（岩土工程专业论文）围海造陆对渤西海底管线的安全影响研究.pdf

中文摘要 随着我国经济和社会的快速发展，一些较发达的沿海港口城市寻求新的工业 基地作为经济增长点已经成为非常紧迫的问题，对土地资源的要求也日益迫切， 将疏浚出来的淤泥用来填海造陆，围海造陆已成为沿海地区缓解土地供求矛盾、 扩大社会生存和发展空间的有效手段，具有巨大的社会和经济效益。但是，围海 造陆工程同样也会对周围环境造成很大的消极影响，包括对区域内的生态系统以 及海底已有构筑物的影响。 本文依托天津临港工业区围海造陆工程，针对工程区域范围内海底原有的 油、气管道的安全所受到的影响进行研究： ( 1 ) 采用管线设计专业有限元软件a u t o p i p e ，对海底管线在大面积吹填荷 载作用下的沉降和内力进行分析，并提出控制的吹填高度； ( 2 ) 在子隔埝与海底管线的交叉处，提出具体的防护措施一在管线周围的 土中打入木桩并在土体表面加盖预制混凝土板的方案，并通过有限元软件a n s y s 和p l a x i s ，对保护状态下的海底管线的受力和变形进行分析，验证所提出的保 护方案的合理性； ( 3 ) 采用商业软件p l a x i s 对子隔埝设计断面进行校核，并提出改进方案。 经过理论计算及有限元分析的结果表明，本文所提出的海底管线保护方案能 够很好的满足实际工程的需要，验证了其合理性，为特殊条件下海底管道的保护 提供了切实可行的新方法；同时也表明有限元分析方法在在非线性工程技术问题 中的实用性和应用的广泛性。 关键词：围海造陆工程子隔埝海底管线管线保护有限元分析 a b s t r a c t w i t ht h es t r o n gd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h es o c i e t y , al o to fp o r t c i t i e s o nt h ec o a s t a la r e ao fo u rc o u n t r yh a v eb e e nl o o k i n gf o rt h en e wi n d u s t r yb a s ei n o r d e rt op r o m o t et h ee c o n o m yg r o w t h a n dt h en e e df o rt h el a n dr e s o u r c e sh a sa l s o b e e na nu r g e n tp r o b l e m t h er e c l a m a t i o ne n g i n e e r i n gh a sb e e nae f f i c i e n tm e t h o dt o a l l e v i a t et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h es u p p l ya n dt h en e e do fl a n dr e s o u r c e s ，w h i c ha l s o h a v eh u g es o c i a la n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h er e c l a m a t i o ne n g i n e e r i n g c o u l dr e s u l ti na n e g a t i v ee f f e c tt ot h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t i n c l u d e dt h ee f f e c tt o t h ee c o s y s t e mo f t h ee n g i n e e r i n ga r e aa n dt h ee f f e c tt ot h eb u r i e ds e a b e dc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ee n g i n e e r i n gi nt h eh a r b o ri n d u s t r ya r e ao ft i 姐j i n ，t h ee f f e c to ft h e b u r i e ds e a b e dp i p e l i n es u b j e c t e dt ot h ee n g i n e e r i n gi nt h i sa r e aw i l lb es t u d i e d ： ( 1 ) t h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma u t o p i p ew i l lb eu s e dt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n t a n dt h es t r e s so f t h es e a b e dp i p e l i n e su n d e rt h el o a do nal a r g ea r e a , t h e nt h eh e i g h to f t h ed r e d g e r - r e c l a i m e ds o i lw i l lb ep r o p o s e d ( 2 ) ap r o t e c t i o np r o j e c t i s p r o p o s e d w h e nt h es e a b e dp i p e l i n ec r o s st h e r e c l a m a t i o nd i k e ，w h i c hi st h ew o o dp i l e sw i l lb es e ti nt h es o i la r o u n dt h ep i p e l i n e a n dt h ep r e c a s tc o n c r e t eb o a r dw i l lb es e ta b o v et h es o i l t h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a m s a n s y sa n dp l a x i sw i l lb eu s e dt oc a l c u l a t et h es t r e s sa n dt h ed i s t o r t i o no ft h e p i p e l i n e su n d e rt h ep r o t e c t i o ni no r d e rt ov a l i d a t et h ep r o t e c t i o np r o j e c t se f f i c i e n c y ( 3 ) t h ep r o g r a mp l a x i si s a l s ob eu s e dt ot e s t i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h e r e c l a m a t i o nd a mc r o s ss e c t i o n ，t h e na i li m p r o v e dp r o j e c tw i l lb er e c o m m e n d e d t h et h e o r i e sc a l c u l a t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t s p r o v et h e r a t i o n a l i t yo ft h ep r o t e c t i o ns c h e m e a tt h es a l t l et i m e ，i th a sb e e np r o v e dt h a tt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o u l db eu s e di nal o to fn o n l i n e a re n g i n e e r i n gp r o b l e m sa n d c o u l ds a t i s f yt h en e e do ft h ea c t u a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：r e c l a m a t i o ne n g i n e e r i n g ；r e c l a m a t i o n d i k e ；s e a b e dp i p e l i n e p i p e l i n ep r o t e c t i o n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名谧拣煎 签字日期；万年角日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：艘崩磁 签字同期：年月日 导师签名： 签字日期： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，我国的经济和社会取得了更加长足的发展，沿海的天津、 大连、青岛、珠海、深圳等港口城市作为我国对外改革开放的前沿窗口，担负着 与外界的主要的经贸往来及货物运输i 在港口周边地区形成了颇具规模的工业基 地，逐渐成为带动周围地区经济发展的龙头城市。 随着经贸往来的增长，在像天津等这些发展起步较早的老牌港口城市，寻求 新的工业基地作为经济增长点已经成为非常紧迫的问题。特别是党的十六大召开 以来，党和国家提出的“与时俱进、加快发展”的战略目标，为了落实这个目标， 将发展海洋经济作为首要工作之一。与此相应的潍涂合理开发已经成为一个非常 重要的问题。海洋经济发展规划，对进一步拓展发展空间，搞好结构调整，加快 率先基本实现现代化步伐具有非常重要的意义。随着经济的发展和城市基本建设 的蓬勃开展，对土地资源的要求也日益迫切，将疏浚出来的淤泥用来填海造陆， 已成为沿海城市缓解土地资源紧张的有效途径。 围海造陆是沿海地区缓解土地供求矛盾、扩大社会生存和发展空间的有效手 段，具有巨大的社会和经济效益。因此，许多海岸国家和地区，特别是人多地少 问题突出的城市和地区，都对填海工程非常重视。但是，围海造陆工程有时会对 周围环境造成不可估量的影响。围海造陆工程会直接改变区域的潮流运动特性： 引起泥沙冲淤和污染物迁移规律的变化，减小水环境容量和污染物扩散能力，并 加快污染物在海底积聚，对区域生态系统、防洪和航运造成影响：部分围海造陆 的海岸工程破坏了海岸的地形地貌，改变了海域的自然属性，破坏了滨海旅游资 源；填海会改变海岸的结构，减少海湾海水的面积和容量，影响潮差、水流和海 浪；填海使海岸失去了补充氧气的天然资源，改变了现存的生物结构，给海岸生 态带来严重的影响；大规模围海造陆的行为，使大片水生生物的栖息地、产卵场、 繁殖场、索饵场遭到破坏，不少生物种群濒临灭绝，遗传多样性大量丧失；同时 围海造陆工程还会直接影响到海底原有的管道以及其他构筑物的安全，可能会对 国家的经济活动造成不良的影响。 本文将主要针对围海造陆工程对海底原有的油、气管道的安全所造成的影响 进行研究，并对围海造陆工程中所遇见的问题进行分析，提出解决意见。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 随着石油工业的发展，输油管道现已成为各国油港、炼油中心之间的纽带， 在原油与成品油的运输中，管道运输己成为与铁路、公路、水路运输相辅相成的 必要运输方式。自1 8 6 5 年美国建成世界上第一条原油管道后，随着现代化工业 的发展，管道运输迅速发展起来。目前，输油管道已得到广泛应用，全世界已有 油气输送管道2 0 0 多万公里，承担了9 5 以上的原油输送任务。管道运输之所 以在世界范围迅速发展是和它的安全性好、污染少、投资省、输油成本低以及运 输距离远等优势分不开的。 海底管线是近海油、气开发工程的一个重要组成部分。管线担负着将油气田 的油气输送上岸的任务，起着保证工业及民用燃料、原料的作用，不能中断运行， 一旦发生事故，将会造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。近些年来，随着我 国海洋油气资源开发的迅速发展，将在原有的海底管线上方进行工程建设，势必 影响原有海底管线的安全稳定，因此，有必要对施工中的管线采取合理的保护措 施，以确保国家经济活动顺利进行。 本论文研究课题的依托工程是在天津临港工业区滩涂进行吹填造陆工程。随 着天津市和塘沽区的经济及社会发展，天津市委确定了新时期大力发展海洋经济 的重大举措实施好海洋经济发展规划，对进一步拓展发展空间，搞好结构调整， 加快率先基本实现现代化步伐具有非常重要的意义。努力把天津建设成为我国重 要的国际航运和物流中心、海洋科技开发与产业化中心、海洋油气开采加工基地 和海洋化工基地，形成具有天津特色和较强竞争力的海洋经济体系，确立天津海 洋强市的地位。 为贯彻落实十六大精神和天滓市委的战略部署，做好重大项目前期准备工 作；建设临港化工区、港口扩能、大型乙烯等大型骨干项目，最终形成海洋优势 产业群，提高综合实力。配合重点产业的布局调整，精心打造一条以临港工业区 为中心，辐射汉沽精细化工区、大港石油化工区、塘沽海洋化工区和造船工业区 的海洋工业产业带，加快临港工业区的造陆进度，搞好基础设施配套建设。 本工程的建设将有效地拓展天津市的经济和社会的发展空间，为建设大型氯 乙烯装置、天津碱厂搬迁改造、海水淡化、大乙烯、大炼油及其下游产品深加工 等项目的建设创造良好的基础设施条件。 本工程的建设适应了天津市海洋经济发展对土地资源的需求，将成为大进大 出的重化工基地，将与天津经济技术开发区、天津港保税区、塘沽海洋高新技术 产业园区形成有机互补，提升地区的综合实力。 本工程的建设将与海河口的整治有机结合，既节省了总投资，有具有显著的 社会效益和经济效益。 因此，建设本工程，对于落实天津市“三步走”的总体战略、大力发展海洋 天津大学硕士学位论文第一章绪论 经济、开发利用海河具有非常重要的意义，是必要的和十分及时的。 围海造陆工程以海防路为西边界，海河口整治规划南治导线为北边界，东西 向长约5 k m ，南北宽约4 k m ，造陆工程拟采取次围埝、分阶段吹填进行的方式， 包括护岸、子隔埝和吹填造陆三部分。 子隔埝与已建海底管线存在多处交叉如图卜1 所示。在交叉部位，受上部荷 载的影日i 自，己埋管道的受力条件发生变化。受力状态的改变将使已埋管道会出现 两个方面的问题。首先，上覆重量的增加会直接使管壁的受到的应力增加：其次， 局部荷载的增加致使交叉处的管线产生挠曲变形，在管道中产生附加的拉、压应 力。如果管道中的附加应力与管道在操作状态下原有应力( 如温度和内压引起的 应力) 的组合超过管道材质的屈服应力时，管道将发生破坏。 图i - - 1吹填造陆规划及渤西管线位置 天津大学硕士学位论文第一章绪论 子隔埝建在软土地基上，当其垂高较大、坡度较陡时，可能发生失稳破坏或 滑坡。滑坡后的地基被挤出或发生滑移，因为依托工程中的管线与子隔埝多为斜 交，所以可能会影响到附近的管线。因此子隔埝的设计断面必须合理，以保证其 稳定性。 由于吹填，使管道上部的荷载大面积增加；同时由于管线很长，管线总处于 局部荷载增加、局部荷载不变的状态，使管线的产生增加应力。因此，当回填高 度过大，使管道中的附加应力与管道在操作状态下原有应力( 如温度和内压引起 的应力) 的组合超过管道材质的屈服应力时，管道将发生破坏。 因此，为保证海底管线的安全运营，确保国家经济活动的顺利进行，在子隔 埝施工和吹填施工过程中，需要对原有海底管线的应力变化进行评估并提出必要 的合理的防护措施，具有十分重要的理论价值和实际意义。 1 2 研究水平与发展现状 国内外研究者在地下管线的防护方面已经做了很多工作，研究方向主要集中 在深基坑开挖工程中、管线穿越河流工程、管线通过道路或是特殊土层时的管线 保护等方面，但目前针对围海造陆工程中的已有海底管线保护方面的文献理论比 较鲜见。本文将借鉴其它工程项目中的对地下管线所采取的防护方案，对本课题 依托工程中的海底管线提出具体的切实可行的保护方案。 对于基础工程施工中地下管线的保护措旋，文献 1 - 1 4 1 对地下管线损坏原因 作了概括并提出了在不同工程施工中所要采取的保护措施，主要有以下几个方 面： ( 1 ) 隔离法。通过钢板桩、树根桩、深层搅拌桩、旋喷桩等形成隔离体， 限制地下管线周围的土体位移、挤压或振动管线。这种方法适合管线埋深较大而 又临近桩基础或基坑的情况。对于管线埋深不大的也可采用隔离槽方法，隔离槽 可挖在施工部位与管线之间，也可在管线部位挖，即将管线挖出悬空。隔离槽一 定要挖深至管线底部以下，才能起到隔断挤压力和振动力的作用。 ( 2 ) 悬吊法。一些暴露于基坑内的管线，或因土体可能产生较大位移而用 隔离法将管线挖出的，中间不宜设支撑，可用悬吊法固定管线。要注意吊索的变 形伸长以及吊索固定点位置应不受土体变形的影响。悬吊法中，管线受力、位移 明确，并可以通过吊索不断调整管线的位移和受力点。 ( 3 ) 支撑法。对于土体可能产生较大沉降而造成管线悬空的，可沿线设置 若干支撑点支撑管线。支撑体可考虑是临时的，如打设支撑桩、砖支墩等；也可 以是永久性的。对于前者，设置时要考虑拆除时的方便和安全；对于后者一般结 天津大学硕士学位论文第一章绪论 合永久性建筑物进行。 ( 4 ) 土体加固法。顶管、沉井施工中，可能由于土体超挖和坍塌而导致地 面沉降和土体位移的，可以采取注浆加固土体的方法。一是施工前对地下管线与 施工区之间的土体进行注浆加固；二是施工结束后对管壁或井壁松散土和空隙进 行注浆充填加固。此外，在砂性土层，且地下水位又较高的环境中开挖施工时， 为防止流砂发生，也可用井点降水方法。 ( 5 ) 选择合理施工工艺。基坑开挖、地下连续墙施工可采用分段开挖、分 段施工的方法，使管线每次只暴露局部长度，施工完一段后再进行另一段，或分 段间隔施工。对于桩基工程，可以合理安排打桩顺序，如临近管线的桩先打，退 着往远离管线的方向打桩，以减少对管线的挤压，还可考虑调整打桩速率的方法， 如打打停停，对减少土中的空隙水压力，或者打桩区四周设排水砂井、塑料排水 板，使孔隙水压力很快消失，减少挤土效应。顶管工程施工，对临近管线区域， 可以放慢顶进速率，以及减少一次权威性进距离的办法，做到勤顶勤挖，减少对 土体的挤压力，顶头穿过管线区后，勤压膨润土，以充填顶头切削造成的管壁外 间隙，减少地面沉降。有些地下工程还可采用逆作法施工保护管线，对管线可起 固定作用的部位先施工并加跑龙套，再施工其他部位。基坑回填时分层夯实，钢 板桩拔除时及时用砂充填空隙并在水中振捣密实，尽量缩短管线受影响区的施工 时间等。 ( 6 ) 对管线进行搬迁、加固处理。对于便于改道搬迁，且费用不大的管线。 可以在基础工程施工之前先行临时搬迁改道，或者通过改善、加固原管线材料、 接头方式，设置伸缩节等措施，增大管线的抗变形能力，以确保土体位移时也不 失去使用功能。 ( 7 ) 卸载保护。施工期间，卸去管线周围，尤其是上部的荷裁，或通过设 置卸荷板等方式，使作用在管线上及周围土体上的荷载减弱，以减少土体的变形 和管线的受力，达到保护管线的目的。 ( 8 ) 不保护方式。对一些不明无主的管线，估计破坏后不会造成重大损失 或影响的，或经与有关部门联系，可暂停使用的管线，可采用不保护方式，进行 突击施工，在几小时或几天内施工完后再恢复管线使用功能。 本文针对依托工程天津临港工业区滩涂吹填造陆工程中的具体土壤特性、海 底管线的运营状况、施工条件、经济效益等因素，借鉴其他研究者在地下管线的 防护方面所做的工作，分析了各种防护方案的特点及适用情况，由于海底管线受 力情况的复杂性，以上所列出的地下管线的保护措施并不完全适用于依托工程中 的海底管线保护，针对这种情况，作者提出了新的方案，即采用在管线周围的土 中打入木桩并在土体表面加盖预制混凝土板的方案，经验证具有较强的合理性。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文的主要研究内容和工作 本文以天津临港工业区滩涂吹填造陆工程为背景工程，针对吹填造陆对渤西 管线可能产生的不利影响，主要在以下几个方面进行了研究工作： ( 1 ) 采用管线设计专业有限元软件a u t o p i p e ，对渤西海底管线在大面积吹 填荷载作用下的安全性进行分析，并提出控制的吹填高度； ( 2 ) 提出对子隔埝与管线交叉处的地基基础的处理方案及详细设计，以对 海底管线进行保护，并对提出的方案进行评价； ( 3 ) 分别采用商业有限元软件a n s y s 和p l a x i s ，对保护状态下的海底管 线的受力和变形进行分析，验证前面所提出的保护方案的合理性； ( 4 ) 采用商业软件p l a x i s 对子隔埝设计断面进行校核，并提出改进方案； ( 5 ) 对施工方案和控制条件提出合理建议。 天津大学硕士学位论文第二章大面积回填对管线的影响分析 第二章大面积回填对管线的影响分析 围海造陆范围内的海底管线是完全埋于海底的，它与陆上管道相比，海洋中 的环境要复杂的多，严峻的多。要弄清吹填造陆过程对海底管道所造成的影响， 就必须对海底管道在运行期间的工作荷载以及由于上部填土所引起的均布荷载 进行计算组合，从而取得在保证海底管线安全的前提下，回填土所能达到的极限 深度。 本章将采用有限元分析软件a u t o p i p e 6 1 ，根据规范d n v1 9 8 1 ，对海底管线 进行计算分析。a u t o p i p e 是一个专门用于管道分析和设计的有限元程序，自1 9 8 6 以来，经过不断的发展更新，已经成为管道系统设计不可或缺的工具。 2 1 管道的设计荷载及计算理论 海底管道与陆上管道相比，其所处的环境要复杂的多，本文所研究的海底管 线是完全埋入海底的，所受的荷载主要是运行期间的工作荷载，包括重力、设计 压力和温度变化产生的作用力。其中设计压力包括静水压力、外部回填土压力和 内部流体压力。 目前，允许应力法仍然是海底管道工程设计中最为普遍采用的方法，在使用 中最常见的国际标准和规范有d n v l 9 8 1 ，d n v l 9 9 6 ，d n v o s f 1 0 1 ，a s m e3 1 4 和a s m e3 i 8 。其中，d n v1 9 8 1 中的应力计算公式为： ( 1 ) 环向应力o - 、 n d r ，= ( 只一只) 景s 玑。o - f 女。 l i 式中：只为最大内压力；只为最小外压力；d 为管子的名义外径；f 为管子 的壁厚，= f 一一f 一( 公称壁厚减去腐蚀余量) ；仇为应力使用系数；d r ，为规 定的最小屈服强度：t 为温度折减系数，低于1 2 0 0 时，k ，= 1 0 。 ( 2 ) 相当应力口。 c r = ( 一+ 盯；一盯，t q + 3 f 刍) i 带。- 盯，- t 式中：q 、盯，为沿x 轴、y 轴方向的正应力；f 掣为法线方向为z 轴正方向 的面上的沿y 轴方向的剪应力；吼= 口。取值见表2 1 的面上的沿y 轴方向的剪应力：吼= 口。取值见表2 1 天津大学硕士学位论文第二章大面积回填对管线的影响分析 第二章大面积回填对管线的影响分析 围海造陆范围内的海底管线是完全埋于海底的，它与陆上管道相比，海洋中 的环境要复杂的多，严峻的多。要弄清吹填造陆过程对海底管道所造成的影响， 就必须对海底管道在运行期间的工作荷载以及由于上部填土所引起的均布荷载 进行计算组合，从而取得在保证海底管线安全的前提下，回填土所能达到的极限 深度。 本章将采用有限元分析软件a u t o p i p e 6 1 ，根据规范d n v1 9 8 1 ，对海底管线 进行计算分析。a u t o p i p e 是一个专门用于管道分析和设计的有限元程序，自1 9 8 6 以来，经过不断的发展更新，已经成为管道系统设计不可或缺的工具。 2 1 管道的设计荷载及计算理论 海底管道与陆上管道相比，其所处的环境要复杂的多，本文所研究的海底管 线是完全埋入海底的，所受的荷载主要是运行期间的工作荷载，包括重力、设计 压力和温度变化产生的作用力。其中设计压力包括静水压力、外部回填土压力和 内部流体压力。 目前，允许应力法仍然是海底管道工程设计中最为普遍采用的方法，在使用 中最常见的国际标准和规范有d n v l 9 8 1 ，d n v l 9 9 6 ，d n v o s f 1 0 1 ，a s m e3 1 4 和a s m e3 1 8 。其中，d n v1 9 8 1 中的应力计算公式为： ( 1 ) 环向应力盯、 n 仃y = ( 只一) 。薏r 。盯f 。k ， 式中：只为最大内压力；只为最小外压力；d 为管子的名义外径；t 为管子 的壁厚，r = t o m f 一( 公称壁厚减去腐蚀余量) ；r i b 为应力使用系数；d ，为规 定的最小屈服强度；k ，为温度折减系数，低于1 2 0 0 时，k 。= 1 0 。 ( 2 ) 相当应力盯。 1 o e = ( 2 + 盯；一盯，o y + 3 f 刍) 2sr 印。仃f 。t 式中：吒、盯。为沿x 轴、y 轴方向的正应力；t 。为法线方向为x 轴正方向 的面上的沿y 轴方向的剪应力；r = 7 7 。取值见表2 - - 1 天津大学硕士学位论文第二章大面积回填对管线的影响分析 注：1 荷载条件a 指功能荷载，荷载条件b 指功能荷载与同时作用的设计环境荷载，荷载条 件c 指试压荷载。 2 ，区域1 表示离平台超过一定距离的海底范围；区域2 表示在离平台一定距离内的海底 范围。距离一般取5 0 0 m 。 2 2 依托工程计算 2 2 1 基本参数 渤西海底输油管道采用双层管结构，内管和外管之间采用刚性连接件相连， 管线总长3 9 7 k m ；输气管道采用单层管结构，管线总长4 6 5k m 。输油管道外管 及输气管道：a p i5 lx 5 2 ；输油管道内管：a p i5 lx 5 6 。输油管道内管外径 2 1 9 1 m m ，壁厚1 4 3 m m ，保温层厚度5 0 m m ，密度6 0 k g m 3 ，外管外径3 5 5 6 m m ， 壁厚1 2 7 m m ，防腐层厚度2 7 m m ，密度9 4 0 k g m 3 。设计温度7 5 。c ，外管温度 5 0 。c 。输气管道管径3 2 3 8 5 r a m ，壁厚9 5 ，腐蚀余量2 5 。 2 2 2 计算模型的建立 海底管道模型的建立过程是确定管节点和土节点的过程。管节点的确定相对 简单，需要注意的是遇到以下三神情形需要设置管节点：( 1 ) 在管道几何形状改 变的位置：( 2 ) 有管道组件的地方( 如锚、法兰等) ；( 3 ) 土特性改变的位置。 土节点的确定相对复杂。由于管线周围土壤对它的约束是连续的，就必须离 散成一个个土节点。每个土节点用一套弹簧来模拟土体提供的刚度。在任意管段 选择土节点的准则是参考弹性地基上柔性梁的受力特性及管线的锚固效果。对有 弯头的埋管或受约束管段，不仅受到轴力，而且还有显著的弯矩。在弯头一边的 轴向力对另一边产生横向力矩，土的横向荷载分布与连续弹性地基上弹性梁的情 况是相似的。对于土节点的分布及个数，根据管道受力特点及位移曲线，把管土 相互作用区域分为三个部分：( 1 ) 在弯头附近，弯头效应最为明显，产生了很大 的横向位移；( 2 ) 过渡区。弯头效应缩减到较小的水平。随着离弯头距离的增加， 位移逐渐趋近于零；( 3 ) 弯头对管段位移没有影响。管段可以看作锚固在土中。 天津大学硕士学位论文第二章大面积回填对管线的影响分析 因此，为了提高程序运算效率，而且又能保证应力分析的准确，在弯头附近 土节点布置较密从而能够准确的模拟这个区域周围土体对管线受力的影响。随着 离弯头距离的增加，由于弯矩可以忽略而只需要模拟土对管道轴向的作用力，因 此土节点之间的间隔逐渐变大，节点布置个数变少。 2 2 3 土及其他海管底部约束特性值的计算 本文所针对的渤西海底管道完全埋于土中，所以海底管道的约束主要由管道 周围的土体提供。考虑到这种特点，海管底部的约束的各种参数的计算如下： ( 1 ) 水平横向的极限土抗力及土体横向刚度 横向的极限土抗力按下式计算： 只= r 。s 。d 式中：p 为水平横向的极限土抗力；r ，为埋深系数( 与管道埋深及管径的 比值有关) ；s 。为土的不排水抗剪强度；d 为管道外径。 土体的横向刚度为： k ，= _ | ，z 式中：_ j 为水平向应力位移曲线的初始斜率；z 为土层表面至管道中心的距 离。 ( 2 ) 水平纵向的极限土抗力及土体横向刚度 纵向的极限土抗力按下式计算： 口= 万d 口s 。 式中：只为水平纵向的极限土抗力；口为粘度系数； 强度；d 为管道外径。 土体的纵向刚度为： 2 5 e , d k ，6 0 p , a 一般可根据经验及土质情况选取合适的数值。 ( 3 ) 竖直向下的极限土抗力及土体垂向刚度 竖向的极限土抗力按下式计算： p d = d c nc 式中：c 为土的不排水抗剪强度；m 为承载力系数， 宽度b 之间比值的函数，日为海管底部到土表面的距离， 土体的垂向刚度为： 6 6 7 只a k as 1 0 只a 根据经验及土质情况选取合适的数值。 ( 4 ) 竖直向上的极限土抗力及土体刚度 瓯为土的不排水抗剪 是管道埋深日与基础 占为海管外径。 天津大学硕士学位论文第二章大面积回填对管线的影响分析 竖向的极限土抗力按下式计算： 只= w + a ( c f o + d y f q ) 式中：巩为单位土体的有效重量；d 为管道外径；c 为土的为粘度系数；y 为土的有效容重；d 为海管顶部到土表面的距离；f c 、只为破坏因数。 土体的刚度为： 5 只a 蔓k d 1 0 只a 根据经验及土质情况选取合适的数值。 2 2 4 计算模型 直管段用管单元( p i p er u n ) 模拟，管道的两端是固定端，用a n c h o r 单元 模拟，双层管道的接头处用隔板通过焊接固定连接内、外管，这种焊接处用梁单 元模拟，连接内外管。简化了的计算模型见下图2 - - 1 ： ( a ) 输油管线模型 ( b ) 输气管线模型 图2 1 管线受力的计算模型 天沣大学硕士学位论文第二章大面积回填对管线的影响分析 2 2 5 计算结果 ( 1 ) 计算工况 计算工况见下表 表2 - 2 荷载工况组合 应力校核时管道的许可应力值为： 输油管道外管及输气管道( a p i5 l x 5 2 ) ： 仃。= 0 6 7 x 3 5 8 = 2 4 0 m p a 盯。= 0 9 6 3 5 8 = 3 4 4 m p a 输油管道内管( a p i5 l x 5 6 ) ： 盯。= 0 6 7 x3 8 6 = 2 5 9 m p a 盯。= o 9 6 3 8 6 = 3 7 1 m p a ( 2 ) 计算结果 在各个荷载工况下的最大应力见表2 3 和表2 4 。表中工况1 为管线在原 设计条件下的应力组合；工况2 、3 为施加大面积荷载后的应力组合。 表2 3 输油管线应力总结 内管外管 最大应力许可应力最大应力许可应力 工况应力类型位置应力类型位置 ( m p a )( m p a )( m p a )( m p a ) 1组合2 2 22 5 9a 1 0 4组合3 82 4 0b o o 2 组合2 3 5 2 5 9a 1 0 4组合9 02 4 0 b 1 0 4 3 组合 2 4 13 7 la 1 0 4组合8 93 4 4b 1 0 4 天津大学硕士学位论文第二章大面积回填对管线的影响分析 表2 4 输气管线应力总结 最大应力许可应力 工况 应力类型 位置 ( m p a ) ( m p a 、 1 组合 1 7 52 4 0a 1 0 3 2 组合 2 3 92 4 0a 1 0 3 3 组合 2 3 43 4 4a 1 0 3 根据表2 3 及2 4 的结果可知，当大面积吹填的荷载不超过2 4 k p a 时，在 不同荷载组合下输油管线和输气管线中的最大应力均小于许可应力，所以管线是 安全的。由于在吹填阶段，吹填的泥浆的有效容重一般不超过6 k n m 3 ，所以当 吹填高度不超过4 m 时，其上覆有效压力不会超过2 4 k p a 。据此推算，在管线改 线前，吹填高度应控制在距原地表标高4 m 以内。 必须说明的是，在建模过程中，将上覆填土的作用既考虑为增加了管线的约 束，又作为上部荷载，因此计算结果偏于安全。 天津大学硕士学位论文第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 由于渤西海底管线的埋深较浅，从安装石油管线的工艺过程分析，管线具有 一定的承压变形能力，当子隔埝( 路堤) 从管线上方通过时，会使地基中产生附 加应力，这些附加荷载一方面会增加管线中的应力，另一方面由于滩面浅层地质 结构以淤泥为主，附加荷载会造成地基产生较大的沉降量，使管线产生附加的剪 应力和拉应力，对管线的安全造成威胁，这就要求提出合理的可靠的保护方案， 以保证海底管线的安全运营。 3 1 管线现状分析 目前对管线的调查表明，该管线埋深在泥面以下1 5 m 处，当子隔埝( 路堤) 从管线上方通过时，会使地基中产生两种附加应力：( 1 ) 路基自重产生的静荷载； ( 2 ) 施工中及建成后机械车辆通行产生的动荷载。附加荷载一方面会增加管线 中的应力，另一方面由于滩面浅层地质结构以淤泥为主，附加荷载会造成地基产 生较大的沉降量，使管线产生附加的剪应力和拉应力，对管线的安全造成威胁。 由近期的地质勘查报告揭示：已筑垂高4 m 左右的陆堤观测沉降量在5 0 c m - - 1 0 0 c m ，沉降量大的区域主要分布在表层浮淤泥较厚的地段( 一般在生长大米 草的外沿，高程在2 5 3 o m 之间的区域) ，沉降量一般在o 6 m 以上，而在滩面 高程低于2 5 m 的区域，由于厚度不同的表层铁板沙作用，沉降量一般在o 5 0 6 m 左右。 由此可见，当子隔埝( 路堤) 从管线上方通过时有必要对管线采取一定的保 护措施。 3 2 附加荷载计算 路堤材料为建筑垃圾，容重取为2 0 m 3 。 3 2 1 对于5 m 高路堤 ( 1 ) 计算路堤的静荷载 l 。yh 2 0 5 = 1 0 0 k p a 天津大学硕士学位论文第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 ( 2 ) 车辆荷载 按2 0 0 k n 考虑：l d = 2 0 0 k n 3 2 2 对于3 m 高路堤 ( 1 ) 计算路堤的静荷载 l 。= y h = 2 0 3 = 6 0 k p a ( 2 ) 车辆荷载 按2 0 0 k n 考虑：l d = 2 0 0 k n 3 3 初步设计方案 ( 1 ) 提高地基承载力 提高地基承载力的方法很多，但考虑到在海中施工，为避免施工过程中对管 线的机械损伤，施工方案愈简单，施工期越短愈好。初步考虑采用如下方法：木 桩加抛石，土加混凝土盖板的方法形成简单的涵洞保护管线，设计断面见 图3 1 。 预制砼板( 厚度2 5 c n ) 斗叫三抖 o 8 m 单o - ：n 图3 1 桩基础设计断面 ( 2 ) 应力扩散法 该方法的特点是以堤和管线交叉点为中心，沿管线的走向有计划的分散加 荷，使管线缓慢的、有控制的均匀变形下沉。由于管线下土层为淤泥或淤泥质土， 在其变形过程中无局部强外力作用，与安装时的工况相比较更安全。 该设计方案为：以路堤与管线的交叉点为中心，左右各以路堤高1 0 倍的范 天津人学硕士学位论文第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 围内，用抛石加载。加载分层进行，每层厚l m ，周期1 0 天。例如：垂高3 m 的 路堤，分3 次加载，堤高5 m 的路堤分5 次加载。从纵向看抛石上顶宽应不小于 路堤顶宽，边坡1 ：1 5 。两侧纵向坡比为1 ：1 0 ，设计断面见图3 2 。 渤西石油管线 图3 2 应力扩散法设计断面 根据o f f p i p e 程序对管线的受力分析结果可知，现有的油气管线所能承受 的最大上覆荷载为3 0 k p a ，因此该方案不可行。 3 4 设计方案的验算 3 4 1 基础承载力验算 ( 1 ) 单桩承载力计算( 按a p i 规范计算) q ，表面摩阻力( k n ) q f = f a s = 1 2 c a s 式中：，一单位侧摩阻力( 1 【p a ) ； d 一无量纲系数； c 一不排水强度； 4 。一桩侧面积。 对于本工程： q ，= l 1 2 y d ，= 1 x 1 2 3 1 4 o 2 5 6 = 5 6 6 k n 天津大学硕士学位论文第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 q 。端阻力( ) q p = q a p 式中：口一单位端阻力( k p a ) a 一桩端面积。 对于本工程： q p = 9 c a p = 9 1 2 3 1 4 0 2 5 2 = 5 3 州 可得单桩承载力： q d = q ，+ q p = 5 6 5 + 5 3 = 6 1 8 k n ( 2 ) 混凝土盖板宽度及重量 混凝土盖板的宽度直接影响到桩所承担的上部荷载的大小，因此在适当的 情况下减小混凝土盖板在沿管线方向的跨度是有利的，设计采用5 m 跨度的混凝 土盖板，每块板的宽度o 8 m 。其单位长度的重量为： l i = 2 5 5 1 0 2 5 = 3 1 2 5 k n ( 3 ) 确定用桩数量 根据a u t o p i p e 程序对管线的受力分析结果可知，现有的油气管线所能承受 的最大上覆荷载为3 0 k p a ，因此设计中充分考虑地基土体的承载力，按地基土承 担3 0 k p a 的上覆荷载进行设计。 对于5 m 高路堤 取单位长度进行计算，则有： 。：生! ! ! ! 幺垒二! ! ：! ：1 6 1 8 5 0 0 + 2 0 0 + 3 1 _ 2 5 1 5 0 6 1 _ 8 = 9 4 式中：押一桩数； 工，一单位面积静荷载( k p a ) ； k 一动荷载( k n ) ； 当桩间距小于6 倍桩径时，计算中应考虑群桩效应，群桩效应系数为0 8 。 因此实际的用桩数量应为： h = 1 i 7 5 取1 2 根。 对于3 m 高路堤 取单位长度进行计算，则有： 行：塑! ! ! ! 型! ! ：垄二! ! ：! ! ! ：6 2 天津大学硕士学位论文第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 当桩间距小于6 倍桩径时，计算中应考虑群桩效应，群桩效应系数为0 8 。 因此实际的用桩数量应为： ”= 7 7 取8 根。 3 4 2 沉降计算 按复合地基计算处理后管线与路堤交汇点的沉降量 对于5 m 高路堤 ( 1 ) 置换率 。1 2 三石o 2 5 2 聊：兰生一一一垒一一一一1 1 8 爿5 l 式中：a 一单位长度混凝土板下的桩面积； 4 一单位长度混凝土板面积。 ( 2 ) 复合模量 e 。= m e 。+ ( 1 一m ) e 。 = 1 1 8 x 9 0 0 0 + ( 1 1 1 8 ) x 2 3 = 1 0 6 4 m p a 式中：e 一木桩的弹性模量； e 。一土的压缩模量。 ( 3 ) 沉降计算( 参见图3 3 ) 上部荷载产生的沉降量： 图3 3 复合地基沉降量计算简图 天津大学硕士学位论文第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 j = = 告( 毛瓦一z i _ 1 瓦一，) 一z o x|堕4536+尝(65110642s s “s s 6 ) l3 、 。l = 2 5 2 _ 3 m m 式中：眠一沉降计算经验系数。 对于3 m 高路堤 ( 1 ) 置换率 聊：生：堕竺! 以。， 45 1 ( 2 ) 复合模量 e ，= m e 。+ ( 1 一m ) e 。 = 7 8 5 x 9 0 0 0 + 0 7 8 5 1 2 + 3 = 7 0 8 6 m p a ( 3 ) 沉降计算( 参见图3 - - 4 ) 上部荷载产生的沉降量： 1 0 6 1 k p ap 图3 4 复台地基沉降量计算简图 s = 7 = 鲁( z ，瓦一z i - 1 西- i 一，) = 2 o 1 0 6x 4 5 3 6 + 1 0 6 ( 6 5 1 3 6 7 0 8623 4 5 3 6 ) l = 1 8 3 6 珊m、 l 按桩基础计算处理后管线与路堤交汇点的沉降量( 见图3 - - 5 ) 对于5 m 高路堤 1 8 1 3 6 天津大学硕士学位论文第三章子隔埝与管线交叉处管线保护方法 1 4 6 埘毡 - 、 j j 扫+ 交一 6 m“； i ； i 。 r rj i ，a 1 2 1 = 叶 6 m 艮- 23 m p 酬 j d 2 2 2 = 4xo1 8 9x 6 ；45 3 6 4 m。；e 产6 m p a + 盘2 2 2 = 4 x0 1 5 x 1 0 = 60 + 2 图3 - - 5 桩基础沉降量计算简图 ( i ) 等待深基础尺寸 1 口= 口o + 2 l t g a = 2 5 + 2 6 l - = 2 6 肌 1 b = b o + 2 l t g a = 5 + 2 6 “去= 6