武 靜 （中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019）

0 導(dǎo)讀

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)青山綠水的訴求越來越多，直接排放的做法已不能被大眾接受，目前大多數(shù)的污水都進(jìn)入了污水廠進(jìn)行處理，但仍有一些老城區(qū)或是跨河道的小區(qū)域，生活污廢水不便收集，直接與雨水管道合用，未經(jīng)處理就直接排放至就近人工湖泊或者河道，污染環(huán)境不說，也直接影響人的感官。近幾年國(guó)家政府對(duì)沒有經(jīng)過處理就排入湖泊水體的污廢水普遍進(jìn)行整改，對(duì)一些雨污合流的管道進(jìn)行分流處理，污水必須經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)才可排放，在此過程中就出現(xiàn)了一些問題，一些被河道等阻斷的區(qū)域需進(jìn)行穿越河道才可接入收集管網(wǎng)。

1 技術(shù)概況

湖泊及河道穿越工程建成后必須保證管道安全、穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)內(nèi)一般為大開挖穿越，建成后再通水，不得不考慮水系的沖淤變化給管道建成后的穩(wěn)定運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)。水下的穿越管道在沖淤變化下可能就達(dá)不到安全埋深，從而受到水流的浮力與動(dòng)力的交叉作用，引起管段漂浮或者位移。因此水下管線穿越工程常采用混凝土連續(xù)覆蓋，裝配式混凝土加重塊、堆石壩等加重穩(wěn)管措施提高管道運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

2 理論依據(jù)

目前國(guó)內(nèi)外水下管道穿越常采用裸露敷設(shè)和溝埋敷設(shè)兩種方式，這兩種方式的計(jì)算如下：

裸露敷設(shè)：

溝埋敷設(shè)：

式中，

W

-單位長(zhǎng)度水下管線重力，kN/m；

W

-單位長(zhǎng)度加重穩(wěn)管結(jié)構(gòu)重力，kN/m；

F

-單位長(zhǎng)度水下管線（包括防腐穩(wěn)管結(jié)構(gòu)）在水流作用下的水平推力，kN/m；

Fy

-單位長(zhǎng)度水下管線（包括防腐穩(wěn)管結(jié)構(gòu)）在水流作用下向上的抬力，kN/m；

A

-單位長(zhǎng)度水下管線（包括防腐穩(wěn)管結(jié)構(gòu)）在靜水中的浮力，kN/m；

F

-單位長(zhǎng)度水下管線在彈性曲線敷設(shè)時(shí)的彈性力，kN/m；

f

-水下管線與管基的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

K

-抗位移穩(wěn)定系數(shù)，大型河流1.15～1.30，小型河流1.10～1.20；

K

-抗上浮穩(wěn)定系數(shù)，大型河流1.10～1.20，小型河流1.10～1.15；

K

-安全系數(shù)，大型河流1.15～1.20，小型河流1.10～1.15。

對(duì)于大開挖方法進(jìn)行的河流穿越工程，最小埋深應(yīng)根據(jù)工程等級(jí)與設(shè)計(jì)洪水沖刷深度或疏浚深度要求確定，一般不小于1m。

當(dāng)水下穿越管道埋深大于1m時(shí)，可不做抗位移計(jì)算，但應(yīng)做抗漂浮核算：

W

-單位長(zhǎng)度水下管線總重力（管道自重、配重、有效覆土，不含管內(nèi)介質(zhì)），N/m；

K

-穩(wěn)定安全系數(shù)，大型河流1.2，小型河流1.1；

F

-單位長(zhǎng)度管線浮力，N/m。

3 工程實(shí)例

以某改造項(xiàng)目為例，改造前的污水直接排入了旁邊的水塘內(nèi)，導(dǎo)致水塘水質(zhì)被嚴(yán)重破壞，本次改造將污水收集，排入市政污水管網(wǎng)中，因項(xiàng)目周邊可接入的排水口位于水塘對(duì)面，故決定采用將排水管道埋于塘底的方式，將周邊居民生活污廢水從河道底部穿過，排入附近市政管線，最終排入污水處理廠，實(shí)現(xiàn)在不污染居民生活區(qū)域自然河道水質(zhì)的前提下環(huán)保排放污廢水的目的。

排水管道并非滿流，內(nèi)有大量空氣，埋于塘底比其他管道更加容易漂浮起來。工程中常用的排水管道材質(zhì)見表1，三種材質(zhì)的管道在工程實(shí)踐中都需要做抗漂浮分析。預(yù)制混凝土管抗壓強(qiáng)度高，造價(jià)低適合在遠(yuǎn)郊長(zhǎng)距離排水工程中應(yīng)用；鑄鐵管不但抗壓強(qiáng)度高，且方便運(yùn)輸，適合市區(qū)且預(yù)算充足的項(xiàng)目；HDPE雙壁波紋管較前面兩種管材更易漂浮，但因其使用壽命長(zhǎng)造價(jià)低的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使用率逐年提高，正因?yàn)槿绱?，?duì)排水管道抗漂浮分析顯得尤為重要，隨著工程應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算分析工具及高級(jí)人力資源的引進(jìn)，HDPE雙壁波紋管的使用瓶頸進(jìn)一步縮小。

常用排水管材性能比較 表1

鑒于此，本文以HDPE雙壁波紋管抗漂浮分析為例，利用分析軟件，模擬管道在水下的運(yùn)行工況，將抗漂浮運(yùn)行結(jié)果通過分析軟件予以呈現(xiàn)，直觀明了地了解它的薄弱環(huán)節(jié)，以便采取正確的應(yīng)對(duì)措施，防患于未然。

本例選用外徑500mm、壁厚2.8mm的HDPE雙壁波紋管裸露敷設(shè)的方式且埋深 300～500mm（不足1000mm），結(jié)合上節(jié)描述采用公式（1）進(jìn)行抗漂浮分析。

3.1 建立三維模型

圖1 某河道埋管模型

HDPE雙壁波紋管單位長(zhǎng)度為6000mm，該模型選取三節(jié)長(zhǎng)度共18m作為研究目標(biāo)，管道接頭采用柔性接口，橡膠類密封圈密封。

3.2 網(wǎng)格設(shè)置及載荷分布

圖2 埋管網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)分別為：網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)406822，元素202786，元素平均大小0.1，分級(jí)系數(shù)1.5，最大轉(zhuǎn)角30°；模型兩端平面即為自定義固定點(diǎn)；向下的箭頭中最中間的代表Wp，其余代表Wc，向上的箭頭為綜合浮力，表達(dá)式如下：

3.3 材料參數(shù)

見表2。

材料物理性能參數(shù) 表2

3.4 分析結(jié)果

3.4.1 應(yīng)力分布

從圖3～圖5應(yīng)力分布圖可知，管路系統(tǒng)等效應(yīng)力集中在固定接頭處，其余位置應(yīng)力分布較為均勻，從第一主應(yīng)力分析得知，管道內(nèi)部流動(dòng)對(duì)管壁應(yīng)力影響較為均勻，而第三主應(yīng)力分析可以看出，管段漂浮應(yīng)力主要來自管道外部水流產(chǎn)生的浮力。

圖3 等效應(yīng)力分布

圖4 第一主應(yīng)力分布

圖5 第三主應(yīng)力分布

圖6 位移分布

3.4.2 位移分布

從位移分布可以觀察到，總長(zhǎng)18m的管道模型，中間位置位移最為明顯，向兩邊依次遞減，且最大位移量275.4mm，較為明顯，則管道外部水流對(duì)管道周圍淤積沖刷明顯。

4 結(jié)論

①抗漂浮、穩(wěn)管計(jì)算時(shí)，首先結(jié)合工程實(shí)踐判斷屬于第2節(jié)中第一類，然后正確選擇計(jì)算公式，如本工程實(shí)例屬于第一類，選對(duì)應(yīng)的公式（1）進(jìn)行分析計(jì)算；

②為增強(qiáng)管段抗漂浮能力，固定端應(yīng)力較為集中，因此在設(shè)計(jì)及施工過程中，管段固定位置混凝土或者堆石與管段接觸端口易采用柔性連接以延長(zhǎng)固定端使用壽命；

③經(jīng)過本例分析得知，排水管內(nèi)部流過的水量較小，管段內(nèi)部流體流動(dòng)對(duì)管道漂浮作用較小，管段漂浮受外部流體作用明顯；

④HDPE雙壁波紋管為聚乙烯材質(zhì)，較金屬管彈性模量低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，受浮力作用后變形明顯，將加速淤積物流失，穩(wěn)定性較差易導(dǎo)致漂浮，故該類材質(zhì)管段固定端間隔不宜過長(zhǎng)。如選用排水鑄鐵管等金屬管材，因管材本身的重量比較大，穩(wěn)定性與抗浮性相較于聚乙烯管材要好，故可對(duì)固定間距稍微放松，但每節(jié)管段均應(yīng)至少需要有一個(gè)固定點(diǎn)。

從上述分析即可看出，管道敷設(shè)于湖底時(shí)，最中間的位置即為最薄弱的環(huán)節(jié)，分別向兩側(cè)遞減，設(shè)計(jì)施工中應(yīng)特別加重對(duì)中心位置的固定措施，固定措施也可向兩側(cè)遞減，各個(gè)接口也需連接密實(shí)，以便有更好的抗變形能力。對(duì)于水下工程來說，施工不易，檢修起來更加不易，因此在設(shè)計(jì)與施工時(shí)均需謹(jǐn)慎對(duì)待，盡可能地將危險(xiǎn)因素消除在前期，減少后期檢修的概率。