大口径玻璃钢管在港工排水结构中的应用

2022-03-13张荣勇

港工技术 2022年1期

关键词：基槽整平玻璃钢

吉明，张荣勇，王芳

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060；2.中国核电工程有限公司，北京 100840）

引言

纤维缠绕玻璃钢管道采用微机控制纤维缠绕技术，通过将浸润好树脂基体的玻璃纤维按螺旋缠绕+环向缠绕的规律逐层缠绕在旋转的芯模上，固化、脱模成型的非金属管材。由于管壁结构受力合理，从而在满足使用强度的前提下，能充分发挥其复合材料的特性。

大口径玻璃钢管以其轻质，高强，耐腐蚀，不结垢，安装方便，维护费用低，使用寿命长等优点[1]在国内外取排水结构中有较多的应用案例[2]，具体参见表1。

表1 璃钢管道取排水结构典型应用情况

在某些大型海工排水结构中，由于设计水量大，排水管径逐渐加大。考虑玻璃钢管固有的特性，随着生产、制造、安装等技术的快速发展，超大直径（5 m 及以上）玻璃钢管在已进行相关应用研究。

1 工程概述

某港排水项目设计总排水量约为 141 m3/s，海域部分排水沉管长为 3 074.1 m，排水口位于海域约-19.7 m 水深处，设计采用6.3 m 内径的玻璃钢管（2 根管并排）。

1.1 水文条件

1）水位

极端高水位（50 年一遇高潮位）3.31 m，设计高水位（历时累积频率 1 %潮位）3.20 m，设计低水位（历时累积频率 98 %潮位）-1.45 m，极端低水位（50 年一遇低潮位）：-1.53 m。

2）波浪

表2 排水头部设计波浪要素（重现期100年）

3）水流

工程海区为明显的往复流，工程区域各站潮流可能最大流速测站的0.4 H 层，为 144 cm/s。区域附近表层的潮流可能最大流速为81 cm/s。

1.2 泥沙

工程海域河流来沙及海域潮流输沙量有限，对工程影响的沙源主要为近岸波浪沿岸输沙，在正常天气条件下，工程海域含沙量都处于很低的水平，涨落潮平均含沙量基本在0.04 kg/m3以下，垂线平均最大含沙量在0.1 kg/m3以下。

1.3 工程地质

工程地层主要为第四系和侵入岩，侵入岩主要以燕山晚期白垩纪侵入黑云母花岗岩和石英闪长岩为主。地基为中等～微风化黑云母花岗岩，中等风化黑云母花岗岩的岩体基本质量等级为 IV 级，剪切波速度为 1 560 m/s，承载力为 1.8 MPa；微风化黑云母花岗岩的基本质量等级为Ⅱ级，剪切波速度为 2 200 m/s，承载力为 7.0 MPa。

2 应用方案

2.1 管材特性[3]

表3 玻璃钢管道材质特性表

2.2 结构断面

1）典型断面

考虑施工安装玻璃钢管的错位对沿程水头的损失影响，在满足排水量和水头损失等工艺要求条件下，综合考虑玻璃钢管断面工程量、基槽炸礁量及开挖量等方面对造价的影响，确定排水管采用两排玻璃钢管，单排孔内径为6.3 m，玻璃钢管壁厚50 mm，两个玻璃钢管之间的设计净距为3 000 mm，两侧预留1 500 mm 安装空间。

图1 玻璃钢管标准断面图

2）上覆土层厚度的确定

排水玻璃钢管及上覆层顶有不阻碍船舶通航的要求，同时为了满足船舶可能的抛锚对玻璃钢管的破坏，玻璃钢管顶部需铺设一定厚度覆盖层。

考虑玻璃钢管顶面覆盖石料层从上往下依次为150～200 kg，厚850 mm，二片石垫层厚400 mm、碎石垫层厚300 mm。回填料须选用基槽开挖后的砂土作为回填料，不得选用炸礁后的岩石。

3）基槽开挖断面及回填料断面设计

炸礁边坡强风化岩1:1，中风化岩1:0.5，上部覆盖珊瑚砂层开挖边坡1:2。不同施工位置采用不同挖深和炸礁深度以满足600 mm 的整平要求。

4）排水头部

排水头部在每根玻璃钢管顶部连接一根DN2500 玻璃钢管，作三通处理外伸至原泥面以上，顶高程为-14.0 m。DN2500 玻璃钢管沿排水管道轴线每隔5 m 布置一组，共布置4 组，共14 根（两侧分散式排水），实施后采用混凝土空心罩进行防护。见图2。

图2 排水头部断面图

2.3 主体结构计算[4]

1）压力设计

式中：

Pc——压力等级，取0.4 MPa；

HDB——静水压应变基准，取0.006；

Fs——安全系数，取1.8；

t——管道加强壁厚；

D——平均壁厚；

Pw——工作压力，取0.25 MPa；

Ps——波动压力，取0.1 MPa；

Pd——设计压力，取0.3 MPa。

经复核计算，玻璃钢材质的压力设计均满足要求。

2）玻璃钢管变形

管道的预计变形率是指基于回填设计考虑的包括土壤荷载，活荷载，回填土类型及压实度等各种因素以后管道可以预见到的变形量与管道公称直径的比值。此变形率必须小于管道容许最大变形率跟管道厂家允许的管道变形率之间的较小者。计算公式如下：

式中：

DL——管道滞后效应系数，原土比较好的情况下取为1.0，原土比较差或者回填土比较松的情况下取为1.5；

Wc——作用于管道垂直方向的土壤荷载，N/m2；

WL——活荷载，N/m2；

Kx——垫层系数，取为0.1；

Ps——管道刚度，为10 000 Pa；

Ms——复合土限制模量，MPa。

计算出玻璃钢管最大变形Δy=107 mm，最大挠度Δy／D=1.7 %，小于最大允许挠度δd/D=3 %，满足变形要求。

3）强度分析

采用ANSYS 进行分析计算，模型采用变形计算构件的整体模型，构件长度取单根管材长度12 m，计算结果如图3、图4 所示。

图3 玻璃钢管应力计算结果

根据材料特性要求：玻璃钢管身初始强度不低于300 MPa，长期强度不低于100 MPa，管身应变应不大于1.8×10-3，加强筋应变不大于6×10-3；计算管身最大应力为19.6 MPa，加强筋的最大应力为19 MPa；管身最大应变为0.784×10-3，加强筋的最大应变为0.543×10-3，均满足玻璃钢管材应力、应变要求。

4）稳定性分析

采用承压不承拉的杆单元模拟管周土对管道的作用，考虑外部土压、水压及真空负压的影响，总的负压按0.3 MPa 考虑。稳定计算结果见图5，稳定安全系数计算值为3.3，满足要求。

2.4 实施方案

工程实施主要包括基槽开挖、基床整平、玻璃钢管预制安装、基槽回填等内容，施工工序安排如图6。

图6 施工工序图

考虑到当地海浪影响较大，为确保工程安全顺利实施拟采用海上多功能施工平台进行抛石、基床整平、玻璃钢管安装及基槽回填等工作。多功能平台含自升式平台、双悬臂固定门架起重机、抛石整平溜筒等结构。门架起重机上布置 3 台移动桁车，分别位于月池及两侧舷外区域，桁车可以沿门架纵向移动，抛石整平溜筒可上下升降。平台船体型长50 m，型宽 42 m，型深 5.5 m，中间月池尺寸 27×19 m。

为减少水下作业工作量，加快施工进度，将管道预组装成合适的长度。管道预组装长度的确定主要考虑起吊的平衡和起吊、浮运能力。玻璃钢管单长为12 m，暂按预组装管段长为24 m，即2 根管道组成一个管段。

管道连接推荐采用带限位齿及导入舌拉杆固定的套筒式连接方式。不带导入舌的一端在出厂前预安装，水下现场只需要承插连接一端，导入舌可以保证从上沉入水中的玻璃钢管道无偏差的落入套筒内；内侧采用带45°倒角的齿形密封圈，该密封圈压力越高越密封，同时具有一定额锁紧效果，外侧采用“O”型密封圈起耐负压的作用；外部拉杆限位可调整管道的偏向，并防止后续连接时，管道从套筒内拉出，两侧的条形孔可防止出现偏差时，方便螺栓穿入。