港口给排水管道防沉降措施优化设计 | 港口科技

文摘 2024-11-19 11:17 上海

摘要

为了有效应对港口工程中给排水管道差异沉降问题，保障港口给排水系统安全稳定运行，综合分析土壤性质、施工质量、荷载变化等原因导致的差异沉降，探析其对管道沉降的影响机制。以宁波舟山港衢山港区鼠浪湖矿石中转码头工程项目为例，对管道敷设方式优化设计，采用地面敷设、管沟敷设、架空敷设等多种方式，并在给水管道入户、排水管道出户环节采取Z形折角、45°弯头、柔性套管等一系列补偿措施，从而显著增强管道系统对差异沉降的抵御能力。对给排水管道渗漏进行实时监测和预警，可及时发现管网漏损并修复。综合采用以上多种防差异沉降措施，可有效避免差异沉降对给排水管道的破坏。

引言

给排水管道作为港口工程的关键设施之一，其结构的完整性和功能的正常发挥对于整个港口工程的正常运行至关重要。然而，在实际工程中，受土壤性质不均匀、施工质量差异、外部荷载变化等多种因素影响，给排水管道往往会出现差异沉降现象。建筑物及地基的差异沉降导致管道因受力不均产生较大的轴向位移或沉降，从而产生应力，导致管道渗水或漏水以及局部积水，严重时可能导致管道断裂或接口开裂，直接影响地下给排水管道结构安全。这不仅会影响管道的正常使用，严重时甚至可能引发安全事故。因此，针对给排水管道的差异沉降问题开展研究并提出有效的应对措施具有重要的现实意义。

差异沉降问题现状

软土是一种软塑到流塑状态的饱和黏性土。软土地基是由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层为主要成分的地基。这种地基的特点是天然含水量大、压缩性高、承载力低，在荷载作用影响下很容易造成地基变形和不均匀沉降。在设计沿海地区给排水工程时，经常遇到淤泥或淤泥质土等软土地基问题。

差异沉降是指港口工程中出现的不同程度的沉降现象，这种不均匀的沉降会导致埋地管道连接处出现裂缝、渗漏等，严重时甚至可能产生管道破裂、渗漏、水流不畅等问题，进而引发环境污染和供水不足等安全生产隐患。此外，差异沉降还会对周边的建筑物和道路等基础设施造成影响，增加其损坏的风险。因此，差异沉降的存在对港口工程埋地给排水管道构成严重威胁。

大多数沿海港区陆域一般由回填土形成，地基稳定时间短，承载力相对薄弱，容易产生不均匀沉降。如果沉降部位在管道与管道的接口处，甚至还会直接出现脱节现象，这些现象主要发生在管道穿过建筑的变形缝处、管道进出建（构）筑物的室内外交接处、管道室外埋地敷设处等地方。在排水管道沉降发生后, 根据沉降方向与管道坡度方向的异同，有可能会增大管道坡度，也有可能会减小管道坡度，从而影响排水能力，修复需要耗费大量的人力和物力。如何避免沉降对给排水系统造成影响已成为给排水系统设计时重点考虑的问题。

差异沉降成因

差异沉降的形成与多种因素有关。其中，土壤性质是最主要的影响因素，如软土的压缩性、含水量等均会对沉降产生影响。此外，施工质量控制不严、管道基础设计不合理、荷载变化等因素也会导致差异沉降的发生。

2.1　土壤性质

土壤性质是影响给排水管道差异沉降的重要因素之一。不同区域的土壤密度、含水量、压缩性等参数存在差异。在排水条件下，软土中产生的由载荷引起的孔隙水压力随着时间的推移逐渐消散，土壤中的水分排出，土壤中有效应力的增加过程一直持续到过量的孔隙压力完全消散。这种现象被称为固结。土壤的固结行为因颗粒大小、渗透性、压缩性等地质性质而异。例如，黏土土壤、砂质土壤和泥炭土壤的固结行为与淤泥土壤不同，这会导致在相同外力作用下产生不同程度的沉降。因此，在港口工程设计阶段应对施工区域的土壤性质进行详细勘察，充分了解其分布特征，以便采取相应的措施减少差异沉降的影响。

2.2　施工质量

施工质量也是导致给排水管道差异沉降的关键因素之一。在施工过程中，如发生回填土夯实不到位、混凝土浇筑不密实等质量问题，将直接影响管道基础的稳定性，进而导致不均匀沉降的发生。因此，加强施工质量控制，严格按照施工规范进行操作，是降低差异沉降风险的重要措施。

2.3　荷载变化

荷载变化对给排水管道的差异沉降具有显著影响。港口工程建设过程中及运营阶段的各种外部荷载（如车辆、船舶、流水压力等）可能引起地基土的扰动或变形，从而导致管道发生差异沉降。为了降低荷载变化对管道的影响，应合理设计管道的布局和支撑结构，并在施工阶段采取有效的防护措施。

工程概况

宁波舟山港衢山港区鼠浪湖矿石中转码头工程位于浙江省舟山群岛北部的衢山岛与鼠浪湖岛之间蛇移门水道东侧，工程岸线范围在鼠浪湖岛西南侧的大盘山、小盘山、小鼠浪湖岛之间，港址西北距上海芦潮港约38 n mile，南距宁波北仑40 n mile。工程新建2个30万吨级铁矿石卸船泊位（水工结构均按靠泊40万吨级散货船舶设计）、1个10万吨级和2个5万吨级装船泊位（水工结构均按靠泊10万吨级散货船舶设计）。码头陆域总面积约为120万m2，码头年设计接卸能力为5 200万t。码头总体布置图见图1。

本工程大部分位于回填区，小部分位于开山区。陆域回填面积90.44万m2，采用吹砂船吹填形成陆域。回填区表层均为高压缩性的淤泥质软土，物理力学性质差、孔隙比大、含水率高、抗剪强度低、具有高压缩性和高灵敏度。软土厚度4～30 m，由北向南逐渐增厚。软土层以下仍有中等缩性土层。堆场堆矿高达10 m。

由于软土层淤泥深厚，容易发生淤泥固结，导致土壤结构性损坏，产生不均匀沉降，影响管道结构的耐久性。在更严重的情况下，它甚至可以改变管道的几何形状，影响曲率半径、坡度和坡长等参数，最终导致管道泄漏，构成安全风险。

本工程主要有3种情况的差异沉降：回填区与开山区之间的差异沉降；回填区内部的差异沉降；建筑物与室外场地之间的差异沉降。

解决方案

针对差异沉降问题，在本工程中从设计、监测等多个环节入手，采取一系列应对措施和技术解决方案。在设计阶段，根据工程地质勘察报告，在充分了解土壤性质和地下水位的情况下，通过优化管道敷设方式、合理选择管道基础型式和材料，提高管道的承载能力和稳定性；在运营阶段，利用智能监控预警系统，实现对给排水管道沉降的实时监测和预警。

4.1　优化敷设方式

4.1.1　地面敷设

地面敷设是指将管道直接敷设在地面上。地面敷设的优点是施工方便、成本较低、便于维护和检修。管道可以沿港区绿化带明敷，每隔一定距离设置支墩或支架。支墩、支架可以起到支撑和固定管道的作用，使其能够承受来自地面和地下水压力等外力，避免管道产生下沉、位移或破坏等问题。

本工程中沿纬一路、纬二路和防汛通道的给水管线在绿化带内敷设，采用地面支墩敷设方式，间距约3 m。地面支墩敷设剖面图见图2。

4.1.2　管沟敷设

管沟敷设是指将给水、电力、通信控制等几种管线设于管沟内，也可与排水沟结合。管道管沟敷设使管道的布局更加清晰，方便进行日常的维护、检修和更换工作。同时，沟槽的结构设计可以有效地防止土壤对管道的损害，延长管道使用寿命。

在本工程中穿越道路的管线采用管沟敷设，既避免车辆荷载对管线的破坏，又方便检修。沿管沟敷设剖面图见图3。

4.1.3　架空敷设

架空敷设是指将管道悬挂在空中，可以沿防尘网敷设、管架敷设、廊道敷设。架空敷设的优点是适用范围广、施工方便，能够为管道提供稳固的支撑，有效防止管道弯曲、变形或下沉。管架敷设能够减少土壤沉降对管道的影响，从而确保管道的安全和稳定性。架空敷设还可以减少管道的振动和应力，从而延长管道使用寿命。同时，可根据实际需求进行调整，优化空间利用。架空敷设剖面图见图4。在本工程中，纬二路给水管线结合防尘网敷设，依托防尘网的基础梁，可有效减缓不均匀沉降的影响；在生产污水处理站大门出入口以及跨越道路处，为方便人员车辆通过，采用高管架形式；沿经二路的管线设置在廊道内。

4.2　管道补偿措施

4.2.1　给水管道入户补偿措施

建筑物的基础经过加固处理，其沉降量较室外少，建筑物的进出户管道在室内外交接处易因不均匀沉降发生断裂。在管道进出建筑物的地面部分，建议设置适当的阀门，可以对不同部分的管道进行独立控制。这样在发生沉降时可以关闭受影响区域的阀门，以防止沉降传导到整个管道系统，保护其他部分的管道不受不均匀沉降的影响。

针对本工程综合楼、办公楼等建筑单体的进出管线，给水、消防管道采取塑料管材，采用Z形折角引进方式进行沉降补偿，在室外加设阀门井或检修井，并设置不锈钢波纹补偿器。给水管道入户防沉降措施示意图见图5。给水管道穿越基础墙外时应在管道下部预留足够的空间，并采用柔性材料填塞。

4.2.2　排水管道出户补偿措施

针对综合楼、办公楼等建筑单体的卫生间排水出户管，立管底部与出户管连接采用2个45°弯头，出户管穿越基础墙处预留柔性套管。

4.2.3　雨落水间接排水

仓库采用桩基结构，不容易沉降，但其他部位例如月台会产生一定的沉降，容易拉断敷设在月台内管道。针对这种情况，在仓库月台侧，改变以往的雨水排水做法，采用间接排水的形式。雨落水管连接示意图见图6。

4.3　管道基础

管道基础的地基承载力特征值须满足设计要求，可有效防止管道不均匀沉降。对于不满足要求的，应对基础进行换填处理。采用复合地基、地基加固等技术来改善地基承载性能，减少不均匀沉降的发生，其中特别要注意管道接头处。在本工程中管道连接处采用钢筋混凝土包封加固。管道接头加固示意图见图7。

4.4　管材选用

软土回填港区给排水管材的选用应重点考虑回填软土的不均匀性、管道基础处理的后沉降等。尽量选用柔性管材，所选的管道应具有以下特点：质量轻、有一定的蠕变量、强度高、施工安装方便。给水管建议采用涂塑钢管、镀锌钢管、球墨铸铁管、复合塑料管等柔性接口管道或柔性管道以适应沉降。排水管可采用塑料管、玻璃钢夹砂管、钢筋混凝土管等，并采用柔性连接的方式，如承插式弹性密封圈连接、双承口弹性密封圈连接等。在本工程中经过比选，埋地给水管采用塑料管，明敷给水管采用涂塑钢管或镀锌钢管，排水采用明沟或塑料管。

4.5　管道渗漏监测

在运营阶段，对给排水管道渗漏进行实时监测和预警，可提前发现管网漏损，减少漏损造成的损失。通过安装智能监控预警系统，其内置的智能传感器和数据采集装置可实时获取管道及周边环境的各种参数，并经过分析处理后一旦发现异常情况及时发出预警信息，有助于维护人员及时采取相应措施，从而有效减少损失。

应用效果分析

通过采用多种管道敷设方式和补偿措施，可有效减缓差异沉降对室外管道的破坏，本工程投入运营后给排水系统总体运行良好。但少数管道仍存在渗漏现象，主要原因是海边盐雾环境湿度大、腐蚀性较大。本工程明敷管道大部分为钢管，虽采取防腐措施，但如管道接口处存在处理不当情况，易发生腐蚀现象。因此，在条件允许的情况下，明敷管道尽量采用塑料管。

结语

通过对港口工程中给排水管道的差异沉降问题进行分析，提出有针对性的应对措施和技术解决方案，具体包括采用地面敷设、管沟敷设、架空敷设等多种方式，并在给水管道入户、排水管道出户环节采取Z形折角、45°弯头、柔性套管等一系列补偿措施。与传统埋地敷设方式相比，优化后的敷设方式可有效避免不均匀沉降对管道的破坏。通过引入智能监控预警系统，可以有效降低渗漏对给排水系统的影响，提高系统的安全性和稳定性。未来，随着技术的不断发展，智能监测预警系统的应用将更加广泛和深入，为港口工程给排水管道的安全运行提供更加可靠的保障。同时，对于不同地区、不同类型的港口工程给排水管道项目，仍需结合实际情况进行具体分析和研究，制定更加科学合理的应对措施和技术方案。

文章刊发于《港口科技》2024年第7期；

原文标题：港口给排水管道防沉降措施优化设计

作者：郑瑞东；中交第三航务工程勘察设计院有限公司

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