吹填工程对海底管线影响的数值模拟分析

吹填工程对海底管线影响的数值模拟分析

廖斌

廖斌

浙江省地矿勘察院上海分院上海200433

摘要：本文以天津某吹填工程为例，结合加固设计方案，建立了相应的数值模型，并对不同加固方案下海底管线的变形及内力进行了数值模拟及比较分析。分析结果表明，设置加固桩主要有利于减小管线沉降，不同加固方案的管线环向应力计算值均较小（远小于管线材质的屈服强度）；吹填工程对管线应力的影响主要由纵向应力控制，为有效控制管线应力，还需合理设计选取管线纵向加固长度。

关键词：吹填土；沉降；数值分析

Thenumericalsimulationanalysisofdredgerfillprojectonsubmarinepipeline

LiaoBin1

（1.InstituteofGeologyandMineralResourcesExporationZhejiang（ShanghaiBranch），Shanghai200433，China）

Abstract：Takeadredgerfillprojectintianjinasanexample，accordingtothereinforcementdesignscheme，establishedtherelevantnumericalcalculationmodel，andanalyzedthedeformationandinternalforceofsubmarinepipelineunderdifferentreinforcementschemes.TheresultsofexampleshowedthatThereinforcementschemeswereadvantageoustoreducethepipelinesettlement，thevalueofpipehoopstressunderdifferentreinforcementschemeswererelativelylow（farlessthantheyieldstrengthofpipelinematerial）；theinfluenceofredgerfillprojectonpipelinestresswasmainlycontrolledbylongitudinalstress，thelengthofpipelinelongitudinalreinforcementshouldbeselectedreasonablytoreducethepipestress.

Keywords：dredgerfill；Settlement；numericalsimulationanalysis

1工程概况

天津临港工业区某吹填工程场地内埋设有一横跨该区的渤西管线，该管线是将渤西油气田输送至陆上的重要干线，起着保证天津部分城区的工业和民用燃料（原料）的作用[1][2][3]，因此，围堤及吹填过程中须确保该管线的安全[4][5]。

渤西管线主要由输油管和输气管构成，管线材质为钢管，其中输油管线由内、外管组成，输气管线仅由内管组成[1][2][3]，管线参数如下：

本项目吹填范围内海底管线中心标高约为-5.00，平均水位标高约为+2.56，拟吹填至标高+6.00。

本文结合实例，采用有限差分软件FLAC，对不同加固方案下管线的变形及内力进行了数值模拟及比较分析，可为类似吹填工程对海底管线的影响分析提供重要的工程资料和理论分析依据。

2加固方案

2.1加固方案一

采用两排直径为300mm，间距为4.0m的PHC桩进行加固，桩纵向间距为1000mm；桩上混凝土板厚度300mm，宽度5.0m；板底（桩顶）标高为-2.00，桩底标高为-17.00。

2.2加固方案二

采用两排直径为300mm，间距为4.0m的PHC桩进行加固，桩纵向间距为1000mm；桩上混凝土板厚度300mm，宽度5.0m；板底（桩顶）标高为+1.00，桩底标高为-15.00。

3模型建立

模型中土层和加固方案中的板面均采用摩尔-库伦模型，管线采用liner单元模拟，加固桩采用pile单元模拟。

具体建模过程如下：（1）划分网格；（2）标定土层和各构件位置；（3）赋予土层实际属性；（4）设置边界条件；（5）重力平衡，并进行吹填前的初始计算；（6）将初始位移清零；（7）吹填淤泥；（8）吹填完成计算；

4计算结果

4.1模型一（未加固）

如图7和图8所示：当没有采取加固措施时，模型一沉降云图大致呈层状分布，沉降量由上至下逐渐减小；管线位置处的沉降约为302mm。

管线上部弯矩较大，管线下部弯矩较小，弯矩最大值为5.05E+02N·m。

管线轴力分布比较均匀，管线上部轴力稍大，轴力最大值为2.85E+04N。

管线左上方剪力较大，其余位置剪力稍小，剪力最大值为-7.41E+03N。

4.2模型二（加固方案一）

如图9和图10所示：当采取加固方案一时，模型二沉降云图大致呈左右对称分布，上部左右两侧沉降较大，中间部位因为有桩和板加固处理，沉降量比两边更小；管线位置处的沉降约为96mm。

管线上部弯矩较大，管线下部弯矩较小，弯矩最大值为4.61E+02N·m。

管线轴力分布比较均匀，管线上部轴力稍大，轴力最大值为2.02E+04N。

管线左上方剪力较大，其余位置剪力稍小，剪力最大值为-5.75E+03N。

4.3模型三（加固方案二）

如图11和图12所示：当采取加固方案二时，模型三沉降云图大致呈左右对称分布，上部左右两侧沉降较大，中间部位因为有桩和板加固处理，沉降量比两边更小；管线位置处的沉降约为139mm。

管线上部弯矩较大，管线下部弯矩较小，弯矩最大值为6.52E+02N·m。

管线轴力分布比较均匀，管线上部轴力稍大，轴力最大值为2.66E+04N。

管线右上方和左下方剪力较大，其余位置剪力稍小，剪力最大值为-5.92E+03N。

注：管线环向应力系根据管线内力计算值及管线截面参数计算所得。

4.4计算结果分析

1、管线沉降方面

a、两个加固方案对控制管线沉降效果均较为明显；当吹填至标高+6.000时，加固方案一的管线沉降约为96mm，相比未采取加固措施的管线沉降减少了将近200mm；

b、加固方案二混凝土板板面标高较加固方案一更高，因桩-板传递的吹填荷载减少，沉降量更大；

2、管线内力方面

a、采取加固方案后的管线内力（弯矩、轴力、剪力和环向应力）与未采取加固措施的管线内力相差不大；

b、不同加固方案的管线环向应力计算值均较小（远小于管道材质的屈服强度）；

5结语

根据以上分析和计算结果，得出以下主要结论：

（1）加固桩和混凝土板通过承担、传递吹填荷载，可有效控制管线竖向沉降，减小吹填工程对海底管线的影响。

（2）在加固桩桩长和间距相差不大的条件下，可通过合理设置混凝土板板面标高，提高加固效果。

（3）设置加固桩和混凝土板主要有利于减小管线沉降，对管线内力（弯矩、轴力、剪力和环向应力）影响较小。

参考文献：

[1]刘力伟，何辉.大面积地表荷载作用下的埋深管线的应力分析[J].港工技术，2007(1):22-24.

[2]杨鲲，孙艳军，隋海琛，邢存良，田春和等.声纳和浅剖在渤西管线物探调查中的应用[J].水道港口，2003，24(1):43-47.

[3]王克勤.临港工业区B26路渤西管线保护方案设计与施工控制[J].海河水利，2008(1):34-36.

[4]魏秋晨，刘润，闫澍旺，朱红霞，程栋栋等.围海造陆对已埋设海底管线安全性的影响[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2010，43(4):344-348.

[5]宋俊强，陈昆，霍知亮，王兴博等.围海造陆工程对海底管线的影响及防护方案的研究[J].水利学报，2015(s1):153-157.

作者简介：廖斌（1987-），男，江西宁都人，硕士，工程师，主要从事岩土工程的设计与研究工作。E-mail：liaob2002@163.com