海堤跨越已建海底管線的工程處理措施

胡曉明,王曉波

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

近年來在浙江省寧波、溫州地區(qū)的圍墾工程建設(shè)過程中,遇到海堤需跨越已建海底輸水管、輸油(氣)管及海底光纜的情況[1-3],各類海底管線是連接大陸與島嶼的生命線,如因拋石筑堤導(dǎo)致管線斷裂,后果不堪設(shè)想。因此在海堤建設(shè)中,需做好各類已建海底管線的保護(hù)工作,確保各類管線安全運(yùn)行,同時(shí)做好管線堤防結(jié)合段的防滲、不均勻沉降等銜接工作[4-5]。筆者曾參加寧波新泓口圍墾工程、寧波泥螺山北側(cè)圍涂工程和溫州洞頭環(huán)島西片圍墾工程中海堤跨越海底輸水管、輸油管、海底光纜的設(shè)計(jì)工作,對(duì)海底管線的保護(hù)處理措施略有體會(huì)。本文以溫州洞頭環(huán)島西片圍墾工程為例,介紹海堤跨越大陸引水管線的相關(guān)工程方案,供類似工程參考。

2 工程概況

洞頭縣環(huán)島西片圍涂工程位于浙江省溫州市洞頭縣洞頭島的西北側(cè)海岸,堤線總長3 981 m,總圍涂面積為255.1 hm2(3 826畝)。工程北側(cè)臨海中湖,與霓嶼島隔海相望,南靠洞頭島陸域,西鄰東海,東邊為北岙后二期圍涂工程。工程主要任務(wù)是圍涂造地,近期用作水產(chǎn)養(yǎng)殖,遠(yuǎn)期全部作為城市建設(shè)用地。圍堤工程為3級(jí),按50 a一遇擋潮標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),斷面為土石結(jié)構(gòu),主要由拋石堤身和堤背閉氣土組成,建堤處涂面高程約為0.3～0.6 m(洞頭本島基面),防浪墻頂高程9.0m,堤頂高程8.0m,堤頂凈寬6 m,堤身斷面寬度為90～110 m。工程區(qū)域地質(zhì)條件較差,涂面以下有較大厚度的軟弱海相軟土,厚度約30 m,土層承載力低,滲透性能差,且具高靈敏度、高壓縮性及易流變、蠕變等特性。工程附近海區(qū)潮汐屬正規(guī)半日潮,平均高潮位4.03 m,平均低潮位-0.07 m,平均潮位1.97 m。

洞頭(溫州)陸域引供水一期工程輸水管線起點(diǎn)為霓嶼島,穿過海中湖至洞頭本島王山岙,總長度為4 488 m。輸水管采用螺旋焊接鋼管,規(guī)格Q235B,管徑DN1 000 mm。水下管線采用S形曲線路由彈性敷設(shè),曲率半徑為2 536.25 m,管道平均覆土厚度1.5 m,兩端距離岸線約500～800 m段管道覆土約為5m。輸水管道終點(diǎn)附近登陸段,位于洞頭環(huán)島西片圍涂區(qū)內(nèi),引水管線穿堤而過,與堤軸線相交于堤線樁號(hào)0+484.83 m處,交角為46.95°,由于輸水管與標(biāo)準(zhǔn)堤斜交,堤身范圍內(nèi)輸水管長度為154.9 m,管道覆土深度4 m。

3 工程處理措施

輸水管穿堤處現(xiàn)狀涂面高程0.6 m,標(biāo)準(zhǔn)堤設(shè)計(jì)堤頂高程8.0 m,根據(jù)土層e-p曲線推求堤身最大沉降約2.6 m,輸水管頂部實(shí)際最大筑堤高度約11 m,附加壓重達(dá)200 kPa,因此需要對(duì)輸水管采取工程保護(hù)措施,防止輸水管產(chǎn)生過大沉降變形而破壞。

3.1 堤身施工工藝上避免對(duì)輸水管產(chǎn)生不良影響

原海堤斷面經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后,選用爆破擠淤斷面。實(shí)際爆破擠淤工藝對(duì)輸水管安全影響較大,因此考慮在輸水管穿堤處兩側(cè)各300 m范圍,采用排水板地基處理的斜坡式土石結(jié)構(gòu)斷面,在堤身施工工藝上避免對(duì)輸水管的安全運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

3.2 輸水管上方設(shè)置蓋板承擔(dān)堤身荷載

為防止拋石筑堤直接作用于輸水管上,導(dǎo)致輸水管產(chǎn)生過大沉降變形而破壞,設(shè)計(jì)考慮在輸水管上方涂面處鋪設(shè)預(yù)制蓋板,堤身荷載作用于預(yù)制蓋板上,并由蓋板底部樁基礎(chǔ)承擔(dān),以保證輸水管及周圍土體不受力。蓋板規(guī)格分5.6 m×4.9m×0.6m和5.6m×6.9 m×0.6 m 2種,底部打設(shè)2排D600 mm預(yù)應(yīng)力管樁,在堤軸線兩側(cè)荷載較大處,樁長36 m,在堤內(nèi)外側(cè)鎮(zhèn)壓平臺(tái)范圍,樁長30 m,垂直輸水管方向樁間距4 m,沿輸水管方向根據(jù)堤身填筑高度變化,樁間距2.5～3.5 m。

樁間距的確定綜合考慮單樁承載力和預(yù)制蓋板的尺寸二方面因素,樁間距拉大,則單樁設(shè)計(jì)承載力相應(yīng)增大,樁長增長,同時(shí)蓋板平面尺寸增大,承擔(dān)更大的堤身荷載作用,所受彎矩、剪力也將增大,需要加大蓋板的設(shè)計(jì)厚度和配筋,也需要考慮機(jī)械設(shè)備的吊裝能力。

3.3 附加應(yīng)力的屏蔽措施

為防止蓋板兩側(cè)堤身沉降及附加應(yīng)力傳遞帶動(dòng)輸水管及周圍土體沉降,設(shè)計(jì)考慮在蓋板兩側(cè)打設(shè)密排預(yù)制管樁,一方面隔斷附加應(yīng)力傳遞,控制輸水管沉降,另一方面避免蓋板兩側(cè)土體由于堤身加荷作用,橫向擠壓輸水管。根據(jù)沉降計(jì)算結(jié)果,涂面以下約20 m范圍內(nèi)淤泥層沉降達(dá)230.83cm,為沉降主要控制層,占堤身最終總沉降量的85%以上,因此確定蓋板兩側(cè)密排預(yù)制樁樁長20 m,穿透淤泥層,斷面見圖1。

圖1 輸水管保護(hù)斷面圖

由于蓋板處堤身荷載傳至樁基礎(chǔ),蓋板以下土體不受力,而蓋板兩側(cè)土體受堤身加荷作用,對(duì)蓋板兩側(cè)密排預(yù)制樁產(chǎn)生側(cè)向擠壓的效應(yīng)。這種情況下,預(yù)制管樁類似于樁板式擋土墻,其所受側(cè)向壓力可按庫倫土壓力計(jì)算公式計(jì)算,然后按M法推求樁身彎矩、剪力和位移,進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)。

3.4 差異沉降控制措施

蓋板底部樁基礎(chǔ)打至承載力較高的粉質(zhì)黏土層,由于樁基礎(chǔ)的支承作用,蓋板及樁基礎(chǔ)最大沉降＜0.1 m。因此,蓋板保護(hù)區(qū)域堤身沉降與兩側(cè)堤身沉降差較大,為協(xié)調(diào)輸水管保護(hù)段與周圍堤段的沉降差,防止堤頂?shù)缆芳暗躺頇M向開裂,考慮在筑堤高度高,荷載大的蓋板兩側(cè)一定范圍內(nèi)打設(shè)間距較大的預(yù)制樁,采用復(fù)合地基的處理方式,協(xié)調(diào)差異沉降。

通過預(yù)制管樁打設(shè),與地基土形成樁土共同作用,提高地基承載力,從而提高復(fù)合土體壓縮模量,降低土體沉降值,按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》相關(guān)公式計(jì)算。考慮到水下攪拌樁作業(yè)設(shè)備較少,選用常規(guī)D600 mm預(yù)制管樁,樁間距1.5m,正方行布置,樁長15 m。經(jīng)計(jì)算,復(fù)合地基承載力提高至134.8 kPa,淤泥層壓縮模量平均提高3.17倍,沉降減少138.1 cm。

3.5 防滲處理措施

由于筑堤高度較高,蓋板保護(hù)區(qū)域之外的軟黏土下部深層土體仍有0.25 m左右的沉降,而蓋板由樁基礎(chǔ)支撐,沉降在0.1 m以內(nèi),因此在蓋板下方可能形成滲流通道,導(dǎo)致堤后滲水、漏水?？紤]采用堵滲的方式,設(shè)計(jì)異形蓋板,布置于堤身閉氣土方填筑區(qū)兩端,異形蓋板端部設(shè)計(jì)2 m深齒坎,插入涂面以下淤泥層中,封堵可能出現(xiàn)的滲流通道。

4 結(jié) 語

(1)設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)蓋板保護(hù)海底管線的同時(shí),應(yīng)重視保護(hù)區(qū)域與堤防銜接段的變形協(xié)調(diào)控制,并做好防滲工程措施。

(2)由于水深及海上風(fēng)浪作用,打樁及蓋板吊裝定位均有一定的難度,設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮施工難度和可能的施工誤差,在條件允許的情況下,適當(dāng)加大樁基礎(chǔ)與海底管線的凈距。

(3)由于圍墾工程一定程度上改變了工程區(qū)域附近的波浪和潮流狀況,也可能引起海堤外側(cè)一定范圍內(nèi)灘涂的沖淤變化,因此已建海底管線的覆土厚度可能有所變化,其運(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定性可能發(fā)生變化,值得相關(guān)部門的重視。

[1]嚴(yán)其芳.寧波鎮(zhèn)海新泓口圍墾工程初步設(shè)計(jì)[R].杭州:浙江廣川工程咨詢有限公司,2007.

[2]嚴(yán)其芳.寧波鎮(zhèn)海泥螺山北側(cè)圍墾工程初步設(shè)計(jì) [R].杭州:浙江廣川工程咨詢有限公司,2010.

[3]王曉波.洞頭縣環(huán)島西片圍涂工程可行性研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

[4]中華人民共和國水利部.GB50286—98堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[5]浙江省標(biāo)準(zhǔn)海塘建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定 [R].杭州:浙江省水利廳,1999.