围海造陆对已埋设海底管线安全性的影响

魏秋晨，刘 润，闫澍旺，朱红霞，程栋栋

(天津大学建筑工程学院，天津 300072)

随着围海造陆工程规模不断扩大，吹填土形成的陆域逐步向近海发展，其范围进入到原有海底管线的登陆段，对管线的安全运行构成威胁.国内许多学者和工程技术人员结合工程实践提出了管线地基的加固方法：朱思同等[1]采用压力灌浆法加固穿越河流管道的地基；康吉民等[2]采用了钢管柱加混凝土盖板的方式保护热力管线；张玉仲[3]和王猛[4]等提出采用钻孔灌注桩加固河道中悬空段输油管道等.

平湖油田的管线保护方案是仅有的成功工程实例之一，该油田中输气管线的登陆段在低潮位时可以露出水面，其保护方案采用了陆上常用的压力灌浆加固地基的方法以减少管线地沉降.与平湖油田情况不同，渤西油田的2条管线位于设计高水位4.30,m与设计低水位为 0.50,m处，需要进行水下设计与施工，给管线的保护提出了更高的要求，国内外文献对如何解决这一问题鲜见报道.本文结合渤西油田2条管线的保护工程，对大面积吹填荷载作用下管线受力状态进行了分析，提出吹填高度的限制条件；同时提出围埝与管线相交处的保护措施，并采用有限元方法对处于保护状态管线的受力和变形进行了分析.

1 工程概况

在吹填造路的范围内铺设有海底油气管线．对管线的现状调查表明，该管线埋深在泥面以下 1.5,m处，表 1给出了管线的技术参数．围海造路中的隔埝与海底管线多处相交，隔埝下地基土层情况见表2．

表1 管线的技术参数Tab.1 Pipeline parameters

表2 土层情况Tab.2 Soil properties

2 大面积吹填荷载对管线的影响分析

2.1 计算模型

埋于土中的海底管线除受到来自管线内部的压力作用外，主要的外部力来自于地基土体．由于管土相互作用过程较为复杂，而当管线变形较小时，地基土体对管线的作用力与管线位移的关系近似呈线性，因此可以采用弹性理想塑性弹簧来模拟地基土对管线的作用[5-6]．对于全埋式管线，这种作用力可以近似简化为作用在管线的上、下、水平向、轴向 4个方向．在计算模型中确定 4个方向上的土体极限抗力和弹簧刚度是解决这一问题的关键．由表 2可知管线埋深处为黏性土，故采用如下方法进行计算[7]．

水平向极限土抗力为

式中：Rc为埋深系数(与管道埋深及管径的比值有关，取值见表 3，表中 H为管底至填土表面的距离)；Su为土的不排水抗剪强度，kPa；d为管线外径，m．

表3 黏土中埋深系数取值Tab.3 Coefficient of buried depth in clay

水平向弹簧刚度为

式中：Tk为水平向应力位移曲线的初始斜率，根据土质条件取 kT＝5,429,kN/m3；Z为土层表面至管线中心的距离．

轴向极限土抗力为

式中：α为黏度系数，与管线外壁的材料和土体强度有关，结合表 2的土质条件，此处取为 1.0；其余符号同前．

轴向弹簧刚度取值为

向下的极限土抗力为

式中：c为管线下部土的黏聚力，kPa； Nc为承载力系数，对于饱和软黏土取为5.14[8]；其余符号意义同前．

竖直向下弹簧刚度取值为

式中： WS为有效上覆土重，kN/m；γ′为土的有效容重，kN/m3；D为管线顶部到土表面的距离；FC和 FQ为破坏因数，与管线的埋深和土体的内摩擦角有关，分析中取 FC＝10、FQ＝0.9；其余符号意义同前．

竖直向上弹簧刚度取值为

向上的极限土抗力为

由以上方法可以确定出不同作用方向土弹簧的弹性理想塑性模型，采用 AUTOPIPE进行计算，将管线离散为三维管单元，考虑到管线较长且两端通常与膨胀弯相连，为简化模型且使计算结果偏于保守，在管线两端施加固定约束，在管线的节点处施加土弹簧单元，建立的分析模型如图1所示．

图1 管线受力分析Fig.1 Force analysis of the pipeline

2.2 计算参数

以输油管线为例，根据设计条件吹填前管线的工作状态见表 4，土体的极限抗力及模拟的弹簧刚度见表 5．考虑到在吹填阶段，吹填泥浆的浮容重一般不超过 6.0,kN/m3，假定吹填高度为 4,m，其上覆有效压力不会超过 24,kPa．即吹填后位于吹填区域内的管段其上覆压力较吹填前增加24,kPa．

2.3 计算结果

分析中大面积吹填土对管线的作用在竖直向下的土弹簧中考虑．计算得到的管线中最大应力见表6．表中工况 1为管线在原设计条件下的应力组合；工况2和工况3为大面积吹填后的应力组合．

由表 6可知，当大面积吹填荷载不超过 24,kPa，即吹填高度小于 4.0,m时，在不同荷载组合下输油管线中的最大应力均小于许可应力，管线是安全的．

表4 输油管线的设计参数Tab.4 Parameters of oil pipeline

表5 土体计算参数Tab.5 Parameters of the soil

表6 输油管线应力Tab.6 Stresses in the oil pipeline

3 隔埝与管线相交处管线的保护措施

3.1 保护方案

隔埝与管线的相交处管线上附加荷载增大，过大的应力和地基沉降都将对管线的安全造成威胁．提高地基承载力的方法很多，但考虑到施工条件为滩涂浅海，且需尽量避免施工过程中对管线的机械损伤，施工方案越简单、施工期越短越好．初步设计采用木桩加混凝土盖板形成简单的涵洞结构保护管线，设计断面见图2．

依据复合地基的设计思想，由规范[8]计算可得

图2 管线保护方案设计断面(单位：m)Fig.2 Designed section of pipeline protection scheme(unit：m)

6,m 长木桩的单桩承载力为 61.8,kN．根据上部的静荷载和车辆荷载计算单位宽度用桩数量为 12根．2排桩间距 0.75,m，为了减小施工对管线的扰动，内侧桩距管线 1.0,m．按复合地基计算处理后管线与围埝交汇点的沉降量为80,mm．

3.2 管线的受力分析

在管线与围埝的交汇处，尽管管线处于防护状态，根据复合地基的设计原则，桩基础不能全部承担隔埝的荷载，盖板下面的土体还要受荷，而且在垂直于管线方向还受到侧向土压力的作用，如图 3(a)所示．上覆荷载q主要来自路堤自身重量．5,m高隔埝土压力分布见图 3(b)．由于计算条件较为复杂，难以采用常规算法进行分析，故应用有限元法对管线受力状态进行模拟．

图3 管线受力情况Fig.3 Force analysis of the pipeline

3.3 管线保护措施的有限元分析

3.3.1 有限元分析模型及参数

采用 ANSYS有限元软件进行计算，土的本构关系采用 Drucker-Prager模型来模拟[9]．地基土的计算参数为：浮容重 7,kN/m3，弹性模量 1.0,MPa，泊松比0.4，黏聚力 10,kPa，内摩擦角 6,°．管线采用弹性理想塑性模型．管线的计算参数为：外径 330,mm，壁厚为9.5,mm，弹性模量2.1×105,MPa，泊松比 0.28．用PLANE42二维单元建立模型．由于管线及所选取土体为对称结构，只需取其 1/2进行计算分析．有限元模型见图4．

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

3.3.2 计算结果

计算得到的管线中最大应力见图5．由图5可知，管线中的最大应力为 21.9,MPa，与管线的工作应力222,MPa组合后仍小于管线材质的屈服强度．由此可见，在该涵洞保护方案下，外部条件的改变虽使管线中的应力增加但尚不足以对管线的安全构成威胁．

目前该工程已竣工 2年，根据工程的实测结果，隔埝与管线相交处管线的沉降量为55,mm，说明了保护措施的有效性．

图5 管线横截面应力分布(单位：MPa)Fig.5 Stress distribution in the pipeline section (unit：MPa)

4 结 语

结合围海造陆将覆盖运行中的海底管线这一实际工程问题，从大面积吹填荷载和隔埝局部荷载作用2个方面评价被覆盖管线的安全性．确定了吹填土高度应控制在4,m以内，以保证管线中产生的附加应力小于管线材质的许可强度．在隔埝与管线的交汇处，采用木桩加混凝土盖板形成涵洞结构保护管线，有限元分析结果及工程实测数据说明了该保护措施的有效性．

［1］朱思同，孙 亚．对穿越河流管道压力灌浆加固[J].油气储运，1998，17(10)：46-48.

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［2］康吉民，温国平，刘凤英．滨河东路热力管沟加固方案的探讨[J]． 山西建筑，1999(2)：86-88.

Kang Jimin，Wen Guoping，Liu Fengying．Study on improvement method of thermoelectricity pipeline trench in Binhe road [J].Shanxi Architecture，1999(2)：86-88(in Chinese)．

［3］张玉仲，向秀平．钻孔灌注桩用于管道穿越加固工程[J]．石油工程建设，2000，26(3)：18-19.

Zhang Yuzhong，Xiang Xiuping．Using bored piles in pipeline crossing practice[J]．Petroleum Engineering Construction，2000，26(3)：18-19(in Chinese).

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［8］天津市港湾工程研究所．JTJ 250—98 港口工程地基规范[S]．北京：人民交通出版社，1998.

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［9］张学言，闫澍旺. 岩土塑性力学基础[M]. 天津：天津大学出版社，2004.

Zhang Xueyan，Yan Shuwang．Fundamentals of Geotechnics Plasticity[M]．Tianjin： Tianjin University Press，2004(in Chinese)．