海洋环境下矩形排水沉管结构计算方法

王军，吴文聪，邓涛，龙素华

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

海洋环境下矩形排水沉管结构计算方法

王军，吴文聪，邓涛，龙素华

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

以港口工程的相关规范为基础，总结了海洋环境下火力发电厂的矩形排水沉管结构设计中应考虑的要素、原则和计算方法。施工期的沉管结构内力计算采用板壳单元建立模型，同时得出横、纵向内力。使用期和检修期的沉管结构的横向内力计算采用框架梁模型，纵向内力计算采用弹性地基梁模型，计算中考虑不均匀基床系数、管节间接头形式、土压力、水压力及温度荷载等影响。结果表明，横向内力的控制工况发生在使用期，纵向内力的控制工况发生在施工期。文中提出了矩形排水沉管结构在海洋环境中的计算方法，可为类似工程提供借鉴。

矩形沉管；海洋环境；港口工程

0 引言

位于海湾附近的火力发电厂一般用海水作为冷却水，为避免排水系统排出的热水对电厂取水的影响，电厂取排水系统经常采用“近岸取水，深海排水”的布置原则，排水沟道的长度往往很长，在这种情况下，采用浅埋管涵暗排与明渠排水、隧洞排水相比拥有巨大的成本和工期优势，同时能够明显减小对环境的影响。

与陆地的排水管道相比，海洋环境下的排水沉管要考虑的因素更加复杂，面临的工作环境也更加恶劣。根据文献[1]，排水沉管应按照港口工程的有关规范执行，因此其设计标准和方法与陆地的给排水管道设计有很大不同，目前国内鲜有与其设计相关的系统论述。本文以实际工程为例，详细总结了排水沉管结构设计中应考虑的主要因素、设计原则和计算方法。

1 工程概况

某火力发电厂为滨海电厂，现进行二期改造扩建工程。电厂循环水系统以海水为水源，采用直流供水系统。改造后的循环水系统流程为：取水头→自流取水沟道→循环水泵站前池→拦污栅→旋转滤网→循环水泵→液控蝶阀→循环水压力进水管→凝汽器及辅机→循环水回水沟→虹吸井→自流排水沟道→排水口→大海。为避免电厂排出的热水对电厂取水的影响，取水点位于厂址西侧深槽-5.0m等深线附近，距离厂区约730m；排水点位于厂址西南侧深槽-10.0～-14.0 m等深线附近，采用远岸深排方式，距离厂区约1 800 m；排水点和取水点距离约1 300 m。经过技术经济方案的比选，最终选定排水沟道采用矩形沉管结构。

2 结构设计方案

本期工程排水沟道的海域段采用预制矩形沉管，预制排水沉管采用三孔箱型结构，单孔过水断面尺寸为4.0 m×4.0m（根据排水工艺确定）。标准管节长度为30 m，预制沉管的顶板、底板、侧板均为500 mm，中隔板为400mm。

为了满足不阻碍船舶通航要求，排水沉管上覆层顶控制不高出原泥面，同时为了满足船舶可能的抛锚情况，防止抛锚对沉管的破坏，沉管顶部须一定厚度覆盖层。针对以上因素，沉管两侧回填开挖料，顶面覆盖石料层厚为1.2m，从上往下依次为60～150 kg块石厚700 mm，10～100 kg块石厚500 mm。覆盖石料层向两侧设置1∶3边坡。见图1。

沉管采用钢浮箱与浮吊相结合的安装工艺，沉管基础采用碎石墩+灌熟料砂（砂混水泥）基础，对接采用顶面搭接式，底面和侧面承插式，并在接头设置橡胶止水带，通过对拉千斤顶进行拉合管节，实现排水沉管不漏水、不漏砂的功能要求。见图2。

图1 排水沉管典型断面图Fig.1 Typicalsection of the immersed drainage tubes

图2 排水沉管纵向安装图Fig.2 Installation of the immersed drainage tubes

3 地质条件和地基基床系数

地质条件是沉管设计的基础条件。本工程拟建场地上覆地层为第四系全新统人工填土（Q4s）、海相沉积层（Q4m）、冲洪积层（Q4al+pl）、上更新统残积层（Q3el），岩性为淤泥质粉质黏土、中粗砂、粉质黏土、残积土。下伏基岩地层为燕山早期侵入岩（μγ52(3)a），岩性为花岗岩。

地基基床系数可以通过原位测试或经验公式确定，也可以采用Biot理论公式进行推算[2-3]：

式中：ES为地基弹性模量；ν为泊松比；B为地基基础宽度；E为基础弹性模型；I为基础截面惯性矩。

本工程排水沉管海域段长约1 800 m，沿程地质条件变化较为复杂，沉管基础选取的持力层有残积土、全风化花岗岩和强风化花岗岩。计算过程中应沿程选取不同的钻孔分别进行地基基床系数的计算，对不同土层综合作用的ES则采用加权平均。

沉管的横向内力应根据地基刚度和所承受的荷载情况分区段计算，原则上不同地基基床系数的区段均应计算。

使用期和检修期的沉管纵向内力计算应考虑地基基床系数不均匀的影响，不同区段的沉管应选取不同的地基基床系数。

地基土的物理力学指标见表1。

表1 地基土物理力学参数Table 1 Physicaland m echanical parametersof soils

4 作用荷载分析

4.1 土压力

沉管所受土压力除考虑回填土石外，还应考虑沉管上方泥沙回淤的影响，可假定沉管在长期使用过程中，泥沙回淤至原海床泥面，取最大回淤厚度进行计算。土压力的计算采用水土分算的原则。

1）竖向土压力

作用在开槽施工的管道上的竖向土压力，目前都是采用美国马斯顿（Anson Maston）于20世纪初根据试验研究提出的土压力理论及计算方法[4]。其基本概念是作用于管道上的土压力不等于管道本身宽度范围内上部土柱体的重量，而决定于管道上部土柱体与其两侧土体的相对竖向移动及其移动的趋向：也就是当管道埋设和回填完毕后，如当管道上部土柱体下沉量比其两侧土体的下沉量大，管道上部土柱体在下沉过程中受到两侧土体产生的向上的摩擦力，管道上作用的土压力要小于上部土柱体重量；反之，当管道上部土柱体下沉量比其两侧土体的下沉量小，则管道上作用的土压力要大于上部土柱体重量。根据马斯顿理论结合本工程沉管的铺设条件和施工方法，沉管的管顶竖向土压力可依据文献[5]中的规定计算，管顶竖向土压力标准值：

式中：Cd为开槽施工土压力系数，与开槽宽有关，一般可取1.2；γs为回填土的重力密度，kN/m3；Hs为覆土厚度，m；Bc为管道的外缘宽度，m，当为圆管时，应以管外径代替。

2） 侧向土压力

作用于管道的侧向土压力，通常是主动土压力或静止土压力。考虑到开槽施工时，基槽内是回填土，由于初始变形的存在，经常会形成槽帮土体出现主动平衡裂线，因此一般按照主动土压力计算[4]。本工程沉管侧向土压力采用朗肯土压力公式计算。

4.2 温度荷载

排水温升的存在会导致沉管内外产生温度荷载。根据工艺条件，夏季运行时，排水沟道内循环水比取水沟道内循环水温度会上升10℃，冬季运行时会上升14℃。因此，排水沉管内外的最大温差为14℃，发生在冬季。进行结构分析时，需在梁单元的两侧施加温度梯度荷载。对于梁单元，假定单元纵向为x轴，截面上为y轴和z轴，温度梯度作用在某节点引起的弯矩为：

式中：E为材料的弹性模量；I为截面对于y轴和z轴的惯性矩；ΔT为y轴和z轴方向的温度梯度；α为材料的线性膨胀系数，对于混凝土，可取1.0×10-5/℃。

现在流行的大型通用有限元软件Ansys，Lusas FEA和Midas GTS NX等均可直接输入温差，从而求出温度梯度产生的弯矩。

4.3 内外水压差

根据工艺条件可知，排水沉管的内外水压差为2 m，海水密度10.25 kN/m3，则内外压力差为20.5 kPa。

5 沉管横向内力计算

5.1 计算原则

1）根据文献[6]，考虑本工程的重要性，结构安全等级为二级。

2）施工期沉管的内力宜采用板壳单元建立管节模型，根据施工期的边界条件和所受荷载情况，同时求得外壁和隔板的横向和纵向内力，详见第6节。

3）使用期和检修期的沉管横向内力分析，宜采用框架梁的模式，取纵向宽度1 m的断面进行计算。

4）采用文克尔弹性地基梁法模拟基础对于沉管的作用。

本文选取地基较弱的残积土段作为算例，其地基基床系数经过理论推算和经验分析，取值为20 000 kN/m3。采用竖向弹簧模拟地基，若单元宽度取0.20 m，则弹簧系数为20 000×1×0.2= 4 000 kN/m。

5）排水沉管应进行构件承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算[7]。承载能力极限状态设计需考虑持久组合和短暂组合；正常使用极限状态采用准永久组合，裂缝等级应按三级，最大裂缝宽度不应超过0.3 mm。

5.2 荷载组合

排水沉管的横向内力计算考虑使用期和检修期，其荷载组合有以下几种。

承载能力极限状态——持久组合：

1）自重+土压力

2）自重+土压力+管内外水压差

3）自重+土压力+管内外水压差+温度梯度荷载

承载能力极限状态——短暂组合：

4）自重+土压力+单孔排水的管内外水压差（检修）

正常使用极限状态——准永久组合：

5）自重+土压力

6）自重+土压力+管内外水压差

7）自重+土压力+管内外水压差+温度梯度荷载

参考港口工程的相关规范[7-8]，承载能力极限状态计算采用的分项系数见表2。

表2 荷载作用分项系数Table2 Partial factorsof actions

5.3 计算模型和计算结果

1）有限元模型

沉管结构采用C40混凝土，其物理力学指标为：密度ρ=24.5 kN/m3，弹性模量Ec=3.25×107kPa，泊松比ν=0.2，线膨胀系数1.0×10-5/℃。

矩形沉管断面采用框架梁结构进行分析，采用的有限元软件为midas GTSNX，使用梁单元模拟沉管外壁及隔板，按照5.1的原则进行输入。计算的有限元模型见图3。

2） 计算结果

图3 排水沉管有限元模型Fig.3 FEM modelof the immersed drainage tubes

持久组合的控制工况为组合3），计算结果如图4、图5所示。其余各工况计算结果因受篇幅限制，不再列出。

图4 持久组合3）弯矩图（单位：kN·m/m）Fig.4 Bendingmoment(kN·m/m)of thepersistentcom bination 3)

图5 持久组合3）剪力图（单位：kN/m）Fig.5 Shear force(kN/m)of the persistent combination 3)

6 沉管纵向内力计算

6.1 计算原则

1）在沉管的预制阶段、下沉阶段和对接阶段，采用板壳单元建立模型，同时求得施工期沉管的横向内力和纵向内力。

2）在沉管的使用期和检修期，纵向内力计算采用梁单元对排水沉管建立整体模型，地基基础采用弹簧模拟，地层变形遵从文克尔假定。

3）为考虑沿程变化的地基刚度对结构内力的影响，不同区段的沉管应选取不同的地基基床系数。

4）本工程排水沉管管节长30 m，管节之间的接头采用止水带连接，无横向和纵向剪力键，为柔性接头，在纵向受力计算时作为铰接处理。

5）不计土体的水平抗力，仅考虑土体对水平沉管段的轴向变形的摩擦阻力。竖向弹簧用只受压的线性弹簧单元模拟。

6）计算时只约束模型的横向位移。

6.2 荷载组合

1）沉管预制阶段（施工期）

沉管在干坞内预制，采用半潜驳出运。沉管出运时在底部铺设气囊，计算时考虑铺设4条气囊，气囊铺设部位采用滑移支座模拟。

2）沉管下沉阶段（施工期）

采用浮吊与浮箱助浮的安装工艺。作用荷载有助浮钢浮箱向上浮力和起吊荷载，计算考虑8点吊。

3）沉管对接阶段（施工期）

沉管对接时，一端支撑于已经安装完成的沉管上，一端支撑于碎石墩上。

4）沉管使用期和检修期

沉管顶部和底部均与土体或者回填块石接触，纵向计算不考虑梁的上下温差，因此纵向计算不需要考虑温差的作用。作用于沉管上的荷载为沉管浮重+沉管覆土重+地基反力（采用弹簧模拟）。

荷载分项系数见表2。

6.3 计算模型和计算结果

1）有限元模型

计算采用有限元软件ANSYS。

对于施工期沉管，采用壳单元shell43建立管节模型，模型边界条件和所受荷载视实际情况而定。如图6所示。

图6 排水沉管管节的有限元模型Fig.6 FEM modelof one immersed drainage tube

对于使用期的沉管，采用梁单元beam189模拟管节，根据不同的地质及地形，施加不同的覆土重和弹簧参数，建立排水沉管的整体模型。管节间接头采用铰接处理，梁截面采用ANSYS的自定义梁截面功能；弹簧采用combin14单元，弹簧的刚度系数=地基系数×弹簧控制的长度×管节的宽度。

2）计算结果

通过计算可知，施工期沉管的纵向内力起控制作用，横向内力不起控制作用，部分计算结果见图7、图8。结合5.3节分析，使用期沉管的横向内力起控制作用，纵向内力不起控制作用。

图7 下沉阶段排水沉管弯矩图Fig.7 Bendingmoment during sinking phase

图8 对接阶段排水沉管弯矩图Fig.8 Bendingmoment duringmating phase

海域排水沉管的重量和长度限于安装工艺的要求，长度一般在30m左右；其只通水不走人的使用功能，使其接头形式较沉管隧道简单的多，整体模型计算中简化为铰接进行处理。同时由于受较均匀的地基的约束作用，使用期排水沉管的纵向计算内力一般较小，对配筋不起控制作用。

7 结语

海洋环境中采用的矩形排水沉管结构已经超出了给水排水工程相关规范的应用范围，若采用沉管隧道的设计标准，由于其规模和使用要求与沉管隧道相差甚远，则会造成巨大的浪费。目前国内尚未见到对其设计的详细介绍。

本文以实际工程为例，依据港口工程的有关规范，对海洋环境中矩形排水沉管设计应考虑的要素、原则和计算方法进行了详细的梳理，为其他工程提供借鉴。

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[3] 仲锁庆，张西平，潘海利.地基土基床系数研究[J].地下空间与工程学报，2005，1（7）：1 109-1 112. ZHONG Suo-qing,ZHANG Xi-ping,PAN Hai-li.Study on foundation soil coefficient of subgrade reaction[J].Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering,2005,1(7):1 109-1 112.

[4]沈世杰.给水排水工程结构设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007：1 343-1 345. SHEN Shi-jie.Structural design manual of water supply and drainageworks[M].2nd ed.Beijing:China Architecture&Building Press,2007:1 343-1 345.

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[6]JTS141—2011，水运工程设计通则[S]. JTS 141—2011,General rules for design of port and waterway works[S].

[7]JTS 151—2011，水运工程混凝土结构设计规范[S]. JTS 151—2011,Design code for concrete structuresof port and waterway engineering[S].

[8]JTS167-2—2009，重力式码头设计与施工规范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

Structural calculation of rectangular immersed tubes in marine environment

WANG Jun,WUWen-cong,DENGTao,LONGSu-hua
（CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

Based on relevant codesof portengineering,we summarized the structural design factors,princip lesand calculations of the thermal power p lant's rectangular immersed tubes inmarine environment.Tubemodelwith shell elementwasused in the internal force calculation during construction,and the transverse and longitudinal internal forceswere drawn simultaneously. Frame beam modelwas used to calculate transverse internal force,elastic foundation beam model to calculate longitudinal internal force in the period of use and maintenance.The factors including uneven coefficient of subgrade reaction,joint between tubes,soil pressure,water pressure and temperature were taken into consideration.The results show that themaximum transverse internal force occurred in the period of use,themaximum longitudinal internal force occurred in the construction period. The calculation method of rectangular immersed tubes in marine environment is introduced to provide reference for similar engineering.

rectangular immersed tube;marine environment;portengineering

U655.5；TU470

A

2095-7874（2015）05-0031-06

10.7640/zggw js201505009

2014-12-07

2015-02-15

王军（1982— ），男，山东青岛人，硕士，工程师，港口工程专业。E-mail：junw886@126.com