CN103556654A - 一种基于浅海吹填区海底管线的保护的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于浅海吹填区海底管线的保护的设计方法，其特征在于：（1）、计算吹填荷载大小q，确定无吹填荷载q0；（2）、分析对吹填荷载q下海底管线的安全性；（3）、如果上述计算应力得出的组合应力过大，在一定长度海底管线范围内使荷载q分级过渡，（4）、对荷载分级过渡后判断海底管线的安全性；（5）、根据上述结果分析可能解决上述问题的荷载分级过渡保护结构；（6）、选择荷载分级过渡保护结构类型以及结构；（7）、根据选定的荷载分级过渡保护结构类型制定施工方法。上述方法使管线上部的荷载呈台阶状分级过渡，从而使施工区外侧原地表荷载与施工区内侧完全吹填荷载之间管线所承受荷载可以均匀过渡，有效确保管线不发生大的弯曲变形突破极限应力导致管道破坏。

Description

一种基于浅海吹填区海底管线的保护的设计方法
技术领域
本发明属于海底管线保护技术领域，特别是涉及一种基于浅海吹填区海底管线保护的设计方法。
背景技术
围海造路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。但是有时候围海造路会对其周围地上和地下的环境造成不可估量的影响。在围海造陆过程中，经常会出现规划区域覆盖一些海底管线例如油气管线等情况，海底管线通常承担着关系经济民生的重要用途，因此在围海造陆施工中必须对其进行专项的保护，以确保管线安全。
在围堤、防波堤等水工结构横跨海底管线设置的保护海底管线的刚性结构，称为刚性体，例如大圆筒装置。在吹填造陆范围内铺设的海底管线通过刚性体由外海进入吹填区内时，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，吹填区内吹填土产生的上覆重量会直接使管壁受到的应力增加，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，管线将发生破坏。
鉴于此，我们引入了通过在应力集中区域进行荷载分级过渡理论，从而在吹填完成后降低对管线的应力影响，确保管线不受破坏。为了达到荷载分级过渡的目的，我们设计了分级荷载过渡的结构形式，通过不同区段不同结构标高的形式，使得吹填过程中的管线上部荷载分级传递至海底管线以下土层。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于浅海吹填区海底管线的保护的设计方法，通过该方法设计出来的保护方案可以保护海底管线。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种基于浅海吹填区海底管线的保护方法，其特征在于：
（1）、根据围海造陆规划标高计算吹填荷载，确定吹填荷载的大小q，根据海底管线上岸段的埋深确定无吹填荷载海底管线段的荷载q0；
（2）、结合弹性地基梁理论和数值计算方法对吹填荷载q下海底管线的变形和应力情况进行计算，确定海底管线的安全性；
（3）、如果上述计算应力得出的组合应力过大，在一定长度海底管线范围内采取相应的保护结构使管线承受的荷载分级过渡增加，使荷载q分级过渡，即在第一分级段施加q1，第二分级段施加q2，……第n分级段施加qn，最后的保护段施加到总荷载q，通过计算荷载差变形量确定荷载过渡段的总长度以及每级段的长度；由吹填荷载q和相应的分级荷载下海底管线的变形和应力计算来确定荷载过渡段的分级数；
（4）、结合弹性地基梁方法和数值计算方法对荷载分级过渡后的海底管线进行相应的变形和应力组合计算，判断海底管线的安全性；
（5）、根据上述计算的结果分析可能解决上述问题的荷载分级过渡保护结构；
（6）、根据实际工况选择荷载分级过渡保护结构类型以及结构；
（7）、根据上述选定的荷载分级过渡保护结构类型以及制定具体的施工方法。
本发明具有的优点和积极效果是：通过本发明设计出的防护结构使管线上部的荷载呈台阶状分级过渡，从而使施工区外侧原地表荷载与施工区内侧完全吹填荷载之间管线所承受荷载可以均匀过渡，有效确保管线不发生大的弯曲变形突破极限应力导致管道破坏，该法即减少了采用完全保护所投入的大量的人力、物力，又减少了其施工机械和能源的浪费，是一种即环保又经济的方法。
附图说明
图1是吹填区管线无防护结构的荷载分布示意图；
图2是吹填区内管线荷载分级过渡的荷载分布示意图；
图3是第一级分级过渡段的结构示意图；
图4是图3的Ⅰ-Ⅰ剖面图；
图5是图4中A部放大图；
图中：1、竖桩；2、斜桩；3、横梁；4、纵梁；5、盖板；6、桁架；7、斜撑；8、海底管线；9、刚性体；10、紧固件。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种基于浅海吹填区海底管线的保护方法，其特征在于：
（1）、根据围海造陆规划标高计算吹填荷载，确定吹填荷载的大小q，根据海底管线8上岸段的埋深确定无吹填荷载海底管线8的荷载q0；
（2）、结合弹性地基梁理论和数值计算方法对吹填荷载q下海底管线8的变形和应力情况进行计算，确定海底管线8的安全性；
（3）、如果上述计算应力得出的组合应力过大，在一定长度海底管线8范围内采取相应的保护结构使海底管线8承受的荷载分级过渡增加，使荷载q分级过渡，即在第一分级段施加q1，第二分级段施加q2，……第n分级段施加qn，最后的保护段施加到总荷载q，通过计算荷载差变形量确定荷载过渡段的总长度以及每级段的长度；由吹填荷载q和相应的分级荷载下海底管线8的变形和应力计算来确定荷载过渡段的分级数；
（4）、结合弹性地基梁方法和数值计算方法对荷载分级过渡后的海底管线8进行相应的变形和应力组合计算，判断海底管线8的安全性；
（5）、根据上述计算的结果分析可能解决上述问题的荷载分级过渡保护结构；
（6）、根据实际工况选择荷载分级过渡保护结构类型以及结构；
（7）、根据上述选定的荷载分级过渡保护结构类型以及制定具体的施工方法。
下面以临港经济区三期14区围堤及部分吹填工程中渤西管线保护为例进一步说明，渤西管线区域内土质较软，强度指标低，并且在海上作业时，施工难度大。在吹填造陆渤西管线防护结构设计中，采用木桩防护结构的方案，该结构主要包括竖桩1、斜桩2、横梁3、纵梁4、盖板5、桁架6、斜撑7，
其中竖桩1分布在吹填区内的海底管线8的两侧，并且海底管线8的两侧各设有两排竖桩1；竖桩的排数根据可以根据实际情况计算后进行选定。
在吹填区内以刚形体9为起点沿海底管线8方向呈阶梯式布局，并且是逐级增高，为便于说明，特定于靠近刚性体9的为第一级分级过渡段，台阶的个数根据实际分级过渡段的长度进行合理化选择；
在最外侧竖桩1上每隔一定距离设有一组斜桩2；
在竖桩1的上顶部垂直管线方向通过紧固件铺设有横梁3；
在所述的横梁3上表面沿海底管线方向通过紧固件铺设有纵梁4；
在每个阶梯面的纵梁4上表面通过紧固件铺设有盖板5。
所述斜桩2与海底管线8的径向方向的竖直断面的夹角α为30°～50°；斜桩2与海底管线8轴线方向竖直断面的夹角β为40°～50°。
所述紧固件10采用耙钉、自攻螺丝或者绑扎构件。
在所述相邻竖桩1之间通过紧固件固定安装有桁架6。
所述竖桩1与相邻的横梁之间设有斜撑7。
该保护结构可将盖板5以上的吹填土荷载由木桩传递到海底管线8以下的土层，沿管线安装，以不同的盖板5顶面标高分段，从而达到保护海底管线8承受的吹填土荷载分级过渡的要求。具体以临港经济区三期14区围堤及部分吹填工程渤西管线保护设计结构为例，本工程使用结构具体指标为：自吹填区与海底管线8交汇边界在施工区域内形成的400m保护段作为保护范围，海底管线8两侧每侧布置双排竖桩1，保护段设有三级如图2，桩径20cm，两排竖桩1间距2.3m，单侧内外竖桩1间距1.2m，沿轴线纵向竖桩1间距为0.6m，轴线方向每隔4.8m两侧布置斜桩2用以承担吹填过程中产生的水平荷载，并保证整体结构稳定。在竖桩1的顶部垂直于海底管线8方向采用20cm*20cm方木架设横梁3，在横梁3的上方，沿海底管线8方向架设20cm*20cm方木纵梁4，纵梁4间距为竖桩1设计间距，纵梁4上部架设盖板5，盖板采用木板，厚度为5cm，用来抵抗上部吹填荷载，使荷载通过竖桩1传递给基础。轴向方向相邻竖桩1之间以直径约10cm圆木桁架连接确保稳定性。桩底统一标高为-8m，桩顶标高至起点开始0～150m为+2m，150～300m为+2.5m，300～400m为+3m。盖板5和纵梁4采用自攻螺钉连接，其他各部件采用耙钉或绑扎连接，以确保结构稳定可靠。
综上所述发明设计出的防护结构使管线上部的荷载呈台阶状分级过渡，从而使施工区外侧原地表荷载与施工区内侧完全吹填荷载之间海底管线8所承受荷载可以均匀过渡，有效确保海底管线8不发生大的弯曲变形突破极限应力导致管道破坏，该法既减少了采用完全保护所投入的大量的人力、物力，又减少了其施工机械和能源的浪费，是一种既环保又经济的方法。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于浅海吹填区海底管线的保护的设计方法，其特征在于：
（1）、根据围海造陆规划标高计算吹填荷载，确定吹填荷载的大小q，根据海底管线上岸段的埋深确定无吹填荷载海底管线段的荷载q0；
（2）、结合弹性地基梁理论和数值计算方法对吹填荷载q下海底管线的变形和应力情况进行计算，确定海底管线的安全性；
（3）、如果上述计算应力得出的组合应力过大，在一定长度海底管线范围内采取相应的保护结构使管线承受的荷载分级过渡增加，使荷载q分级过渡，即在第一分级段施加q1，第二分级段施加q2，……第n分级段施加qn，最后的保护段施加到总荷载q，通过计算荷载差变形量确定荷载过渡段的总长度以及每级段的长度；由吹填荷载q和相应的分级荷载下海底管线的变形和应力计算来确定荷载过渡段的分级数；
（4）、结合弹性地基梁方法和数值计算方法对荷载分级过渡后的海底管线进行相应的变形和应力组合计算，判断海底管线的安全性；
（5）、根据上述计算的结果分析可能解决上述问题的荷载分级过渡保护结构；
（6）、根据实际工况选择荷载分级过渡保护结构类型以及结构；
（7）、根据上述选定的荷载分级过渡保护结构类型制定具体的施工方法。
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