泉州市某码头建设工程跨海堤疏浚管道安全分析

孟伟龙

(辽宁泽峰水利规划设计有限公司，沈阳 110004)

0 引 言

近年来我国沿海的港口建设、吹填造地等项目发展迅速，但多数为非水工专业主导项目，对海堤的安全运行及保护成为项目建设的薄弱环节。以中化泉州100万吨/年乙烯及炼油改扩建项目配套码头建设项目为例，重点分析跨海堤输泥管线在设计方案中对水工专业不足部分的分析和补充，提出全面的安全稳定分析计算及震动影响的分析，并给出建议补救措施，对可能存在的风险进行排查，确保海堤的安全运行。通过对安全稳定计算等技术问题的分析与求解过程，为其他行业涉水项目的运行安全提供分析思路与方法。

1 配套输泥管线安全分析过程

1.1 工程概况

1.1.1 跨堤管线

为完成中化泉州100万吨/年乙烯及炼油改扩建项目配套码头工程建设，满足项目区扩建配套码头及5000吨级液体散货船全潮通航要求，拟实施项目应对1-8#泊位前沿水域进行疏浚，对停泊水域、回旋水域及进港航道进行疏浚施工，需完成停泊水域、回旋水域及进港航道疏浚设计。通过绞吸船连接管道，将沿海一带淤泥通过管线输送至海堤背水侧区域，拟铺设的疏浚管线跨堤处位于2#海堤K2+880桩号。

1.1.2 现状海堤情况

疏浚管线跨越段海堤(K2+880)为土石混合堤，采用复合斜坡式断面，堤顶为浆砌块石结构，堤顶宽度为2.70m；混凝土防浪墙墙高0.8m；临海侧在4.50m高程设置3.0m宽消浪平台，平台上部坡比为1∶2.5，采用加糙丁砌条石护坡，平台下部坡比为1∶2.0，采用丁砌条石护坡。背水坡为干砌块石护坡，坡度为1∶1.75。背海侧5.30m高程宽度6.0m为的沥青道路，供工程自身检修运行维护使用。海堤原设计为3级堤防，防潮标准为50a一遇。

1.2 管线跨堤方案解读

1.2.1 管线及布置

疏浚工程施工工艺为绞吸船挖泥，布设管道吹泥至纳泥区。拟从已建泊由水上跨海堤转至陆上，疏浚管道采用Φ700mm和Φ800mm钢管(跨堤段为Φ800mm)，接头为法兰螺栓连接。疏浚管道从海堤里程为K2+880处跨越，管道由水上转为陆上布设，并埋设横穿疏港大道。

1.2.2 管线施工

按照“挖近吹远、挖远吹进”的原则，合理布置船舶、管线平面位置，优化船舶吹填排距。疏浚管道于堤外平台和堤顶平台上放线定位支架搭设平面位置，从下至上依次铺设15cm厚碎石垫层、2cm厚橡胶垫、1.2cm厚钢板，于钢板上焊接脚手架，并于脚手架顶端焊接钢板用于后续放置管线，最后在垫层四周用20cm宽的混凝土进行固定。

1.3 跨堤方案安全分析

通过码头建设单位提供相关的布置管线方案及施工方法，从水工角度应进行全面的安全分析与评价，通过管线施工及运行期间可能产生的工况，进行荷载分析，并计算海堤在多种工况下的迎、背水坡安全系数是否满足规范要求，并对其运行过程中产生无法量化计算的震动荷载进行分析，以确保海堤在跨堤管线施工及运行期间的安全性。

1.3.1 堤面荷载影响评价

吸泥管直接放置于海堤之上，所产生的荷载直接作用于海堤主体结构，荷载包括自重荷载和震动荷载两种传递给现状海堤。输泥管支架底座自上而下依次为钢板、橡胶垫、碎石垫层,可有效扩散集中荷载,减小对海堤的影响,并起到防震的作用,不会破坏海堤堤身防渗体结构。

除海堤堤顶至迎水坡抛石顶采用支架支撑外,吹砂管跨海堤管段基本贴海堤坡面铺设,本次荷载计算将吹砂管对海堤的作用力简化为贴坡面铺设管段的分布荷载及支架处的集中荷载,选取管道跨堤处海堤横断面进行受力分析,则该处亦视作管道对堤身的集中荷载。疏浚吹泥管道跨堤处均采用Φ800mm钢管，现对跨堤段DN800钢管进行荷载计算。

1)分布荷载

DN800钢管(壁厚δ=15mm),单根管空管自重297.7kg/m，即2.977kN/m。砂湿容重取20kN/m3，砂重G=3.14×0.42×20=10.048KN/m，输泥管工作时对海堤的分布荷载为：

(10.048+2.977)/cosα=15.04KN/m(α为坡面与水平面夹角,30°)。

2)集中荷载

集中荷载位于海堤的支架及防浪墙上，其中3号钢架位于堤顶，堤顶段管长2.7m，该位置荷载由3号钢架和混凝土防浪墙共同承担，间距大致相当，故3号钢架荷载(G3)和混凝土防浪墙集中荷载(G3`)为2.7×13.025/2=17.58KN,1号钢架及2号钢架计算自重荷载，其中

G1=(4.6+4.4+1)×13.025×(4.4+2.3)/(1+4.6+4.4)=87.27kN

G2=(4.6+4.4+1)×13.025×(1+2.3)/(1+4.6+4.4)=42.98kN

1.3.2 荷载对海堤整体稳定影响分析

为分析吹砂管荷载对海堤整体稳定的影响程度，将吹砂管荷载加载到海堤上进行抗滑稳定计算。对跨堤处海堤断面进行计算，计算方法：

堤身稳定计算采用水工边坡结构有限元分析系统。程序在计算方法方面采用瑞典条分法。瑞典法计算公式。

计算结果：未设疏浚管道情况设计高潮位、设计低潮位及地震工况安全系数分别为1.28、1.32、1.25；增设吹砂管情况设计高潮位、设计低潮位及地震工况安全系数分别为1.23、1.25、1.13。由计算结果可知，吹砂管跨堤处现状临水、背水坡最小抗滑稳定安全系数均满足原设计3级堤防要求。(正常运用情况下≥1.20，地震工况下≥1.05)；将按上述方法进行简化后的疏浚管道加载到海堤上之后，在相同计算模式及工况下，海堤现状临水、背水坡最小抗滑稳定安全系数亦满足要求，且加载后堤身整体抗滑稳定安全系数差别不大[1]。

1.3.3 输送震动影响评价

根据已实施的相似工程运行情况，输泥管输送时震动轻微，启动、停止历时均约为30min，有缓冲过程缓慢启停，不存在紧急启动、紧急刹车的情况，施工过程中应合理安排施工组织，科学采用施工工艺，对海堤位移进行同期监测。

由于吸泥管规模较小，结构重量较轻，且作为临时结构不会长期作用于堤防上，故自重对于海堤稳定影响很小。而吸泥管施工过程中造成的动荷载作用，势必对海堤的断面稳定及安全运行产生负面影响，将对堤基土层产生不同程度扰动，此动载的作用时间及幅度随机性较大，无法定量计算，但由于本项目区地处范围为地震区，根据《泉州市惠安县外走马埭海堤提及加固工程初步设计报告》，该地区原海堤抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组。原海堤已考虑地震荷载作用，其堤身已考虑抗震设计，故震动情况对海堤影响较小，同时施工过程中通过加强监控与观测，合理安排工期避开台汛等措施可以进一步降低风险。综上所述，该管线产生的荷载对现状海堤影响很小。

2 管线安全分析思路与方法

通过以上分析与评价的过程，对跨堤管线的安全分析思路方法总结如下：

2.1 收集跨堤方案设计资料，掌握总体方案布置

通过资料收集，掌握管线布置的基本情况，对整体布局有个清晰的脉络，为下一步的计算提供基础数据，并为整体定性分析做铺垫。

2.2 解读跨堤施工设计方案，计算工况稳定参数

通过整体布局方案，解读跨堤段详细施工设计内容，提出建设及运行期堤防跨堤段可能发生的工况进行分析，结合堤防在不同工况下的水位遭遇情况，绘制各类工况下的受力分析图，并进行整体稳定计算。

结合本次案例，通过对管道建设前后的高潮位、低潮位、地震工况组合计算，可以分析出在不同受力情况下的堤防安全稳定参数，注意堤防迎背水坡均可能发生失稳，在计算中须全面考虑计算范围，本次案例列出结果为左右岸最小计算值，通过现行设计规范进行参考，判断方案是否安全可行。

2.3 对可能产生的不利影响进行定性分析，提出化解风险相关措施

结合总体布置方案，对很难量化计算的可能产生的威胁进行定性分析，诸如管道启动及关闭输砂可能产生的水锤震动，可以通过调整运行调度等方式降低风险，并提出水工专业补救措施建议，通过专业化手段化解风险。

2.4 运行监测及后评价

项目在运行后，对期间出现的情况进行及时反馈与总结，形成联动机制，对即时发生的问题第一时间处理，事后对工程运行及补救情况总结反思，为以后相关工程的实施提供经验与保障[2]。

3 跨堤管线工程建议措施

根据本次码头建设单位提供疏浚管道施工方案的分析与评价，明铺跨堤管线，减震措施及防渗措施难免过于粗放，额外考虑堤防道路震动影响，从水工角度分析提出补救措施如下：

3.1 管线防渗措施

疏浚管道采用接头为法兰螺栓连接建议优化。建议明确在每节吹砂管线法兰盘之间采用优质橡胶做垫圈，法兰螺栓宜均采用高强度螺栓。在管线外包裹两层防水布，万一管线渗水，水不会冲刷堤身，影响堤身安全及稳定。

3.2 消除水锤措施

建议在绞吸船上安置压力表及流速表，实时监控管线运输状态，并在吹砂管上每隔500m设置一个活塞装置，自动排气，如果出现堵管或者水锤现象，可以立即停止吹砂作业，进行管线排查。

4 结 语

近年来我国沿海的港口建设、吹填造地等项目发展迅速，但多数为非水工专业主导项目，针对海堤的安全运行及保护成为项目建设的薄弱环节。文章论述了中化泉州100万吨/年乙烯及炼油改扩建项目配套码头工程疏浚管道跨海堤施工对外走马埭海堤的安全影响及分析评价全过程，通过对跨堤输泥管线各类工况的稳定分析计算，确定其工程安全性及可靠性，对运行工况震动影响进行分析，提出相关安全措施方案，对堤防交叉施工管理提供技术参考。文章通过对安全稳定计算等技术问题的分析与求解过程，为其他行业涉水项目的运行安全提供分析思路与方法，提出分析其安全量的定性计算方法及定性震动稳定分析思路，并提出水工专业相关防渗及消除水锤的专项补救措施，并给出建议补救措施，对可能存在的风险进行排查，确保海堤的安全运行，对非水工行业项目涉水安全分析提供了借鉴，具有一定指导意义。