海堤跨越已建海底管线的工程处理措施

胡晓明,王晓波

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

近年来在浙江省宁波、温州地区的围垦工程建设过程中,遇到海堤需跨越已建海底输水管、输油(气)管及海底光缆的情况[1-3],各类海底管线是连接大陆与岛屿的生命线,如因抛石筑堤导致管线断裂,后果不堪设想。因此在海堤建设中,需做好各类已建海底管线的保护工作,确保各类管线安全运行,同时做好管线堤防结合段的防渗、不均匀沉降等衔接工作[4-5]。笔者曾参加宁波新泓口围垦工程、宁波泥螺山北侧围涂工程和温州洞头环岛西片围垦工程中海堤跨越海底输水管、输油管、海底光缆的设计工作,对海底管线的保护处理措施略有体会。本文以温州洞头环岛西片围垦工程为例,介绍海堤跨越大陆引水管线的相关工程方案,供类似工程参考。

2 工程概况

洞头县环岛西片围涂工程位于浙江省温州市洞头县洞头岛的西北侧海岸,堤线总长3 981 m,总围涂面积为255.1 hm2(3 826亩)。工程北侧临海中湖,与霓屿岛隔海相望,南靠洞头岛陆域,西邻东海,东边为北岙后二期围涂工程。工程主要任务是围涂造地,近期用作水产养殖,远期全部作为城市建设用地。围堤工程为3级,按50 a一遇挡潮标准设计,断面为土石结构,主要由抛石堤身和堤背闭气土组成,建堤处涂面高程约为0.3～0.6 m(洞头本岛基面),防浪墙顶高程9.0m,堤顶高程8.0m,堤顶净宽6 m,堤身断面宽度为90～110 m。工程区域地质条件较差,涂面以下有较大厚度的软弱海相软土,厚度约30 m,土层承载力低,渗透性能差,且具高灵敏度、高压缩性及易流变、蠕变等特性。工程附近海区潮汐属正规半日潮,平均高潮位4.03 m,平均低潮位-0.07 m,平均潮位1.97 m。

洞头(温州)陆域引供水一期工程输水管线起点为霓屿岛,穿过海中湖至洞头本岛王山岙,总长度为4 488 m。输水管采用螺旋焊接钢管,规格Q235B,管径DN1 000 mm。水下管线采用S形曲线路由弹性敷设,曲率半径为2 536.25 m,管道平均覆土厚度1.5 m,两端距离岸线约500～800 m段管道覆土约为5m。输水管道终点附近登陆段,位于洞头环岛西片围涂区内,引水管线穿堤而过,与堤轴线相交于堤线桩号0+484.83 m处,交角为46.95°,由于输水管与标准堤斜交,堤身范围内输水管长度为154.9 m,管道覆土深度4 m。

3 工程处理措施

输水管穿堤处现状涂面高程0.6 m,标准堤设计堤顶高程8.0 m,根据土层e-p曲线推求堤身最大沉降约2.6 m,输水管顶部实际最大筑堤高度约11 m,附加压重达200 kPa,因此需要对输水管采取工程保护措施,防止输水管产生过大沉降变形而破坏。

3.1 堤身施工工艺上避免对输水管产生不良影响

原海堤断面经技术经济比较后,选用爆破挤淤断面。实际爆破挤淤工艺对输水管安全影响较大,因此考虑在输水管穿堤处两侧各300 m范围,采用排水板地基处理的斜坡式土石结构断面,在堤身施工工艺上避免对输水管的安全运行产生不良影响。

3.2 输水管上方设置盖板承担堤身荷载

为防止抛石筑堤直接作用于输水管上,导致输水管产生过大沉降变形而破坏,设计考虑在输水管上方涂面处铺设预制盖板,堤身荷载作用于预制盖板上,并由盖板底部桩基础承担,以保证输水管及周围土体不受力。盖板规格分5.6 m×4.9m×0.6m和5.6m×6.9 m×0.6 m 2种,底部打设2排D600 mm预应力管桩,在堤轴线两侧荷载较大处,桩长36 m,在堤内外侧镇压平台范围,桩长30 m,垂直输水管方向桩间距4 m,沿输水管方向根据堤身填筑高度变化,桩间距2.5～3.5 m。

桩间距的确定综合考虑单桩承载力和预制盖板的尺寸二方面因素,桩间距拉大,则单桩设计承载力相应增大,桩长增长,同时盖板平面尺寸增大,承担更大的堤身荷载作用,所受弯矩、剪力也将增大,需要加大盖板的设计厚度和配筋,也需要考虑机械设备的吊装能力。

3.3 附加应力的屏蔽措施

为防止盖板两侧堤身沉降及附加应力传递带动输水管及周围土体沉降,设计考虑在盖板两侧打设密排预制管桩,一方面隔断附加应力传递,控制输水管沉降,另一方面避免盖板两侧土体由于堤身加荷作用,横向挤压输水管。根据沉降计算结果,涂面以下约20 m范围内淤泥层沉降达230.83cm,为沉降主要控制层,占堤身最终总沉降量的85%以上,因此确定盖板两侧密排预制桩桩长20 m,穿透淤泥层,断面见图1。

图1 输水管保护断面图

由于盖板处堤身荷载传至桩基础,盖板以下土体不受力,而盖板两侧土体受堤身加荷作用,对盖板两侧密排预制桩产生侧向挤压的效应。这种情况下,预制管桩类似于桩板式挡土墙,其所受侧向压力可按库伦土压力计算公式计算,然后按M法推求桩身弯矩、剪力和位移,进行桩基设计。

3.4 差异沉降控制措施

盖板底部桩基础打至承载力较高的粉质黏土层,由于桩基础的支承作用,盖板及桩基础最大沉降＜0.1 m。因此,盖板保护区域堤身沉降与两侧堤身沉降差较大,为协调输水管保护段与周围堤段的沉降差,防止堤顶道路及堤身横向开裂,考虑在筑堤高度高,荷载大的盖板两侧一定范围内打设间距较大的预制桩,采用复合地基的处理方式,协调差异沉降。

通过预制管桩打设,与地基土形成桩土共同作用,提高地基承载力,从而提高复合土体压缩模量,降低土体沉降值,按《建筑地基处理技术规范》相关公式计算。考虑到水下搅拌桩作业设备较少,选用常规D600 mm预制管桩,桩间距1.5m,正方行布置,桩长15 m。经计算,复合地基承载力提高至134.8 kPa,淤泥层压缩模量平均提高3.17倍,沉降减少138.1 cm。

3.5 防渗处理措施

由于筑堤高度较高,盖板保护区域之外的软黏土下部深层土体仍有0.25 m左右的沉降,而盖板由桩基础支撑,沉降在0.1 m以内,因此在盖板下方可能形成渗流通道,导致堤后渗水、漏水。考虑采用堵渗的方式,设计异形盖板,布置于堤身闭气土方填筑区两端,异形盖板端部设计2 m深齿坎,插入涂面以下淤泥层中,封堵可能出现的渗流通道。

4 结 语

(1)设计桩基础盖板保护海底管线的同时,应重视保护区域与堤防衔接段的变形协调控制,并做好防渗工程措施。

(2)由于水深及海上风浪作用,打桩及盖板吊装定位均有一定的难度,设计应充分考虑施工难度和可能的施工误差,在条件允许的情况下,适当加大桩基础与海底管线的净距。

(3)由于围垦工程一定程度上改变了工程区域附近的波浪和潮流状况,也可能引起海堤外侧一定范围内滩涂的冲淤变化,因此已建海底管线的覆土厚度可能有所变化,其运行状态和稳定性可能发生变化,值得相关部门的重视。

[1]严其芳.宁波镇海新泓口围垦工程初步设计[R].杭州:浙江广川工程咨询有限公司,2007.

[2]严其芳.宁波镇海泥螺山北侧围垦工程初步设计 [R].杭州:浙江广川工程咨询有限公司,2010.

[3]王晓波.洞头县环岛西片围涂工程可行性研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

[4]中华人民共和国水利部.GB50286—98堤防工程设计规范 [S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[5]浙江省标准海塘建设领导小组办公室.浙江省海塘工程技术规定 [R].杭州:浙江省水利厅,1999.