插入深度及數(shù)值模型計(jì)算精度要求取36 m，即鋼板樁底部距離模型底部邊界18.3 m，超過(guò)兩倍波長(zhǎng)，模型四周邊界距離外圍鋼板樁10.8 m，超過(guò)一倍波長(zhǎng)。水域計(jì)算范圍按下列原則選?。喉?biāo)鞣较颍ㄅc圍堰長(zhǎng)邊垂直）至少取10個(gè)波長(zhǎng)（本文取60 m）。

對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)整體變形進(jìn)行計(jì)算分析，鋼板樁、圓管拉桿支撐和角撐分別按照剛度等效原則進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。鋼板樁根據(jù)拉森鋼板樁及槽鋼圈梁剛度換算成剛度等效的矩形鋼板，角撐根據(jù)鋼板和槽鋼支撐剛度換算成等效鋼板，鋼管拉桿支撐按剛度等效換算成圓形鋼管。圖5為整體材料模型。

圖5 整體材料模型

3.3 參數(shù)的選取

海床地基本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumn模型模擬，圍堰鋼結(jié)構(gòu)按照線彈性模型考慮。海底土層基本處于飽和狀態(tài)，因此土體按飽和介質(zhì)處理，土體參數(shù)取飽和土參數(shù)，圍堰鋼結(jié)構(gòu)全部按剛度等效處理。表1為有限元模型參數(shù)表。

表1 有限元模型參數(shù)表

3.4 荷載與邊界條件

海床四周邊界采用水平約束，底部邊界采用固定約束。水域在基坑長(zhǎng)邊一側(cè)施加初始水流速度和波浪要素，水流流向垂直于圍堰長(zhǎng)邊。水流力、波浪力垂直作用于基坑圍堰的長(zhǎng)邊方向。鋼板樁圍堰與海床地基之間設(shè)置接觸面，接觸面形式為硬接觸，摩擦系數(shù)為0.7，該接觸面模型保障樁土之間可以錯(cuò)動(dòng)滑移，可以分離，但不能相互刺入。

4 接收井圍堰結(jié)構(gòu)變形分析

現(xiàn)通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算分析不同海況條件下接收井圍堰的變形情況。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，風(fēng)力按7級(jí)考慮，風(fēng)速13.9 m/s，需考慮兩種波浪水流條件：（1）平均最大波高1.5 m、周期4.3 s，水流流速為2 m/s；（2）平均波高0.5 m、周期3.1 s，水流流速為1 m/s。

在項(xiàng)目分析過(guò)程中，波浪由邊界制造輸入，因基坑內(nèi)外均有海水作用，且因圍堰阻擋作用，坑內(nèi)波浪衰減較大，波浪力較小。水流方向僅考慮單向（垂直于基坑長(zhǎng)邊），波浪水流作用力為最大情況，計(jì)算結(jié)果理論上偏于安全。

（1）工況一（流速2 m/s，波浪高度1.5 m，波浪周期4.3 s）

圍堰內(nèi)基坑開(kāi)挖至5 m時(shí)，鋼板樁圍堰最大水平位移達(dá)到9.0 cm，發(fā)生在基坑內(nèi)開(kāi)挖面和海床泥面交界處?；鬃畲舐∑鹆繛?.2 cm。頂管連接段管底距坑底留有0.5 m空間，基底隆起不會(huì)影響頂管連接作業(yè)。

圖6 鋼板樁最大水平變形圖示（9.00 cm）

圖7 底部最大隆起變形圖示（7.2 cm）

（2）工況二（流速1 m/s，波浪高度0.5 m，波浪周期3.1 s）

圍堰內(nèi)基坑開(kāi)挖至5m時(shí)，鋼板樁圍堰最大水平位移達(dá)到6.78 cm（見(jiàn)圖8），發(fā)生在基坑內(nèi)開(kāi)挖面和海床泥面交界處?；鬃畲舐∑鹆繛?.87 cm（見(jiàn)圖9）。頂管連接段管底距坑底留有0.5 m空間，基底隆起不會(huì)影響頂管連接作業(yè)。

圖8 鋼板樁最大水平變形圖示（6.78 cm）

圖9 底部最大隆起變形圖示（6.87 cm）

5 結(jié) 論

徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程設(shè)計(jì)規(guī)模為：近期排放量8.57萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期排放量11.83萬(wàn)m3/d。項(xiàng)目海域工程范圍以入海點(diǎn)為界，DN1800頂管穿越現(xiàn)狀海堤，內(nèi)襯DN1400排放管，在海上接收井內(nèi)完成頂管管道與鋪管船工藝施工的DN1400管道銜接。本文介紹了不同管徑的管道頂管段與敷管段在海上的銜接關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)方案合理性和可靠性進(jìn)行分析與計(jì)算復(fù)核，得到以下結(jié)論：

（1）排海管入海穿越現(xiàn)狀復(fù)堆河底及已建海濱大道海堤，可采用架管穿越和頂管穿越。架管穿越方案對(duì)現(xiàn)狀海濱大道通車形成影響，對(duì)堤外灘涂造成生態(tài)環(huán)境污染。該工程采用有較大埋深的頂管方案穿越大堤和灘涂進(jìn)入外海較合理。

（2）DN1800鋼管頂管施工做好端頭封堵止水，穿越大堤處同步圍巖注漿加固。φ 1 800鋼管內(nèi)噴射樹(shù)脂混凝土平臺(tái)，內(nèi)套管穿管按設(shè)計(jì)要求焊接滑輪基腳，減少穿管時(shí)的阻力，內(nèi)套管采用泡沫塑料包裹可以消除壓力管道使用時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。

（3）海上管道采用鋪管船敷管加沖射后開(kāi)溝槽法相結(jié)合的施工工藝，工藝成熟合理，經(jīng)濟(jì)可靠。

（4）海上管道銜接施工受到海上風(fēng)浪及水位影響較大，海邊灘涂地區(qū)淤泥深厚，頂管管道與鋪管船工藝施工的管道銜接施工在海上接收井內(nèi)完成，圍堰施工完成后即可在內(nèi)部開(kāi)挖出頂管端部，吊運(yùn)出機(jī)頭，進(jìn)行管道水下安裝連接。海上圍堰的實(shí)施降低了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，有效地控制了海上環(huán)境影響。

（5）通過(guò)有限元方法計(jì)算得到不同海況條件下接收井圍堰的變形情況，在水下土方開(kāi)挖過(guò)程中，接收井圍堰結(jié)構(gòu)最大水平變形量達(dá)9.00 cm，坑底最大隆起量為7.2 cm。鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)整體變形可控，頂管連接段管底距坑底留有0.5 m空間，基底隆起不會(huì)影響頂管連接作業(yè)。

（6）數(shù)值計(jì)算方法對(duì)各鋼結(jié)構(gòu)之間銜接均按剛性接觸處理。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)檢查錨固節(jié)點(diǎn)，避免節(jié)點(diǎn)松弛，影響圍堰結(jié)構(gòu)的整體作用。