自浮橡胶排泥管工程应用研究

杨志，周丙浩，李 晟

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

引言

自浮管是在排泥管周围外包浮体材料，能独立漂浮于水面的疏浚管系，具有浮力大，重量轻，占用体积小，易运输，安全，水动力性能好等优点[1]，是现在绞吸式挖泥船输泥管系的发展方向。秦崇仁[2]等人，对自浮式与浮筒式排泥管的稳定性和抗风浪能力进行了比较研究;钟培辉[3]等人，对自浮式输泥管快速接头进行了设计研究；本文针对东帝汶帝巴湾某码头项目疏浚回填工程，采用自浮橡胶排泥管与钢管相结合的管线形式，对自浮橡胶排泥管的水动力性能和工程应用情况进行了研究分析。

1 工程背景与模型

1.1 工程背景

东帝汶帝巴湾新集装箱码头项目疏浚回填工程，距东帝汶帝力港约10 km。项目整体规模为2个7 000 TEU 集装箱泊位，码头长度630 m，另有80 m 长拖轮码头，施工区平面示意图如图1 所示。

图1 施工区平面示意图

疏浚区域包括港池、码头泊位（含基槽）、拖轮泊位、额外取土区，总疏浚工程量534 万m³。港池区设计深度-16 m，边坡为1:5 或1:8；泊位区设计长度630 m，宽度70 m，疏浚深度-16 m；基槽设计底宽29 m，底长665.4 m，疏浚深度-19 m，基槽西侧及北侧边坡1:5，东侧边坡1:8，南侧边坡1:3；设计抛泥区位于航道东北方向，距离口门约2.2 km，直径500 m，抛泥区南部水深55～65 m，北部水深大于65 m。

吹填区面积约2.6×105 m2，吹填需在设计标高基处上考虑预留20 cm 沉降，流失量按12 %估算，总回填量为318 万m³。为满足环保要求和便于吹填施工，共设置了4 条临时围堰。

1.2 模型参数

自浮橡胶排泥管漂浮材料与管体和外覆层牢固粘接在一起，自浮管接头由法兰和圆形筒体组成，管道之间采用法兰螺栓连接。橡胶排泥管内径850 mm，设计工作压力2.5～3.0 MPa，法兰筒体部分内衬层厚度40 mm，外覆层厚度20 mm；管接头法兰外径1 120 mm，法兰厚度50 mm，圆筒体厚度14 mm，螺孔个数24，中心圆直径1 020 mm，孔径33 mm。保压时间≥45 min，设计工作压力下，橡胶排泥管长度变化率-2 %～5 %；1.5 倍设计工作压力下，橡胶排泥管长度变化率-2 %～7.5 %；最小爆破压力应不低于设计工作压力的3 倍。漂浮材料密度0.1～0.11 g/cm3，吸水率1.5 %～2 %；23℃×72 h、25 %压缩率下，压缩永久变形≤35 %；100℃×5 h 下，热萎缩率≤10 %。

2 自浮管水动力特性分析

2.1 工况条件

帝巴湾海湾内风浪较弱，主要为4 级风，风速5～7.5 m/s，东南向；半日潮，最高潮位+2.6 m，平均大潮高潮位+2.4 m，平均大潮低潮位+1.5 m，平均海平面+1.35 m，平均小潮高潮位+1.2 m，平均小潮低潮位+0.3 m，最低天文潮高程0.0 m；水流也比较小，通常在0.2 m/s 以下，近海处沿着暗礁，流速有时会达到0.5 m/s。

帝巴湾水域主要由珊瑚礁盘和澙湖构成，珊瑚礁盘区钻孔结果显示为珊瑚砂，细颗粒含量大小不均，分布无明显规律，澙湖区钻孔结果显示-16 m以上均为淤泥和粘土，两种土体材质差异显著，边界线大致可按等深线确定，等深线稠密的区域为珊瑚礁边坡，等深线稀疏的区域为潟湖区。

2.2 计算模型

一节浮管管段由直径1.77 m、长11.8 m 自浮橡胶管和直径0.886 m、长6.0 m 的钢管组合而成。按帝巴湾实测流速分布图，分别模拟潮流流速0.3 m/s和0.5 m/s 时，11.8 m 自浮橡胶管、6.0 m 钢管的垂向流阻。根据浮管安装位置和输送泥浆时的浮管实测位置，将浮管漂浮状态分为2 种，分别为自浮橡胶管漂浮于水面体积为10 %和25 %：

自浮橡胶管①漂浮于水面体积为10 %时，自浮橡胶管水面以下深度为1 490 mm，钢管全部浸没于水下，水面至管顶的深度为162 mm。

自浮橡胶管②漂浮于水面体积为25 %时，自浮橡胶管水面以下深度为1 245 mm，钢管水面以下深度为803 mm。

根据浮管模拟状态和模型尺寸，自浮橡胶管的直管段模型建立、坐标系及网格划分如图2 所示。

图2 ANSYS 计算模型

两种浮管状态下的模型参数如表1 所示。

表1 模型参数

2.3 结果分析

1）幅值响应算子RAO

幅值响应算子RAO 是反映微幅波条件下管线运动响应的重要参数，针对工程需要，计算分析90°浪向下，管道的横荡运动和一阶波浪力。计算水深取50m，管道位置取①、②两种状态，计算频域为0～3 rad/s，计算步长为0.1 rad/s。如图3 所示，为90°浪向下，橡胶浮管和钢管的横荡频率响应曲线。

图3 横荡RAO

由上图可知，90°浪向下，橡胶浮管的横荡响应总体较高，随着频率的增加，横荡幅值明显降低；钢管的横荡响应总体较低，输送泥浆时，橡胶浮管和钢管的横荡响应均有所增加；1 rad/s～3 rad/s 频率区段内，橡胶浮管和钢管的横荡响应幅值均位于5以下，稳定性与耐波性能较好。

2）波浪一阶力

如图4 所示，为90°浪向下，橡胶浮管和钢管y方向上的波浪一阶力频率曲线。由图可知频率为 1.5 rad/s 时，橡胶浮管所受一阶波浪力最大，可达21 000 N/m，此时需提高管道接头处的检查频率，降低管线影响率，提高疏浚时间利用率；频率为 2.2 rad/s 时，钢管所受一阶波浪力最大，但总体受力较小，均在1 200 N/m 之内，影响较小。

图4 波浪一阶力Fy—F-K+diffraction force

3）流载荷

根据工况条件和实测流速分布图，本工程主要考虑流速为0.3 m/s 和0.5 m/s 时，管段所受的流载荷，如表2 所示，排泥时自浮橡胶管段所受的流载荷最大，流速为0.3 m/s 时，所受流载荷为1 589.5 N；流速为0.5 m/s 时，所受流载荷为4 415.28 N。

表2 流载荷

根据浮管所受流载荷、波浪一阶力和具体施工地形，本工程管线采用4 点系泊方式，每两根一组对称布置。

3 工程应用

3.1 管线调遣

东帝汶的运输公司规模小，运输速度慢，帝力港需要使用货船自带的吊机卸货，且泊位有限，有滞港危险。根据工程背景，结合自浮橡胶管浮力大，重量轻，占用体积小，易运输，能经受住拖轮碰、顶、撞且调遗、排管方便等优点，最终确定采用自浮橡胶管与钢管相结合的管线形式，委托国际物流公司承担管线运输与调遣。

3.2 管线布置

绞吸开挖淤泥外抛施工浮管长度约3.5 km。浮管铺设时，先将浮管在靠近施工区约4 km 的帝力海滩区域拼接，然后拖运至现场；浮管管线布置呈近似流线型弯曲，不可形成死弯；每隔100 m 设浮管锚固定浮管，涨、落水锚间隔布设；浮管留有足够的富余长度，在重载之下仍然要露出水面以上，以保证绞吸船的施工需求。

岸管采用汽车装运，陆路运输进入施工现场，沿各回填区的围堰铺设进入吹填区内，多采用岔管及三通管，以减少接管及延伸管线的时间，提高船舶的时间利用率。在吹填区东侧布设1 个管线登陆水陆管架，管架设置牢固，水陆管架与浮管用橡胶软管连接，沉管用钢丝绳八字形固定在岸上或抛锚固定，防止因漂动将接头拉脱。

3.3 应用分析

2019 年4 月4 日A1 区开挖，挖深-16 m，排距1 101～1 229m，排压 11 bar，实测疏浚方量 108 179.3m³，平均挖泥时间利用率62 %，最高时率72 %，管线影响8.3 %，对时间利用率总体影响不大；2019 年4 月13 日C 区开挖，挖深-7.5 m，排距1 229～1 571 m，排压在11 bar，实测疏浚方量 178 007.3 m³，平均挖泥时间利用率58 %，最高时率92 %，管线影响1 %，大大降低了管线对施工时间的影响；2019 年4 月30 日外抛施工，排距 3 012 m，850 mm 喷口布置于水下-14 m，平均时间利用率71 %，最高时率90 %，管线影响0 %；总体上，管线对施工的影响较低，基本可保持连续施工，效果较好。

4 结语

1）帝巴湾水域采用自浮橡胶管与钢管相结合的潜管形式，不影响水域船舶通行，同时避免管线遇海底障碍弯曲从而影响疏浚效率；管段由直径1.77 m、长11.8 m 自浮橡胶管和直径0.886 m、长6.0 m 的钢管组合而成；1 rad/s～3 rad/s 频率区段内，橡胶浮管和钢管的横荡响应幅值均位于5 以下，稳定性与耐波性能较好。

2）自浮橡胶管段所受一阶波浪力最大可达 21 000 N/m，排泥时所受最大流载荷4 415.28 N，根据具体施工地形采用4 点系泊方式。

3）浮管管线布置呈近似流线型弯曲，不可形成死弯；每隔100 m 设浮管锚固定浮管，涨、落水锚间隔布设；浮管留有足够的富余长度，在重载之下仍要露出水面以上，以保证绞吸船的施工需求。

4）管线对施工的影响为0 %～8.3 %，基本可保持连续施工，应用效果较好。