陳國(guó)剛 周天瑋 嘉興市世紀(jì)交通設(shè)計(jì)有限公司

1.引言

吹填工程可以形成陸域，緩解沿海用地壓力，是港口工程中常見的一種項(xiàng)目[1]。吹填土因來自海洋的疏浚底泥，含有大量水分。在吹填過程中，泥水混合物通過吹填管道進(jìn)入到吹填區(qū)內(nèi)部后，因底泥的密度大于水的密度，伴隨泥水混合物在吹填區(qū)內(nèi)的流動(dòng)，泥質(zhì)在吹填區(qū)內(nèi)逐步沉淀落底，水體則析出浮于上表形成余水。余水產(chǎn)生后需要及時(shí)排出，否則會(huì)占用吹填區(qū)的容積，對(duì)吹填造成影響。針對(duì)上述問題，目前工程界通常采用在吹填區(qū)距離吹填管口較遠(yuǎn)的位置開設(shè)一處泄水口用于排出吹填區(qū)內(nèi)的余水。該種方法工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，在吹填項(xiàng)目的余水排出工作中起到了積極效果。需要注意的是，目前常采用的無論是溢流式泄水口還是埋管閘箱式泄水口均需要在吹填區(qū)的封閉邊界上開設(shè)缺口來排出余水，余水沿泄水口排出的同時(shí)也會(huì)帶來吹填土隨余水流失的情況，在給工程造成損失的同時(shí)，也對(duì)吹填區(qū)外部造成了一定的污染。尤其是當(dāng)追趕工期進(jìn)度時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)布置多條吹填管線并行作業(yè)，這樣就會(huì)短時(shí)間內(nèi)在吹填區(qū)內(nèi)積聚大量余水，加大泄水口的開口寬度雖然是一種解決辦法，但會(huì)帶來吹填土流失增加的消極效果。

因此，探索一種適用于吹填區(qū)內(nèi)有大量余水需要及時(shí)排出工況條件下的排水工藝就具有了較高的研究?jī)r(jià)值。渤海灣港口陸域形成項(xiàng)目吹填過程中吹填區(qū)內(nèi)部析出大量余水，因泄水口排水較慢，吹填區(qū)內(nèi)積聚大量余水，對(duì)吹填進(jìn)度造成了影響?，F(xiàn)場(chǎng)通過研究采用了管道排水工藝，及時(shí)排出了吹填區(qū)內(nèi)的余水，并起到了節(jié)約工期、減少吹填土流失的效果。

2.工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為渤海灣港口陸域形成二期工程，計(jì)劃通過吹填形成35萬(wàn)m2的陸域用于服務(wù)日益增長(zhǎng)的港口發(fā)展需要。吹填土來自航道疏浚底泥，總吹填方量達(dá)760萬(wàn)m3。該項(xiàng)目同時(shí)面臨著工期緊的情況?；谏鲜銮闆r，現(xiàn)場(chǎng)布置了多條吹填管線并行作業(yè)用于追趕工程進(jìn)度，致使短時(shí)間在吹填區(qū)內(nèi)積聚了大量余水，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖1。

圖1 吹填區(qū)實(shí)景照片

考慮到現(xiàn)階段國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的重視及減少吹填土的流失的理念，現(xiàn)場(chǎng)決定摒棄擴(kuò)大泄水口斷面的措施，通過研究探討，提出了采用了管道排出吹填區(qū)內(nèi)余水的措施。

3.管道設(shè)計(jì)

3.1 基本參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，若確保吹填區(qū)內(nèi)的余水及時(shí)排出，不影響吹填工作的進(jìn)度，余水外排規(guī)模需要達(dá)到10萬(wàn)m3/d，需架設(shè)余水排出管道全長(zhǎng)9585m。

3.2 管道選型

目前常用的排水管道有鋼管、聚乙烯塑料管、混凝土管等。現(xiàn)場(chǎng)通過詳細(xì)踏勘，多輪研究論證，余水排出管道選擇采用鋼管。主要原因是：（1）管材及管件加工容易，抗震性能優(yōu)于其它管材，地形復(fù)雜的地段更適宜采用鋼管。（2）鋼管具有耐高壓、韌性好的特點(diǎn)，同時(shí)鋼管一般管壁相對(duì)較薄，管段較長(zhǎng)，因此又有重量輕、運(yùn)輸方便、接頭少的特點(diǎn)。（3）鋼管鋪設(shè)、安裝較為方便。（4）水泥砂漿內(nèi)襯后的內(nèi)壁糙率n≤0.012，水力條件好。（5）考慮到輸水管線為臨時(shí)輸水管道，采用法蘭連接的鋼管可進(jìn)行拆除，具有一定的回收利用價(jià)值。

3.3 管徑選擇

管道管徑的選擇直接關(guān)系到工程的良好運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性，因此合理選擇管徑是管道設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，采用經(jīng)濟(jì)流速法[2]確定管徑。計(jì)算公式如下：

式中，ve代表管道經(jīng)濟(jì)流速，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，結(jié)合本工程吹填進(jìn)度對(duì)余水外排速度的要求，取1.5m/s。式中Q即需要外排的水量，取本工程余水外排規(guī)模10萬(wàn)m3/d。經(jīng)計(jì)算，管道采用直徑為1200mm螺旋縫焊接鋼管，中間采用直徑1200mm橡膠管進(jìn)行連接。

3.4 管道壁厚計(jì)算

依據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]給出的鍋爐公式確定鋼管壁厚t：

式中，γw代表水的重度；H代表管道中心內(nèi)水壓力水頭，取采用的水泵的額定壓力；d代表鋼管內(nèi)徑；φ代表焊縫系數(shù)，根據(jù)規(guī)范[3]，取0.95；σs代表鋼管管壁鋼材屈服點(diǎn)（MPa），本工程管道采用Q235型鋼材，即屈服強(qiáng)度235Mpa。經(jīng)計(jì)算管道的壁厚t=10mm。

3.5 管道在外壓作用下的應(yīng)力分布

為確保所選用的管道強(qiáng)度能夠滿足允許應(yīng)力的要求，需要對(duì)管道的受力情況進(jìn)行分析。分析可知，從工程應(yīng)用的角度，管道外力主要來自水流力，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[4]計(jì)算單位面積上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算公式如下：

式中Fw代表單位面積上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值，Cw為水流阻力系數(shù)，根據(jù)規(guī)范[5]，取0.73；ρ為水的密度；V為水流平均設(shè)計(jì)流速，取吹填區(qū)內(nèi)余水平均流速，本工程經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算為1.2m/s。水流力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 水流力計(jì)算表

計(jì)算中，水流力相當(dāng)于作用在管道上的均布荷載q，此均布荷載q即為單位面積上的水流力乘以管道外徑，管道在此荷載作用下，受到彎矩的作用。按照管道兩端固定的極端情況，管道中間處將會(huì)出現(xiàn)最大彎曲正應(yīng)力，此彎曲正應(yīng)力沿管道軸向方向，其大小采用下式計(jì)算：

式中，q為水流均布荷載，l為吹填區(qū)寬度；管道在水流均布荷載作用下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列表如表2。

表2 水流力作用下的最大彎曲正應(yīng)力計(jì)算表

3.6 管道在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布

除受到水流力的作用外，管道還受到內(nèi)部的壓力，當(dāng)管道的壁厚δ遠(yuǎn)小于內(nèi)徑d時(shí)（δ/d<0.1），稱為薄壁圓筒，本工程管道壁厚為0.01m，內(nèi)徑為1.2m，屬于薄壁圓筒，若封閉的薄壁圓筒所受內(nèi)壓強(qiáng)為P時(shí)，則在內(nèi)壓作用下的管道軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力分別為：

3.7 管道在內(nèi)外壓共同作用下的應(yīng)力分布

在內(nèi)壓和外壓共同作用下，管道受到的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力分別為：

式中，σ代表管壁截面的折算應(yīng)力。管道在應(yīng)力作用下，一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，所受的應(yīng)力大小和方向不同，管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列表如表3。

表3 內(nèi)外壓共同作用下管道應(yīng)力計(jì)算表

3.8 管道應(yīng)力驗(yàn)算

管道上的應(yīng)力應(yīng)滿足許用應(yīng)力值的限定，即σ應(yīng)小于等于許用應(yīng)力，許用應(yīng)力值用下式表示。

式中，[σ]代表管道的許用應(yīng)力；K代表強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，取0.55；η代表焊縫系數(shù)，取0.95；代表管道鋼材的屈服強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，管道的許用應(yīng)力值為122.8Mpa，管道兩側(cè)的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，能夠滿足允許應(yīng)力的要求。

3.9 螺栓受力分析

除了確保管道強(qiáng)度滿足應(yīng)力要求外，還需要對(duì)管道連接處的螺栓強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。本工程管道連接處使用的螺栓個(gè)數(shù)為24個(gè)或32個(gè)，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，計(jì)算螺栓受到的拉力為：

1）當(dāng)螺栓個(gè)數(shù)為24時(shí)：

2）當(dāng)螺栓個(gè)數(shù)為32時(shí)：

本工程螺栓規(guī)格為M27＊110，有效截面積為459mm2，需要的螺栓抗拉強(qiáng)度為螺栓受到的拉力與有效截面積的比，即72.1Mpa，根據(jù)《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》[6]的有關(guān)規(guī)定，鋼制螺栓按其強(qiáng)度水平分為10個(gè)不同的強(qiáng)度性能等級(jí)，最低等級(jí)為3.6級(jí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，3.6級(jí)即可滿足螺栓強(qiáng)度要求。

4.工程效果

4.1 管道安全性

現(xiàn)場(chǎng)從開始抽水直抽水結(jié)束，布置的管道均安全穩(wěn)定運(yùn)行。從滿足工程應(yīng)用的角度，本文提出的余水排出管道設(shè)計(jì)計(jì)算過程，可以確保管道設(shè)計(jì)的安全性。

4.2 余水排出效果

吹填區(qū)內(nèi)的余水得到了快速的外排，甚至工人可以在穿戴好安全裝備的情況下徒步進(jìn)入吹填區(qū)內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，為吹填工作的順利開展提供了保障，詳見圖2。

圖2 吹填區(qū)抽水后現(xiàn)場(chǎng)照片

4.3 工程效益

基于本文采用的管道排水工藝，現(xiàn)場(chǎng)的工程進(jìn)度得到了確保，通過管道排出吹填區(qū)內(nèi)的余水，減少了吹填土的流失，在節(jié)約工程費(fèi)用的同時(shí)，也減少了吹填土外泄對(duì)外部區(qū)域的污染。

5.結(jié)論

（1）基于本工程實(shí)例，在吹填區(qū)內(nèi)有大量余水需要快速外排時(shí)，本工程采用的管道排水工藝可以較好的排出吹填區(qū)內(nèi)的余水，相較于傳統(tǒng)的泄水口排水方式，可以節(jié)約工期，且可以減少吹填土的流失，進(jìn)而減少因吹填土外泄對(duì)外部區(qū)域造成的污染。

（2）從滿足工程應(yīng)用的角度，本文提出的余水排出管道設(shè)計(jì)計(jì)算過程，可以確保管道設(shè)計(jì)的安全性，可為類似工程提供借鑒。