浅谈排海HDPE管配重工程设计

黄柯

【摘要】排海管道受到浮力、海流力和海浪力的影响，往往需要可靠、经济的稳管措施，保证管道的下沉性能和在铺设位置的稳定性能。本文介绍了HDPE管混凝土配重块的设计方法，为今后的类似工程提供借鉴。

【关键词】排海管道；混凝土块配重；稳定性计算；设计

排海工程是充分利用海洋水体的输移扩散和自净能力进行污水处理，达到保护环境的目的。相对于陆上的污水处理，海洋具有巨大的环境容量和较低的处理成本。

海底管道的管材选择，必须满足设计和海上铺管的施工要求，同时选用最经济的管材。HDPE管与其他传统管材比较具有如下优点：综合造价、维护运行成本低；良好的耐海水腐蚀性，使用寿命长；延展性好，通过自身的移动和弯曲适应强水流的冲击；柔韧性好，能适应水下天然地形，管道能直接铺设于较平坦的海床上。基于上述优点，HDPE管越来越广泛的应用到排海工程领域。

排海管道在浅海和半浅海区，从安全性和稳定性方面考虑往往需要将管道铺设在基槽中。而在深海区波浪对管道的作用力已经很小，管道只要较轻的配重也能保持稳定。配重块的设计包括配重块重量、间距、型式等。HDPE管配置的配重块需要满足以下几个要求：

a. 对于浮沉法施工的管道，负重管能起浮并漂移到指定位置；

b. 能滿足管道的下沉性能，且具有较高的施工效率；

c. 直接铺设在海床上能满足稳定性要求；

d. 能满足安全施工要求，避免管道在施工过程中产生过大的应力和变形。

1.漂浮的最大配重

HDPE管的密度和水相近，浮力由管内的空气提供。管道产生的浮力与管道自身重量和配重块的水中质量相等时，达到平衡状态，既不下沉也不上浮。深海区的压重可取管道排水量的20%～50%。

2.自由下沉

HDPE管到达预定的管线位置时，开始下沉操作。一般考虑管道的重量（含配重）为浮力1.1～1.2倍，即可满足工程铺设的要求。过快的下沉速度容易使管道产生振动和压屈失稳，通常推荐的下沉速度为0.3～0.5m/s。

3.保持水下稳定性的最小压重

铺设在海床上的管道受到海流力和海浪力的作用，通常管道内还积聚有一定量的空气，需要对管道的稳定性进行校核。管道受力如图1所示：

垂直方向力平衡方程为：FN = Wcw + Ww + Wp + Wa - FB - FL

式中：FN - 海床的反作用力；Wcw -混凝土配重块的水中重量；Ww - 管道内水的重量； Wp - 管道在空气中的重量； Wa - 管道空气的重量，可忽略；FB - 管道的浮力；FL - 管道的升力。

管道保持稳定应使水平方向的摩擦力大于等于拖力，即：Ff ≥ FD ，其中 Ff = μFN 。由上式可知，求得拖力FD和升力FL，既可验算管道的稳定性。式中：μ - 海床摩擦力系数。

3.1 海流力

管道受海流力的作用时，受到的力可以分解为：水平方向上的拖力FD；垂直方向上的升力FL。升力随着管道与海床的间距增加而减小，当间距为0.5D（D为管道外径）时，升力大约是管道直接铺设在海床升力的10%。为减小管道的升力，设置配重块后的管道应使管道最底点距离海床不小于0.5D。

3.2 波浪力

深海区波浪破碎的深度小于管道铺设的深度，一般深度大于15m可不考虑波浪力的作用，故可只校核海流力。

4.配重块的间距

控制配重块之间的间距，主要目的是限制管道的应力和变形，过大的变形会增加空气在管道中积聚。减小配重块之间的间距，可增加管道的铺设深度，分散海床上的载荷，减小管道在外载荷作用下移动的可能，并且能使管道沉降过程更为顺利，但过小的间距会影响铺设效率。管道公称直径DN≤300 mm，配重块间距可取为1.5～3m；300 mm

5.配重块结构设计

配重块一般采用适当增强的混凝土制作，可制作成各种形状，如需增加海床的摩擦力，可依次选择圆形、方形、星形。管道在下沉过程中或在锚定地区受海流、海浪力较大时，为防止管道的扭曲和滚动，可采用下重上轻的平底结构。配重块一般由上下两部分组成，并配置提升吊耳，方便制作和安装。配重块和管道之间设有保护层并能防止配重块的滑移。此外配重块的设置还与施工方法相关，施工过程中必须满足管线铺设张力的要求。

6.工程实例

刚果钾肥工厂产生的废弃物主要为固体状态的NaCl和废卤，废卤的主要成分为MgCl2，废弃物成分与海水成分基本相同， 可通过管道直接排入海洋。排放管道采用DN450的HDPE管，公称压力1.6MPa，管内流速约为1m/s。排放管伸入海洋约1000m，离岸600m为浅海区，管道埋于基槽内，埋深2m。管端600m～1000m处，平均深度为18m，HDPE管设置混凝土配重块，直接敷设于海床上，管道最底点距离海床0.3m。配重块尺寸为800×800×350mm，方形，间距为5m。

7.结语

传统排海管道的海上施工费用占工程造价的比例较高。而采用HDPE管显著的降低了工程费用，并能铺设在传统管道无法铺设的场合。HDPE管的大部分工作量是混凝土配重块的制作和安装，因此合理设计配重块具有较大的经济意义。

相对于刚性管道，HDPE管道本身的柔韧性能很大程度上减小地震对管道的破坏，而服务年限内极值风浪的影响将是排海管道稳定性设计的重要控制指标。

近年来管道的自埋技术有进一步发展，可以进一步减小管道配重，增加管道的稳定性，这将是以后排海管道设计的工作方向。

参考文献：

[1] 张玉川等.《水中铺设塑料管道的市场分析和专用技术》.北京塑料工业协会，2006.