管道排水工艺在吹填工程中的应用

陈国刚 周天玮 嘉兴市世纪交通设计有限公司

1.引言

吹填工程可以形成陆域，缓解沿海用地压力，是港口工程中常见的一种项目[1]。吹填土因来自海洋的疏浚底泥，含有大量水分。在吹填过程中，泥水混合物通过吹填管道进入到吹填区内部后，因底泥的密度大于水的密度，伴随泥水混合物在吹填区内的流动，泥质在吹填区内逐步沉淀落底，水体则析出浮于上表形成余水。余水产生后需要及时排出，否则会占用吹填区的容积，对吹填造成影响。针对上述问题，目前工程界通常采用在吹填区距离吹填管口较远的位置开设一处泄水口用于排出吹填区内的余水。该种方法工艺简单，造价经济，在吹填项目的余水排出工作中起到了积极效果。需要注意的是，目前常采用的无论是溢流式泄水口还是埋管闸箱式泄水口均需要在吹填区的封闭边界上开设缺口来排出余水，余水沿泄水口排出的同时也会带来吹填土随余水流失的情况，在给工程造成损失的同时，也对吹填区外部造成了一定的污染。尤其是当追赶工期进度时，现场通常会布置多条吹填管线并行作业，这样就会短时间内在吹填区内积聚大量余水，加大泄水口的开口宽度虽然是一种解决办法，但会带来吹填土流失增加的消极效果。

因此，探索一种适用于吹填区内有大量余水需要及时排出工况条件下的排水工艺就具有了较高的研究价值。渤海湾港口陆域形成项目吹填过程中吹填区内部析出大量余水，因泄水口排水较慢，吹填区内积聚大量余水，对吹填进度造成了影响。现场通过研究采用了管道排水工艺，及时排出了吹填区内的余水，并起到了节约工期、减少吹填土流失的效果。

2.工程简介

本项目为渤海湾港口陆域形成二期工程，计划通过吹填形成35万m2的陆域用于服务日益增长的港口发展需要。吹填土来自航道疏浚底泥，总吹填方量达760万m3。该项目同时面临着工期紧的情况。基于上述情况，现场布置了多条吹填管线并行作业用于追赶工程进度，致使短时间在吹填区内积聚了大量余水，现场照片见图1。

图1 吹填区实景照片

考虑到现阶段国家对环保要求的重视及减少吹填土的流失的理念，现场决定摒弃扩大泄水口断面的措施，通过研究探讨，提出了采用了管道排出吹填区内余水的措施。

3.管道设计

3.1 基本参数

根据现场测算，若确保吹填区内的余水及时排出，不影响吹填工作的进度，余水外排规模需要达到10万m3/d，需架设余水排出管道全长9585m。

3.2 管道选型

目前常用的排水管道有钢管、聚乙烯塑料管、混凝土管等。现场通过详细踏勘，多轮研究论证，余水排出管道选择采用钢管。主要原因是：（1）管材及管件加工容易，抗震性能优于其它管材，地形复杂的地段更适宜采用钢管。（2）钢管具有耐高压、韧性好的特点，同时钢管一般管壁相对较薄，管段较长，因此又有重量轻、运输方便、接头少的特点。（3）钢管铺设、安装较为方便。（4）水泥砂浆内衬后的内壁糙率n≤0.012，水力条件好。（5）考虑到输水管线为临时输水管道，采用法兰连接的钢管可进行拆除，具有一定的回收利用价值。

3.3 管径选择

管道管径的选择直接关系到工程的良好运行和经济性，因此合理选择管径是管道设计的重要环节，采用经济流速法[2]确定管径。计算公式如下：

式中，ve代表管道经济流速，经现场抽水试验，结合本工程吹填进度对余水外排速度的要求，取1.5m/s。式中Q即需要外排的水量，取本工程余水外排规模10万m3/d。经计算，管道采用直径为1200mm螺旋缝焊接钢管，中间采用直径1200mm橡胶管进行连接。

3.4 管道壁厚计算

依据《水电站压力钢管设计规范》[3]给出的锅炉公式确定钢管壁厚t：

式中，γw代表水的重度；H代表管道中心内水压力水头，取采用的水泵的额定压力；d代表钢管内径；φ代表焊缝系数，根据规范[3]，取0.95；σs代表钢管管壁钢材屈服点（MPa），本工程管道采用Q235型钢材，即屈服强度235Mpa。经计算管道的壁厚t=10mm。

3.5 管道在外压作用下的应力分布

为确保所选用的管道强度能够满足允许应力的要求，需要对管道的受力情况进行分析。分析可知，从工程应用的角度，管道外力主要来自水流力，根据《港口工程荷载规范》[4]计算单位面积上的水流力标准值。计算公式如下：

式中Fw代表单位面积上的水流力标准值，Cw为水流阻力系数，根据规范[5]，取0.73；ρ为水的密度；V为水流平均设计流速，取吹填区内余水平均流速，本工程经现场测算为1.2m/s。水流力计算结果见表1。

表1 水流力计算表

计算中，水流力相当于作用在管道上的均布荷载q，此均布荷载q即为单位面积上的水流力乘以管道外径，管道在此荷载作用下，受到弯矩的作用。按照管道两端固定的极端情况，管道中间处将会出现最大弯曲正应力，此弯曲正应力沿管道轴向方向，其大小采用下式计算：

式中，q为水流均布荷载，l为吹填区宽度；管道在水流均布荷载作用下的应力计算结果列表如表2。

表2 水流力作用下的最大弯曲正应力计算表

3.6 管道在内压作用下的应力分布

除受到水流力的作用外，管道还受到内部的压力，当管道的壁厚δ远小于内径d时（δ/d<0.1），称为薄壁圆筒，本工程管道壁厚为0.01m，内径为1.2m，属于薄壁圆筒，若封闭的薄壁圆筒所受内压强为P时，则在内压作用下的管道轴向应力和环向应力分别为：

3.7 管道在内外压共同作用下的应力分布

在内压和外压共同作用下，管道受到的轴向应力和环向应力分别为：

式中，σ代表管壁截面的折算应力。管道在应力作用下，一侧受拉，另一侧受压，所受的应力大小和方向不同，管道应力计算结果列表如表3。

表3 内外压共同作用下管道应力计算表

3.8 管道应力验算

管道上的应力应满足许用应力值的限定，即σ应小于等于许用应力，许用应力值用下式表示。

式中，[σ]代表管道的许用应力；K代表强度设计系数，取0.55；η代表焊缝系数，取0.95；代表管道钢材的屈服强度。经计算，管道的许用应力值为122.8Mpa，管道两侧的应力值均小于许用应力，能够满足允许应力的要求。

3.9 螺栓受力分析

除了确保管道强度满足应力要求外，还需要对管道连接处的螺栓强度进行验算。本工程管道连接处使用的螺栓个数为24个或32个，根据材料力学知识，计算螺栓受到的拉力为：

1）当螺栓个数为24时：

2）当螺栓个数为32时：

本工程螺栓规格为M27＊110，有效截面积为459mm2，需要的螺栓抗拉强度为螺栓受到的拉力与有效截面积的比，即72.1Mpa，根据《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》[6]的有关规定，钢制螺栓按其强度水平分为10个不同的强度性能等级，最低等级为3.6级，根据计算结果，3.6级即可满足螺栓强度要求。

4.工程效果

4.1 管道安全性

现场从开始抽水直抽水结束，布置的管道均安全稳定运行。从满足工程应用的角度，本文提出的余水排出管道设计计算过程，可以确保管道设计的安全性。

4.2 余水排出效果

吹填区内的余水得到了快速的外排，甚至工人可以在穿戴好安全装备的情况下徒步进入吹填区内部进行作业，为吹填工作的顺利开展提供了保障，详见图2。

图2 吹填区抽水后现场照片

4.3 工程效益

基于本文采用的管道排水工艺，现场的工程进度得到了确保，通过管道排出吹填区内的余水，减少了吹填土的流失，在节约工程费用的同时，也减少了吹填土外泄对外部区域的污染。

5.结论

（1）基于本工程实例，在吹填区内有大量余水需要快速外排时，本工程采用的管道排水工艺可以较好的排出吹填区内的余水，相较于传统的泄水口排水方式，可以节约工期，且可以减少吹填土的流失，进而减少因吹填土外泄对外部区域造成的污染。

（2）从满足工程应用的角度，本文提出的余水排出管道设计计算过程，可以确保管道设计的安全性，可为类似工程提供借鉴。