劉喜傳

（中國海洋石油總公司）

0 引言

渤海灣冬季溫度低，海冰厚度超過0.6 m，結(jié)冰期長達一個月以上，為強結(jié)冰海域。由于大型冰塊受到環(huán)境的驅(qū)動沖擊人工島護坡，現(xiàn)有的護坡抗冰結(jié)構(gòu)很難滿足特殊環(huán)境的要求，護岸破壞嚴重，惡劣的情況下會出現(xiàn)崩堤和爬坡，危及油田工程和人身的安全。盡管常用的拋石結(jié)構(gòu)具有很好的抗冰效果，但其用量大，經(jīng)濟性不合理，因此筆者根據(jù)渤海灣的環(huán)境特點提出了一種新型人工島抗冰結(jié)構(gòu)，即傘型塊體。與我國常用的扭工塊體、四腳空心塊、四腳錐體等相比［1－3］，傘型塊體具有如下幾方面的優(yōu)點：①專門為消冰力、斷冰設(shè)計，效果好；②形狀尺寸合理，且連接部位既厚又粗，不易斷裂，相鄰塊體之間彼此嵌固，護面穩(wěn)定性好；③這種新型塊體只放一層，混凝土用量少。在冰力沖擊相同的情況下，它與扭工塊體護面相比，其混凝土量可節(jié)省40%，經(jīng)濟性好。本文主要介紹這種新型抗冰塊體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計與試驗安裝。

1 新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 塊體參數(shù)的確定

圖1為新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)塊體參數(shù)計算圖。根據(jù)設(shè)計的基本原理，人工島護坡塊體參數(shù)可按公式（1）進行計算

式（1）中：h為人工島護坡的總高度；h（1）～h（n）為護坡分成n段后每段的高度，其值大小與坡角α和傾角b有關(guān)；坡角α根據(jù)文獻［3］進行選?。粌A角b根據(jù)水位深度的不同選取。

圖1 新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)塊體參數(shù)計算圖

圖2為新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)塊體三維效果圖和結(jié)構(gòu)示意圖。H為工作面上的邊，直接接觸冰塊，也是重要的一條邊，取值正確與否直接影響護面整體形狀和抗冰效果。參考國內(nèi)外同類型異性塊體設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)試驗得到一般情況下水深、塊體傾角b和工作面邊長H的關(guān)系：水深在15～20 m時，b取值為2～4°，H在2 m左右；水深在10～15 m時，b取值為4～7°，H 在1.5～2 m；水深在5～10 m時，b取值為7～10°，H 在1～1.5 m；水深在5 m以下時，b取值為10～11°，最大不超過12°，H 在1 m左右。以上取值僅為參考值，H值大小需要根據(jù)新型塊體具體的長寬不同而變化，應(yīng)根據(jù)具體情況進行具體分析。

圖2 新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)塊體三維效果圖和結(jié)構(gòu)示意圖

新型抗冰結(jié)構(gòu)塊體的邊分上下兩邊，兩邊不在同一水平面上；兩邊中間有一直通孔，l為新型塊體互相連接的邊，此邊長應(yīng)根據(jù)計算和經(jīng)驗得出，一般取2/5 H；R為新型塊體的工作面上的長邊，此邊一般情況下取值為1.5 H。

新型抗冰結(jié)構(gòu)塊體的體積V分別為

1.2 塊體結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計

基于砂石人工島的結(jié)構(gòu)和直立式防波堤結(jié)構(gòu)，新型抗冰結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)計為傘型，整個人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)由n個新型塊體組成，護面有坡角α和傾角b兩個角度參數(shù)。由于新型抗冰結(jié)構(gòu)塊體上下兩邊有b的角度差，如果有n塊新型塊體互相這樣連接，則最底部的塊體的邊與最頂部的塊體的邊之間的傾角為nb。我們將新型抗冰結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)計為傘型，其目的是使nb最大為90°，根據(jù)設(shè)計需要可適當放大5°，這樣可使冰板在護面上不斷上爬和斷裂，并不斷墜入海中，從而使得冰塊不能上爬到地面工作區(qū)，保護了工作人員的安全。

1.3 抗冰過程模擬

圖3為新型拉冰結(jié)構(gòu)的抗冰過程模擬圖?？贡^程共分6步：其中圖3a、b為護面結(jié)構(gòu)抗冰初接觸的過程，圖3c、d為護面結(jié)構(gòu)抗冰爬坡接觸和冰塊斷裂的過程，圖3e、f為護面結(jié)構(gòu)抗冰傾覆接觸的過程。在圖3a、b的模擬過程中，冰塊剛接觸結(jié)構(gòu)，由于坡角α和環(huán)境驅(qū)動力的關(guān)系，冰板在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生爬坡；在圖3c、d的模擬過程中，冰板已經(jīng)上爬到了一定高度，由于新型塊體上下邊之間有角度差以及坡角α的關(guān)系，冰塊發(fā)生斷裂，在后繼冰的推動下，斷裂后的冰塊繼續(xù)上爬；在圖3e、f的模擬過程中，斷裂后的冰塊繼續(xù)上爬，此時作用于斷裂冰塊上的力有其自身的重力、接觸結(jié)構(gòu)的摩擦力以及后繼冰的驅(qū)動力，如果坡角α以及傾角b的值設(shè)計合理，冰板上爬到一定程度的時候，斷裂冰塊自身的重量和摩擦力的合力大于后繼冰的驅(qū)動力，大的冰塊發(fā)生傾覆墜入海底，達到了保護人工島的作用。

圖3 新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)抗冰過程摸擬

1.4 受力對比分析

圖4為新型人工島護坡與現(xiàn)有的砂石人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)受力對比圖。圖4中，新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)塊體的受力只存在于點A、B，冰塊與護面的接觸面積小，摩擦力分別為fA和fB，且fA和fB的方向不在同一條直線上，摩擦力小；而砂石人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)中，冰塊與護面塊體接觸面為整個接觸面積，接觸面積大，摩擦力大，且冰塊易進入生活和工作區(qū)域?？梢?，新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)在抗冰受力和斷裂冰塊上優(yōu)于現(xiàn)有的砂石人工島護面結(jié)構(gòu)。

圖4 新型人工島護坡與現(xiàn)有的砂石人工島護坡抗冰受力對比圖

2 安裝工藝與應(yīng)用效果

2.1 安裝工藝

傘型塊體預(yù)制質(zhì)量很大程度上取決于模板工藝，其模板一般設(shè)計為單層定型鋼模，分上下兩塊，上下連接縫內(nèi)夾1 cm的橡膠條，防止漏漿。

傘型塊體安裝工藝一般分為陸上安裝和水上安裝2種，可根據(jù)現(xiàn)場施工條件（主要是海況）選擇施工設(shè)備。對于水上安裝傘型塊體，首先要根據(jù)單個塊體的重量及傘型塊體護岸的最大水平距離合理選用施工機械（工程中一般長邊為6.3 m的塊體安裝選用1500 k N履帶吊機，長邊為0.8 m可選用650 k N履帶吊機），同時根據(jù)具體情況合理選用起重船；其次要確定安裝吊機在每區(qū)安裝作業(yè)時的中心坐標，并在現(xiàn)場做好樁號，安裝前應(yīng)模擬安裝。對于陸上安裝傘型塊體，應(yīng)根據(jù)上述選用施工機械的原則合理選用施工設(shè)備，安裝前也應(yīng)模擬安裝。護坡的安裝順序必須從斜面坡腳處的第一排開始，并順著已安裝完的逐步向上推進安裝，而且第一排安放質(zhì)量的好壞對后來的各排安裝塊體的安放質(zhì)量影響很大。根據(jù)工程情況，在渤海灣進行了模型試驗安裝，結(jié)果表明：傘型塊體安放形態(tài)平整時消冰效果好，且安裝方便，因此要求相鄰兩塊傘型塊體安放形態(tài)相同，且相差距離不超過10 cm，盡量讓水面上的塊體的邊和底邊的角度差為45°左右。為達到上述效果，可采用如下幾種措施：①護坡的墊層應(yīng)盡量平整，保證安裝相鄰傘型塊體的嵌固更牢固；②安裝時應(yīng)盡可能使塊體之間粘結(jié)緊密，防止出現(xiàn)過大縫隙。

2.2 應(yīng)用效果

新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)在渤海灣墾東區(qū)塊某工程得到應(yīng)用，經(jīng)過幾年的運行表明，采用這種傘形體結(jié)構(gòu)組成的護坡均達到了很好的預(yù)期效果。

墾東某區(qū)塊面向海及整個進海路2邊人工島護坡共計2.8 km，均采用傘形體新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性良好，抗冰能力效果明顯，斷面尺寸大，減少了外防護，且較大地提高了人工島和進海路的穩(wěn)定性，抗沖刷能力強，護坡多向變形能力強，與常規(guī)的拋石結(jié)構(gòu)比較，降低了工程投資和維護成本，經(jīng)濟性明顯，直接效益300萬元，降低工程投資20%～30%。新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用，對于與渤海灣類似的大港、遼河等環(huán)渤海灘海油田的開發(fā)也具有重要的應(yīng)用價值。

3 結(jié)束語

新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)由單個塊體組成，單個塊體的坡角和傾角值大小直接影響整個護坡結(jié)構(gòu)形狀和抗冰效果，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。新型人工島護坡抗冰結(jié)構(gòu)塊體是基于砂石人工島的結(jié)構(gòu)形式和直立式防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計而成的，模型試驗安裝結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)在抗冰受力和斷裂冰塊上優(yōu)于現(xiàn)有的砂石人工島護坡結(jié)構(gòu)，而且已在墾東區(qū)塊某工程應(yīng)用實踐中得到了證實。建議下一步針對這種新型塊體結(jié)構(gòu)開展抗波浪和海底海流沖刷的研究和分析，以擴大應(yīng)用范圍。

［1］ANGILN C D，SCOTT R D，TURCKE D L.The development of structural design Criterin for Breakwater Armour unite［J］.Seminar Stresses in Concrete Armor Unite，1998，2（12）：11－14.

［2］ XIANZHI S.Study on ice static pressure on ice Cover in reservoir［M］.IAHRICE Symposium（1988）.

［3］ 海洋石油工程專業(yè)標準化技術(shù)委員會.SY/T4097－95灘海斜坡式砂石人工島結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：石油工業(yè)出版社，1996.