浅谈配重块在海底PE管中的设计

杜年夫 林瑞润

【摘要】由于浮力的作用，海底PE管仅依靠管道自身重力，不能保证海底PE管道的稳定及安全，需在PE管上适当配重，确保海底管道施工及运行的安全。介绍了配重块的设计、选型及设计注意事项，为其他海底PE管道敷设提供借鉴。

【关键词】海底PE管；配重块；敷管方式；混凝土配重块

引言

我国海岸线长，海岛众多，随着海岛的经济发展，淡水不足已经成了制约海岛经济发展的主要因素。为了促进海岛地区的经济发展，提高海岛上居民的生活水平，需增加岛外引水项目对海岛供水。现今，岛外引水主要采用钢管、复合PE管、PE管等，因钢管易腐蚀且投资较大，复合PE管在弯曲后恢复能力较差、给检修带来不便、难重复利用，因此海底PE管被广泛应用。但PE管管材密度较海水密度小，因此在海底铺设PE管时需增加配重设施才能使其沉入海底并保证管道后期运行不上浮。

1.配重块设计

在计算中，首先应确定每延米管道的配重块重量，配重块的重量主要取决于配重块的材质、PE管的浮力及管中空气的占有量等因素。公式为：

F=（G配+G管+G水）/（F配浮+F配浮）

F—管道的抗浮安全系数，一般不小于1.20；

G配—每米管道上配重块的重量；

G管—每米管道的重量；

G水—每米管道中水的重量；

F配浮—每米管道配重块的浮力；

F配浮—每米管道的浮力。

配重块有多种形式，在工程中常做成Ω形、方形、环形等形状。选择配重块的形状与敷管形式有关，敷管形式主要有大开挖敷管和水力冲挖敷管等形式，一般情况，方形和环形配重块可适用于水力冲挖敷管法，Ω形、方形、环形配重块均可适用于大开挖敷管法。

因管道在敷设时，管道从托管架滑入开挖槽内，需考虑配重块的间距以满足敷设要求。如果配重块间距较小，会限制管道在敷设过程的变形量，同时会限制PE管的弯曲变形，但配重块间距较小可以避免船只抛锚对管道造成的破坏。综合考虑，配重块的间距应控制在1m～2m。

2.工程实例

2.1工程概况

舟山市大陆引水三期岱山段工程（海上段）主要由岱山岛引水工程、衢山岛引水工程和秀山岛引水工程组成，其中衢山岛引水工程跨海段输水管道长15.35km，输水管道均采用PE100dn560SDR11管，管外径560mm，壁厚50.8mm。除穿越海缆采用定向钻牵引敷设外，其余均采用大开挖埋地敷设，管顶覆土深度不小于1.5m，部分穿越航道段管顶覆土不小于2.0m，管道沿线需配置配重块。

2.2工程地质

场地内地层可将勘探深度内的地层自上而下划分为Ⅰ层淤泥、Ⅱ1层淤泥质粉質粘土、Ⅱ2层淤泥质粘土、Ⅲ层砂和砂砾、Ⅹ层基岩。Ⅰ层淤泥、Ⅱ1层淤泥质粉质粘土、Ⅱ2层淤泥质粘土，具有含水量高，孔隙比大，强度低，渗透性弱等特点，是工程区主要控制层，适宜于开槽埋设管道。Ⅹ层基岩衢山沙塘咀岬角基岩向海延伸约200m，推荐工程距其最近140～220m，没有影响。

管道地基土为浅层软土，可能存在沉降问题。海底浅层气不会对管道工程施工和运行安全产生影响。工程区存在饱和Ⅲ层砂和砂砾，拟建场地为轻微液化场地，建筑的基础和上部结构处理亦可不采取措施。

2.3配重块设计及方案比较

海水容重取1.04×103kg/m3，管道内考虑充水面积为50%管道断面面积。管道在海底受到的浮力为256.15kg/m；管道自重为77.34kg/m，管道中考虑充有50%管道断面面积水的重量为82.45kg/m，则：

根据海底管道的施工、运行及管理要求，参照目前国内主要的已建或拟建海底管道，海底段管道配重可采用混凝土配重块或铸铁配重块。

①混凝土配重块

经上式计算，确定海底输水管道沿线每延米配重块重539kg，考虑管道中有50%管道断面积水，抗浮安全系数为1.48，满足要求。考虑配重块间距为1.5m，混凝土配重块采用Ω型结构，壁厚12～15cm，经过断面设计及计算，每块配重块重808kg。

混凝土配重块每公里投资为88万元。

②铸铁配重块

经上式计算，确定海底输水管道沿线每延米配重块重180kg，考虑管道中有50%管道断面面积水，抗浮安全系数为1.21，满足要求。考虑配重块间距为1.5m，铸铁配重块采用环形结构，配重块厚度为8cm，经过配重块的断面设计及计算确定，每块配重块重270kg。

铸铁配重块每公里投资为108万元。

经综合比较，混凝土配重块方案投资较铸铁配重块方案投资小，且混凝土配重块方案抗浮安全系数较铸铁配重块高，另外混凝土配重块抗腐蚀能力较铸铁配重块强。混凝土配重块的缺点是预制需要较长时间，同时需要较大预制场地。与混凝土配重块比较，铸铁配重的优点是，尺寸较小、便于安装及运输；强度高，管道敷设时不易损坏。考虑本工程水深较深、海底潮流较大，为加强海底管道稳定的安全性，推荐海底管道采用混凝土配重块进行配重。

3.配重块的其他要求

（1）为使Ω型配重块与管道固定在一起方便施工，需在配重块底部设置钢板，同时钢板与配重块采用螺栓固定，螺栓需满足结构要求；

（2）Ω型配重块安放时，需使平面平稳放置在沟槽内；

（3）混凝土配重块需配筋以满足在吊装及运行时混凝土的开裂；

（4）在配重块顶部需设置排水孔，有利于在敷管时将配重块下面的空气排出，减小浮力；

（5）为了便于配重块的安装，配重块内径需略大于管道外径；

（6）为了防止在安装配重块时对管道造成损坏，需在PE管外增加一层保护层，材料可选择橡胶或者复合土工布；

（7）为了便于安装，需在配重块顶部设置吊耳或者吊孔；

（8）两个配重块之间需采用短环链连接，使整段管道的配重块连为一体，防止因潮流使配重块发生滑动，进而使局部管道配重不足发生上浮现象。

4.结论

海底PE管敷设过程中，在不同地质及不同施工方式的情况下，会选择不同类型的配重块，同时需考虑施工时间的限制，本工程为其他海底PE管配重块设计积累了可供参考的经验。

参考文献

[1].《室外给水设计规范》（GB50013-2006）（2014年版）；

[2].《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ63-2008）；

[3].《城市给水工程建设项目建设标准》（建标120-2009）；

[4].海底PE管道工程中配重块的设计和应用，李俊。