邓 楠，修志福

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

沉管法在电厂取排水工程中的应用

邓 楠，修志福

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

本文对电厂取排水工程的沉管法主要计算内容进行总结，列举沉管常见连接型式，并简介公（铁）路工程中沉管隧道接头型式为取排水工程沉管的密封性优化提供借鉴参考。

沉管；稳定计算；横（纵）向计算；密封性；柔性；刚性；接头

引 言

电厂取排水方式可分为明渠和暗涵。暗涵主要优点为：1）基本可忽略波浪对取排水构筑物安全的影响；2）对近岸潮流场基本不产生影响；3）相对明渠暗涵温排水对周边环境的影响较小。暗涵施工方法主要有沉管法、矿山法、盾构法、顶管法和围堰明挖法等。施工方法的选择主要根据工程地质、水文、埋深、沿线地下管线及构筑物情况、断面型式、施工条件以及工期要求等因素综合确定。目前以沉管工法建造的取排水暗涵在电厂建设中的应用日渐广泛。沉管法的主要特点有：

1）对地基允许承载力要求不敏感，经过论证后沉管隧道可修建在软弱地基上；

2）相对于盾构法、顶管法埋深要求不高，一般管段的顶部离海床1 m即可；

3）断面空间利用率高，断面类型灵活多变；

4）工序可平行作业缩短工期，如基槽开挖、管段预制、浮运沉放等可平行作业；

5）在预制管段接头间可采用止水带密封，大大提高密封质量，其防水性能在优于管片作衬砌的盾构隧道。

1 沉管法计算

沉管法主要计算内容可包括：沉管稳定性分析、沉管基础的稳定性分析、沉管内力计算和接头设计计算等。

1.1 沉管稳定性分析

影响海底沉管稳定的因素有波浪和水流力（主要是潮流力）：

1）波浪对沉管的作用，按水深与波长比值，可以分为深水、浅水、破碎和岸边4个区段。

深水区段波浪作用微弱，可不考虑。其余区段波浪对海底管线的作用力包括浮托力和水平波浪力两部分，水平波浪力由速度力和惯性力两部分组成。

①波浪未破碎前（即d＞crd ）：

式中：H为波高（m）；L为波长（m）；T为周期（s）；d为水深（m）；Z为水面至管中心的高度（m）；θ为相位角（°）；x为自波峰起算的水平距离（m）；t为时间（s）。

②当波浪破碎（即d＜crd）时：

2）水流对沉管的作用，主要是指一般以潮流和风海流为主形成的近岸海流，计算公式与波浪对沉管的作用相同，只是U由波浪水质点的水平分速度替换为根据观测资料统计的最大潮流流速。

3）波浪和水流作用计算后可根据《重力式码头设计与施工规范》中相应公式计算沉管的稳定性。

1.2 沉管基础的稳定性

沉管基础的稳定性主要考虑地基承载力、海流对沉管基础冲刷和沉管支墩的稳定性3个方面：

1）地基承载力计算可参照《重力式码头设计与施工规范》和《港口工程地基规范》中的相应公式。

2）海流对沉管基础冲刷的稳定性影响：波浪产生的底流速和潮流对沉管地基土存在冲刷作用。底流速的大小是动力因素，而抵抗流速冲刷的是地基土体本身物理力学性质。根据土体的颗粒大小或粘结能力，有相应的经验公式可以计算该土体的允许冲刷流速V。如果海流流速U＞V，则地基土存在冲刷危险，如U＜V则认为土体处于稳定状态（见图1）。

目前工程中一般均在沉管顶部及两侧一定范围设置覆盖层，覆盖层大多采用规格块石。块石规格可参照《防波堤设计与施工规范》中根据流速选取相应规格的护底块石执行，流速也应考虑波浪产生的底流速和潮流流速两部分。

图1 沉管断面

3）沉管在穿越岩礁地段或特定管节需要控制在某一合适的坡度内，有时会采用管线墩座间隔地架空海底管线。应指出此种型式从沉管受力情况和施工难度均会带来不利影响，所以在规划和设计中应尽量避免采用水下架空管线形式。但在某些特殊情况下采用此种型式设计时应重点计算以下问题：支墩的地基承载力、支墩自身及地基稳定性、支墩的不均匀沉降和支墩的间距。

1.3 沉管内力计算

1）沉管作用荷载及组合：

永久作用包括自重、静水压力、回填土及覆盖层产生的土压力；可变作用包括正常工作时沉管内流体压力、试运行时沉管内流体压力、沉管内外温差产生的温度应力、沉管不均匀沉降产生的内力、均布荷载、可变荷载引起的土压力；偶然作用主要有沉船（或抛锚）和地震时产生的惯性力、动土压力等荷载；短暂作用可考虑沉管预制时自重和吊沉时施工荷载。

上述荷载根据沉管所处的工作条件、环境条件等实际情况，有的同时作用，有的不可能同时作用，要按实际可能产生的荷载条件进行组合后分别进行计算，可考虑以下组合：

①沉管正常工作时受力+设计拟定的外荷载；

②沉管施工期各种状态时受力+施工期的外荷载；

③沉管正常工作时受力+地震力；

④沉管正常工作时受力+沉船荷载。

2）横断面计算

钢筋混凝土矩形横断面沉管隧道横断面多为多孔箱型框架。同其它超静定结构，箱形框架的机构分析也必须经过“假定结构截面尺寸、分析内力、修正尺寸、重算内力和截面配筋”的多次循环。沉管一般纵向较长、横向较短，计算时可选取单位长度1 m管节按弹性地基上平面应变状态的闭合框架计算。弹性地基的弹簧系数，可根据沉管基础的垫层特性（常见为砂垫层、碎石垫层或混合砂浆垫层）和开挖基槽的地质情况分层加权法计算。然后可利用一般的平面杆系结构分析通用程序计算结构内力（见图2、图3）。

图2 某电厂排水工程沉管准永久组合外板（内外侧）弯矩

图3 某电厂排水工程沉管准永久组合外板（内外侧）剪力

3）纵向计算

纵向计算包括管节的纵向静力计算和接头强度、变形计算。

沉管纵向静力计算模型为弹性地基梁，地层变形遵从温克假定。模型假设不计土体的水平弹性抗力，仅考虑土体对沉管段的轴向变形和摩阻力且沉管的中心为不动点。纵向静力计算重点考虑基床系数不均匀、基础处理质量、接头刚度等因素。

根据接头刚度和管节刚度比的不同，可分为刚性接头和柔性接头。柔性接头的抗弯刚度仅为管节本体刚度的 1/600～1/500，纵向内力计算时可做铰接点处理。刚性接头可做固结点处理。

接头主要应计算沉管轴力、沉管内外温差变化引起的温度应力及变形量。

沉管纵向受力条件变化的规律：在沉管两端的铰接处，支座垂直沉降特性对沉管段内力的影响仅限于临近端部一定范围内，其余部分基本上不受此影响。当基床系数均匀时，距两端一定距离后沉管段中的内力分布均匀。在基床系数发生变化处，沉管中会出现弯矩峰值。基床系数随机不利分布时内力也将随机出现变化。相邻基床系数相差越大，即两种垫层的密实度悬殊时出现的弯矩峰值越大，表明垫层充填质量不好会使沉管内力明显增加。

4）水密性计算

水密性计算主要为止水带选型提供依据：

①计算接头总位移量Δlt，由止水带温度变化伸缩量 Δlt1、干燥收缩位移量 Δlt2、基础不均匀沉降产生的Δδt组成；

②计算每米止水带受到的荷载F=水压作用面积×设计水位至水压力梯形中线距离×10/止水带周长；

③初选止水带型号，根据厂家提供的应力应变曲线查出在F下的压缩量δ；

④M=厂家提供的止水带压缩状态下的松弛量+厂家提供的一定水压下保证水密性的最小压缩量+沉管两端混凝土端面预制误差；

⑤δ≥M代表止水带选型合理。

2 取排水工程常见沉管连接型式

取排水工程中沉管根据施工条件可分为现浇沉管和预制沉管：现浇沉管连接型式较简单，预制沉管连接型式可采用榫槽搭接、承插对接和锲型接头等几种型式。

2.1 现浇沉管连接

位于陆上或海陆交接处的沉管一般具备干施工现浇条件，对接精度较高且止水带承压较小，连接型式可在沉管浇筑前相邻两节沉管端截面上布置止水带预埋件（见图4）。

图4 现浇沉管链接断面示意

2.2 榫槽搭接

在沉管有止水带预埋件的位置设置凹凸槽，相邻两节沉管在一侧沉管顶板设置突出端部一定尺寸的悬臂，另一侧沉管端部顶板向内缩进同样尺寸。沉管在完成初次沉放后对接时，以凹凸榫槽、导向构件和搭接悬臂作定位控制，辅助以起重船、钢浮箱，并拉合千斤顶对橡胶止水带进行挤密达到接头密封效果（见图5）。

图5 沉管榫槽搭接示意

2.3 承插对接

在相邻两节沉管的端部对外壁局部加厚一定尺寸，对接时以承插口为定位控制。由于接头处壁厚空间较大，可布置双层止水带并预埋灌浆管，拉合千斤顶压密止水带后可在两层止水带间注浆灌缝。此种型式的密封效果较前者较好（见图6）。

图6 沉管承插对接示意

2.4 锲型接头

取排水构筑物如遇单体自重过大，不具备拉合千斤顶挤密止水带条件。对接时可采用如下型式：沉管端部做成斜截面，沉管沉放时利用自重对止水带进行初次挤密，后期可根据密封性需要在顶板和侧板设置OMEGA止水带进行二次密封。此种型式接头造价较高，一般适用于取排水构筑物与最后一节沉管间的连接（见图7）。

图7 锲型接头示意

3 公（铁）路工程中沉管隧道接头型式

公（铁）路工程中很多跨江（海）隧道也都采用沉管法建设，其中对水下管节间连接技术的密封性要求较高，接头型式可分为刚性和柔性2种。刚性连接时钢筋在接头部位纵向连通，还设有加强钢板，其强度和刚度与管段本身较接近。柔性接头是采用允许转动和变位的方法，其结构型式有多种。理论上就抗震设计或适应不均匀沉降的要求而言，采用柔性接头是有利的。柔性连接必须在接头承受拉力和剪力的同时，仍能保证其可靠的水密性。

柔性接头可在沉管管壁内预埋预应力钢索，沉管对接时通过拉预应力钢索将刚沉放的管段拉向已沉管段，压缩橡胶止水带产生一定变形量初步止水；在初步止水效果确认后可在沉管内壁安装OMEGA止水带进行永久止水（见图8）。

图8 沉管隧道柔性接头示意

刚性接头可由水力压接实现：沉管端头一般采用钢壳结构，沉管对接时用拉合千斤顶使橡胶止水带压缩一定程度，然后抽掉隔舱水，利用沉管自由端的巨大水压形成初始密封。沿内圈焊接连接钢板、绑扎钢筋、灌注混凝土，最后焊接最内圈的连接钢板（见图9）。

图9 沉管隧道刚性接头示意

公（铁）路隧道中的沉管接头密封性、耐久性较高，可对取排水工程优化提供借鉴参考。

4 结 语

1）沉管法鉴于其特点在发电厂取排水暗涵工程中应用日趋广泛。

2）总结取排水工程中沉管主要计算内容和常见的接头型式。

3）公（铁）路隧道中的沉管接头密封性、耐久性较高，可对取排水工程优化提供借鉴参考。

[1]沉管隧道设计与施工[M].

[2]海底管线设计与施工[M].

[3]JTS 145-2-2013海港水文规范[S].

[4]JTS 154-1-2011防波堤设计与施工规范[S].

[5]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.海南昌江核电厂1、2号机组海域排水隧道及排出口施工图设计[R].2011.

[6]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.国投湄洲湾第二发电厂2×1 000 MW机组工程取排水工程施工图设计[R].2014.

Application of Immersed Tube Method in Water Intake and Drainage Project of Power Plant

Deng Nan,Xiu Zhifu
(CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510230,China)

For the immersed tube method applied in water intake and drainage project of power plant,its calculation content is summarized and common connection patterns of two immersed tubes are listed.In addition,a brief introduction is made to the joint type of the immersed tube tunnel in highway (railway) projects,which will provide a reference for optimizing the sealing property of immersed tubes in water intake and drainage project.

immersed tube; stability calculation; transverse (longitudinal) calculation; sealing property; flexibility; rigidity; joint

X77

：A

：1004-9592（2016）06-0056-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160614

2016-07-01

邓楠（1985-），男，工程师，主要从事港口航道工程设计与咨询。