抗漂浮、稳管技术在湖泊或河道穿越中的理论分析

武 静 （中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019）

0 导读

随着人们环保意识的提高，对青山绿水的诉求越来越多，直接排放的做法已不能被大众接受，目前大多数的污水都进入了污水厂进行处理，但仍有一些老城区或是跨河道的小区域，生活污废水不便收集，直接与雨水管道合用，未经处理就直接排放至就近人工湖泊或者河道，污染环境不说，也直接影响人的感官。近几年国家政府对没有经过处理就排入湖泊水体的污废水普遍进行整改，对一些雨污合流的管道进行分流处理，污水必须经过处理达标才可排放，在此过程中就出现了一些问题，一些被河道等阻断的区域需进行穿越河道才可接入收集管网。

1 技术概况

湖泊及河道穿越工程建成后必须保证管道安全、稳定运行，国内一般为大开挖穿越，建成后再通水，不得不考虑水系的冲淤变化给管道建成后的稳定运行带来的风险。水下的穿越管道在冲淤变化下可能就达不到安全埋深，从而受到水流的浮力与动力的交叉作用，引起管段漂浮或者位移。因此水下管线穿越工程常采用混凝土连续覆盖，装配式混凝土加重块、堆石坝等加重稳管措施提高管道运行的安全性和稳定性。

2 理论依据

目前国内外水下管道穿越常采用裸露敷设和沟埋敷设两种方式，这两种方式的计算如下：

裸露敷设：

沟埋敷设：

式中，

W

-单位长度水下管线重力，kN/m；

W

-单位长度加重稳管结构重力，kN/m；

F

-单位长度水下管线（包括防腐稳管结构）在水流作用下的水平推力，kN/m；

Fy

-单位长度水下管线（包括防腐稳管结构）在水流作用下向上的抬力，kN/m；

A

-单位长度水下管线（包括防腐稳管结构）在静水中的浮力，kN/m；

F

-单位长度水下管线在弹性曲线敷设时的弹性力，kN/m；

f

-水下管线与管基的滑动摩擦系数；

K

-抗位移稳定系数，大型河流1.15～1.30，小型河流1.10～1.20；

K

-抗上浮稳定系数，大型河流1.10～1.20，小型河流1.10～1.15；

K

-安全系数，大型河流1.15～1.20，小型河流1.10～1.15。

对于大开挖方法进行的河流穿越工程，最小埋深应根据工程等级与设计洪水冲刷深度或疏浚深度要求确定，一般不小于1m。

当水下穿越管道埋深大于1m时，可不做抗位移计算，但应做抗漂浮核算：

W

-单位长度水下管线总重力（管道自重、配重、有效覆土，不含管内介质），N/m；

K

-稳定安全系数，大型河流1.2，小型河流1.1；

F

-单位长度管线浮力，N/m。

3 工程实例

以某改造项目为例，改造前的污水直接排入了旁边的水塘内，导致水塘水质被严重破坏，本次改造将污水收集，排入市政污水管网中，因项目周边可接入的排水口位于水塘对面，故决定采用将排水管道埋于塘底的方式，将周边居民生活污废水从河道底部穿过，排入附近市政管线，最终排入污水处理厂，实现在不污染居民生活区域自然河道水质的前提下环保排放污废水的目的。

排水管道并非满流，内有大量空气，埋于塘底比其他管道更加容易漂浮起来。工程中常用的排水管道材质见表1，三种材质的管道在工程实践中都需要做抗漂浮分析。预制混凝土管抗压强度高，造价低适合在远郊长距离排水工程中应用；铸铁管不但抗压强度高，且方便运输，适合市区且预算充足的项目；HDPE双壁波纹管较前面两种管材更易漂浮，但因其使用寿命长造价低的绝对优势，使用率逐年提高，正因为如此，对排水管道抗漂浮分析显得尤为重要，随着工程应用领域计算分析工具及高级人力资源的引进，HDPE双壁波纹管的使用瓶颈进一步缩小。

常用排水管材性能比较 表1

鉴于此，本文以HDPE双壁波纹管抗漂浮分析为例，利用分析软件，模拟管道在水下的运行工况，将抗漂浮运行结果通过分析软件予以呈现，直观明了地了解它的薄弱环节，以便采取正确的应对措施，防患于未然。

本例选用外径500mm、壁厚2.8mm的HDPE双壁波纹管裸露敷设的方式且埋深 300～500mm（不足1000mm），结合上节描述采用公式（1）进行抗漂浮分析。

3.1 建立三维模型

图1 某河道埋管模型

HDPE双壁波纹管单位长度为6000mm，该模型选取三节长度共18m作为研究目标，管道接头采用柔性接口，橡胶类密封圈密封。

3.2 网格设置及载荷分布

图2 埋管网格划分

网格设置参数分别为：网格节点406822，元素202786，元素平均大小0.1，分级系数1.5，最大转角30°；模型两端平面即为自定义固定点；向下的箭头中最中间的代表Wp，其余代表Wc，向上的箭头为综合浮力，表达式如下：

3.3 材料参数

见表2。

材料物理性能参数 表2

3.4 分析结果

3.4.1 应力分布

从图3～图5应力分布图可知，管路系统等效应力集中在固定接头处，其余位置应力分布较为均匀，从第一主应力分析得知，管道内部流动对管壁应力影响较为均匀，而第三主应力分析可以看出，管段漂浮应力主要来自管道外部水流产生的浮力。

图3 等效应力分布

图4 第一主应力分布

图5 第三主应力分布

图6 位移分布

3.4.2 位移分布

从位移分布可以观察到，总长18m的管道模型，中间位置位移最为明显，向两边依次递减，且最大位移量275.4mm，较为明显，则管道外部水流对管道周围淤积冲刷明显。

4 结论

①抗漂浮、稳管计算时，首先结合工程实践判断属于第2节中第一类，然后正确选择计算公式，如本工程实例属于第一类，选对应的公式（1）进行分析计算；

②为增强管段抗漂浮能力，固定端应力较为集中，因此在设计及施工过程中，管段固定位置混凝土或者堆石与管段接触端口易采用柔性连接以延长固定端使用寿命；

③经过本例分析得知，排水管内部流过的水量较小，管段内部流体流动对管道漂浮作用较小，管段漂浮受外部流体作用明显；

④HDPE双壁波纹管为聚乙烯材质，较金属管弹性模量低了两个数量级，受浮力作用后变形明显，将加速淤积物流失，稳定性较差易导致漂浮，故该类材质管段固定端间隔不宜过长。如选用排水铸铁管等金属管材，因管材本身的重量比较大，稳定性与抗浮性相较于聚乙烯管材要好，故可对固定间距稍微放松，但每节管段均应至少需要有一个固定点。

从上述分析即可看出，管道敷设于湖底时，最中间的位置即为最薄弱的环节，分别向两侧递减，设计施工中应特别加重对中心位置的固定措施，固定措施也可向两侧递减，各个接口也需连接密实，以便有更好的抗变形能力。对于水下工程来说，施工不易，检修起来更加不易，因此在设计与施工时均需谨慎对待，尽可能地将危险因素消除在前期，减少后期检修的概率。