張 浩

〔中國(guó)石化陜西石油分公司 陜西西安 710003〕

在石油化工領(lǐng)域，大型儲(chǔ)罐的應(yīng)用非常廣泛。因地形和選址限制，很多儲(chǔ)罐建設(shè)在軟土地基基礎(chǔ)上。因地質(zhì)條件限制及儲(chǔ)罐基礎(chǔ)、罐體等因素影響，儲(chǔ)罐在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生各種沉降，這就可能對(duì)儲(chǔ)罐的建設(shè)和后期安全帶來(lái)隱患[1]。所以，對(duì)儲(chǔ)罐建設(shè)項(xiàng)目而言，其在地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、建設(shè)施工工程中對(duì)儲(chǔ)罐沉降量的檢測(cè)、控制顯得尤為重要。本文所舉例的儲(chǔ)罐地處西北沙漠地帶，其地質(zhì)條件具有許多不確定性因素，對(duì)儲(chǔ)罐的施工質(zhì)量和后期安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大隱患。

1 儲(chǔ)罐沉降形式及原因分析

1.1 儲(chǔ)罐沉降形式

儲(chǔ)罐充水沉降試驗(yàn)是儲(chǔ)罐投運(yùn)前的必備工序，它是檢測(cè)儲(chǔ)罐是否沉降或均勻沉降的重要手段。儲(chǔ)罐沉降形式分為均勻沉降、平面傾斜和非平面沉降(不均勻沉降)。均勻沉降不會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力變化，但能對(duì)儲(chǔ)罐附件、連接工藝管線、消防管線、儀器儀表連接套管等其它連接部位產(chǎn)生應(yīng)力變形、斷裂、斷開等問題。平面傾斜引起液位升高，從而增大儲(chǔ)罐罐壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力，同時(shí)影響管線、儲(chǔ)罐接管和連接件。非平面沉降導(dǎo)致儲(chǔ)罐過量的傾斜會(huì)產(chǎn)生浮頂周向密封的約束和妨礙浮頂活動(dòng)壁內(nèi)的附加應(yīng)力，表現(xiàn)在罐壁鋼板被拉長(zhǎng)或壓彎，致使儲(chǔ)罐頂部不圓，妨礙浮頂?shù)恼９δ?，造成?chǔ)罐罐壁出現(xiàn)扁平現(xiàn)象，損壞與管線連接的儲(chǔ)罐接管。

1.2 原因分析

儲(chǔ)罐地基產(chǎn)生不均勻沉降與傾斜的因素既有地質(zhì)條件也有施工和使用不當(dāng)?shù)确矫嬖颍阂皇墙ㄔ靸?chǔ)罐場(chǎng)地的好壞，包括土質(zhì)的不均勻性、存在地質(zhì)缺陷等；二是由于儲(chǔ)罐內(nèi)進(jìn)油或進(jìn)水速度過快也可能引起不均勻沉降，造成局部邊緣剪切破壞[2]。為此，儲(chǔ)罐在投用前必須做充水沉降試驗(yàn)。

2 充水沉降試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作

儲(chǔ)罐充水試驗(yàn)前須編制《儲(chǔ)罐充水試驗(yàn)方案》并得到批準(zhǔn)，儲(chǔ)罐充水前，必須進(jìn)行充水條件檢查與確認(rèn)，試驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作如表1所示。

表1 儲(chǔ)罐充水試驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作

2.1.1 選取合適的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)

充水試驗(yàn)按照設(shè)計(jì)要求對(duì)每個(gè)儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)進(jìn)行沉降試驗(yàn)觀測(cè)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取遵循以下原則[3]：①所布設(shè)的沉降基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)必須堅(jiān)固、穩(wěn)定且便于長(zhǎng)期保存；②為了便于對(duì)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行相互檢查，沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)不少于3個(gè)，以保證沉降觀測(cè)結(jié)果的正確性；③沉降基準(zhǔn)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)的距離不宜太遠(yuǎn)，以保證觀測(cè)精度；④沉降基準(zhǔn)點(diǎn)須埋設(shè)在建筑物的壓力傳播范圍以外。同時(shí)，為了防止沉降基準(zhǔn)點(diǎn)受到凍脹的影響，沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的埋設(shè)深度不小于1.5 m，以保證沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定；如沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在變形區(qū)以外，數(shù)量一般不少于3個(gè)。

2.1.2 布置安裝儲(chǔ)罐基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

儲(chǔ)罐充水沉降試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)在建設(shè)安裝儲(chǔ)罐基礎(chǔ)之前，根據(jù)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)圖紙安排好沉降試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)的布點(diǎn)方案等工作。編制沉降試驗(yàn)觀測(cè)方案，也可委托有資質(zhì)的第三方評(píng)估機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際情況預(yù)設(shè)沉降試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)。為了能夠反映出儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的準(zhǔn)確沉降試驗(yàn)情況，沉降試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置應(yīng)在能夠反映儲(chǔ)罐沉降變化且便于觀察的位置，例如，可設(shè)置在儲(chǔ)罐基礎(chǔ)上對(duì)稱布置，在儲(chǔ)油罐罐壁下部設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，且相鄰觀測(cè)點(diǎn)之間的距離以10～20 m為好，點(diǎn)數(shù)的數(shù)量應(yīng)為4的倍數(shù)，并均勻分布在儲(chǔ)罐基礎(chǔ)周圍。沉降試驗(yàn)的觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置還要符合各安裝施工階段的觀測(cè)要求，統(tǒng)籌考慮到防腐及形象標(biāo)識(shí)裝飾階段的施工影響或掩蓋沉降試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)情況的發(fā)生，防止產(chǎn)生不能連續(xù)觀測(cè)而導(dǎo)致觀測(cè)失效的情況。此外，可在沉降試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)的上方設(shè)置一定保護(hù)設(shè)施或裝置，以避免觀測(cè)點(diǎn)發(fā)生破壞從而得不到準(zhǔn)確的沉降觀測(cè)結(jié)果。

2.2 觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法

充水沉降試驗(yàn)觀測(cè)一般按照國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求規(guī)范組織實(shí)施。對(duì)于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)而言其整體傾斜沉降的允許最大值根據(jù)文獻(xiàn)[4]規(guī)定，拱頂儲(chǔ)罐為不超過其儲(chǔ)罐直徑的0.8%，固定頂儲(chǔ)罐為不超過其直徑的0.4%。對(duì)于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)而言，其不均勻沉降的最大允許值按照文獻(xiàn)[4]規(guī)定，其中浮頂儲(chǔ)罐不超過沿罐壁圓周兩點(diǎn)弧長(zhǎng)的0.25%，固定頂儲(chǔ)罐為不超過沿罐壁圓周兩點(diǎn)弧長(zhǎng)的0.4%。

儲(chǔ)罐在施工完成經(jīng)無(wú)損檢測(cè)且質(zhì)量合格后要進(jìn)行充水沉降試驗(yàn)。在充水沉降試驗(yàn)前，應(yīng)用水平儀測(cè)量?jī)?chǔ)罐基礎(chǔ)圓周圍外突出的鋼筋頭觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際標(biāo)高，充水靜置規(guī)定時(shí)間后再次測(cè)量，將幾次的觀測(cè)記錄進(jìn)行對(duì)比后方可得出充水試驗(yàn)的沉降量。儲(chǔ)罐投用后，可找建設(shè)方或項(xiàng)目部索要沉降試驗(yàn)測(cè)量記錄，用最后一次的觀測(cè)記錄與現(xiàn)在的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出實(shí)際的沉降量。

如果設(shè)計(jì)文件沒有具體要求時(shí)，可參照如下進(jìn)行觀測(cè)：

(1)新建罐充水前，每座油罐均應(yīng)按照要求進(jìn)行觀測(cè)。

(2)對(duì)于堅(jiān)實(shí)的地基基礎(chǔ)，如預(yù)測(cè)沉降量較小時(shí)，首座儲(chǔ)罐可以較快的速度充水至儲(chǔ)罐高度的1/2后進(jìn)行觀測(cè)，并與充水前記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，計(jì)算出真實(shí)的不均勻沉降數(shù)值；當(dāng)沉降量沒有超過允許最大標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以繼續(xù)充水至儲(chǔ)罐高度的3/4后進(jìn)行觀測(cè)，如還沒有超過允許的最大不均勻沉降量，可繼續(xù)充水到最高液面并保持48 h后進(jìn)行觀測(cè)；當(dāng)不均勻沉降量沒有明顯變化即可排水；數(shù)值有明顯變化則繼續(xù)保持最高液面，并每天進(jìn)行定期觀測(cè)，直至數(shù)值穩(wěn)定。

如首座儲(chǔ)罐沉降量符合規(guī)定要求且其它儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)建造和施工工藝與首座一致時(shí)，對(duì)其它儲(chǔ)罐的充水試驗(yàn)可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)簡(jiǎn)化1/2和3/4液面高度的充水和觀測(cè)步驟。

(3)對(duì)于軟性地基基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)沉降量可能大于300 mm或有發(fā)生滑移現(xiàn)象可能性時(shí)，應(yīng)以0.6 m/d的速度充水，當(dāng)液面高度達(dá)到3 m時(shí)，應(yīng)停止充水，并每天定期觀測(cè)數(shù)值的變化情況，根據(jù)數(shù)值變化繪制沉降曲線作為參考和留存；當(dāng)沉降數(shù)值減少時(shí)，可持續(xù)充水，但應(yīng)減少每天的充水高度，以保證載荷增加后每日沉降數(shù)值仍保持在降低趨勢(shì)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的液面接近最高液位時(shí)，應(yīng)每天早晨先做一次觀測(cè)后再開始充水試驗(yàn)，并在當(dāng)晚再做一次沉降觀測(cè)。如發(fā)現(xiàn)數(shù)值增加，立即放掉當(dāng)天充水量，并按照較小的日充水量重新實(shí)施上述試驗(yàn)，直到數(shù)值無(wú)明顯變化為止。

2.3 試驗(yàn)過程

儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)充水沉降試驗(yàn)設(shè)置專人進(jìn)行定期觀測(cè)。儲(chǔ)罐充水開始后，每天觀測(cè)不少于2次并認(rèn)真做好觀測(cè)記錄，充水沉降試驗(yàn)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)包括：儲(chǔ)罐基礎(chǔ)完工后、儲(chǔ)罐充水前、儲(chǔ)罐充水過程中、儲(chǔ)罐分3次注滿水后以及儲(chǔ)罐放水后的全過程。儲(chǔ)罐沉降觀測(cè)宜采用精密的水準(zhǔn)儀、鋼尺或精密的工程水準(zhǔn)儀(帶有復(fù)合不準(zhǔn)器)和刻度精準(zhǔn)的水準(zhǔn)尺等進(jìn)行。

對(duì)于堅(jiān)實(shí)地基基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)可能發(fā)生的沉降量很小時(shí)，充水試驗(yàn)可一次充水到1/2儲(chǔ)罐高度進(jìn)行沉降觀測(cè)。如儲(chǔ)罐不均勻沉降量小于5 mm/d，則可繼續(xù)充水至儲(chǔ)罐高度的3/4。如不均勻沉降量仍小于5 mm/d的允許值時(shí)，則可繼續(xù)充水到最高水位(儲(chǔ)罐安全高度)，待注滿水并保持48 h后繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，儲(chǔ)罐沉降量沒有明顯變化后即可逐步放水。當(dāng)儲(chǔ)罐沉降量有明顯變化時(shí)，則應(yīng)保持液面高度不變，并每天進(jìn)行定期觀測(cè)，直到沉降量穩(wěn)定。在儲(chǔ)罐沉降充水觀測(cè)試驗(yàn)的全過程中，如發(fā)現(xiàn)罐基礎(chǔ)異常等情況，應(yīng)立即停止充水，待采取有效措施處理后方可繼續(xù)進(jìn)行充水試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

某大型油庫(kù)建設(shè)在西北沙漠地區(qū)，規(guī)劃建設(shè)12座內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐充水試驗(yàn)選取其中第D-01-050號(hào)儲(chǔ)罐，該儲(chǔ)罐容積為5 000 m3，規(guī)格型號(hào)為Φ20 000 mm，存儲(chǔ)介質(zhì)為柴油，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)記錄見表2?！妒突や搩?chǔ)罐地基與基礎(chǔ)施工及驗(yàn)收規(guī)范》(SH/T 3528—2005)中7.4.3任意直徑方向的沉降差允許值見表3。

表2 油庫(kù)新建項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐基礎(chǔ)沉降觀測(cè)記錄

表3 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降差允許值 mm

從表2可以看出，D-01-050儲(chǔ)罐在1～8測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的最終沉降量分別為9，11，11，12，12，10，9，8 mm，其中2～5測(cè)量點(diǎn)的沉降差較大。根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算，D-01-050儲(chǔ)罐在任意直徑方向沉降差允許值為不大于140 mm。因此，D-01-050儲(chǔ)罐滿足石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)施工標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)沉降指標(biāo)的要求。

2.5 處理措施及建議

(1)沉降量的觀測(cè)包括基礎(chǔ)完工后、儲(chǔ)罐充水前、充水過程中、充滿水后、放水過程中、放水后的全過程，且由專人進(jìn)行詳細(xì)記錄。

(2)當(dāng)沉降量有明顯變化，則應(yīng)保持最高操作液位，每天進(jìn)行定期觀測(cè)，直至沉降穩(wěn)定為止。

(3)沉降觀測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)有不均勻沉降或均勻沉降時(shí)，應(yīng)停止充、放水操作，并進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)救。根據(jù)實(shí)際情況，可參考以下補(bǔ)救措施：①均勻沉降時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整其它建筑物標(biāo)高。工藝管線、罐區(qū)地面及其它涉及影響的建筑單元，根據(jù)具體沉降量調(diào)整相應(yīng)標(biāo)高；②不均勻沉降時(shí)，根據(jù)儲(chǔ)罐沉降觀察數(shù)據(jù)，在沉降變化嚴(yán)重一側(cè)，采取增加樁基的措施補(bǔ)強(qiáng)加固，以提高儲(chǔ)罐基礎(chǔ)承載力；③非均勻沉降時(shí)，可將儲(chǔ)罐采用機(jī)械平移技術(shù)，移至相鄰基礎(chǔ)上，根據(jù)儲(chǔ)罐沉降觀察數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘探報(bào)告，對(duì)基礎(chǔ)松軟土層新增樁基數(shù)量，提高儲(chǔ)罐基礎(chǔ)承載力。

3 結(jié)束語(yǔ)

在較松軟的地質(zhì)基礎(chǔ)上建造大型儲(chǔ)罐時(shí)，因?yàn)榈鼗临|(zhì)強(qiáng)度較低而儲(chǔ)罐外荷載較大，往往容易出現(xiàn)較大的基礎(chǔ)沉降和不均勻沉降，因此需要綜合考慮多種因素并結(jié)合已有的案例，合理選擇相應(yīng)的地基處理方式。一般情況下，儲(chǔ)罐在投產(chǎn)前要采用充水預(yù)壓進(jìn)行加固，這樣可使各種沉降在短期內(nèi)得以完成或大部分完成。提前做好儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)沉降相關(guān)工作，并布置埋設(shè)好沉降基準(zhǔn)點(diǎn)和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照相關(guān)規(guī)范要求定期開展沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)工作，做好數(shù)據(jù)的分析處理，防患于未然，如發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)采取有效手段立即妥善處理。此外，由于沉降是一個(gè)緩慢變化的過程，所以沉降量是某年某某日至某年某某日這一段時(shí)間以來(lái)的下沉量。對(duì)于已投入使用的油罐，在使用過程中如發(fā)生沉降，就需要查找到上次測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)比現(xiàn)在的測(cè)量數(shù)據(jù)才能確定下沉。測(cè)量的方法就是找個(gè)短時(shí)間不會(huì)變動(dòng)的觀測(cè)基準(zhǔn)，然后測(cè)量?jī)?chǔ)罐各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降量。