馬肇援

勝利油田基建處

透空式箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)海路研究

馬肇援

勝利油田基建處

勝利青東5產(chǎn)能建設(shè)工程位于萊州灣西近岸海域，屬于典型的灘海油田。首先修建長(zhǎng)6.2 km的實(shí)體式進(jìn)海路，再通過修建長(zhǎng)度為2.3 km的透空式進(jìn)海路將實(shí)體式進(jìn)海路與人工島相連接，以達(dá)到海油陸采目的。將長(zhǎng)2.3 km的透空進(jìn)海路按透空率分三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以便設(shè)計(jì)確定經(jīng)濟(jì)合理的透空率，工況一透空率為76%，工況二透空率為50%，工況三透空率為0。通過數(shù)值模擬研究得出透空段的透空率越小，侵蝕坑范圍越大，侵蝕中心深度越大，且侵蝕中心距離人工島越近。該工程結(jié)構(gòu)主體為預(yù)制結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)單快捷，施工周期短，質(zhì)量易保證，與常規(guī)透空式棧橋結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約投資達(dá)30%以上。

透空式進(jìn)海路；箱涵結(jié)構(gòu)；透空率；物理模型試驗(yàn)；波壓力

勝利青東5產(chǎn)能建設(shè)工程位于萊州灣西近岸海域，屬于典型的灘海油田。該工程主要是為了產(chǎn)能開發(fā)需要修建一座人工島，用于布置油水井和相關(guān)工藝設(shè)施；通過修建總長(zhǎng)8.5 km的進(jìn)海路與已建的防潮大堤連接，進(jìn)海路基本為東西走向，以防潮大堤作為進(jìn)海路起點(diǎn)。首先修建長(zhǎng)6.2 km的實(shí)體式進(jìn)海路，再通過修建長(zhǎng)度為2.3 km的透空式進(jìn)海路將實(shí)體式進(jìn)海路與人工島相連接，以達(dá)到海油陸采目的。通過對(duì)透空式箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)海路開展相關(guān)研究，得到了該結(jié)構(gòu)在理論上的可行性，獲得的成果直接用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)組成

在平整好的天然地基或拋石基床上放置預(yù)制好的鋼筋砼箱涵，箱涵上部依據(jù)使用條件形成混凝土路面及管纜溝等，根據(jù)地基具體情況確定是否采用地基處理措施。鋼筋砼箱涵可由1節(jié)或多節(jié)組成，箱涵斷面尺寸根據(jù)工程實(shí)際情況確定。本研究所依托的進(jìn)海路工程每個(gè)斷面由3節(jié)箱涵拼裝而成，單節(jié)長(zhǎng)度為3.0 m，箱涵凈空尺寸為2 m×2 m，單塊重量為20.7 t，具體見圖1、圖2。

圖1 箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)海路橫斷面圖

圖2 箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)海路縱斷面圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算

勝利青東5區(qū)塊進(jìn)海路工程修建后，將會(huì)對(duì)周圍海域的水動(dòng)力、波浪、泥沙沖淤變化等產(chǎn)生影響，故開展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究。采用國際上比較成熟的數(shù)值計(jì)算與分析軟件MIKE21，將長(zhǎng)2.3 km的透空進(jìn)海路按透空率分三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以便設(shè)計(jì)、確定經(jīng)濟(jì)合理的透空率，工況一透空率為76%，工況二透空率為50%，工況三透空率為0（即實(shí)體式進(jìn)海路）。通過數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：

（1）工況一：透空率76%。工程后，距工程4 km以外的海域潮流動(dòng)力場(chǎng)基本不變，而對(duì)鄰近工程的海區(qū)流場(chǎng)影響較大，進(jìn)海路和人工島的修建導(dǎo)致局部流場(chǎng)發(fā)生改變：人工島西北側(cè)、東北側(cè)、東側(cè)流速增加25%～40%左右；人工島東南、西南側(cè)流速減小8%～25%左右；進(jìn)海路兩側(cè)流速稍微變小0～4%左右。工程后，人工島堤頭局部范圍內(nèi)沖刷。達(dá)到新的沖淤平衡狀態(tài)后，人工島附近東北側(cè)形成沖刷坑，侵蝕深度為1.2 m的沖刷坑近似呈橢圓形，長(zhǎng)軸3 120 m，WNW—ESE向，短軸長(zhǎng)約950 m。沖刷坑中心距人工島300 m左右，沖刷中心侵蝕深度為2.7 m，向人工島方向一側(cè)侵蝕深度梯度大，距人工島80 m處侵蝕深度達(dá)2.2 m。進(jìn)海路兩側(cè)的平均流速略微變小，泥沙在進(jìn)海路附近區(qū)域內(nèi)沉積，淤積0～0.4 m。

（2）工況二：透空率50%。工程后，距工程4.2 km以外的海域潮流動(dòng)力場(chǎng)基本不變，而對(duì)鄰近工程的海區(qū)流場(chǎng)影響較大：人工島西北側(cè)、東北側(cè)、東側(cè)流速增加30%～50%左右；人工島東南、西南側(cè)流速減小10%～29%左右；進(jìn)海路兩側(cè)平均流速稍微變小0～5%左右。工程后，達(dá)到新的沖淤平衡狀態(tài)時(shí)，人工島附近東北側(cè)形成沖刷坑，侵蝕深度為1.2 m的沖刷坑近似呈橢圓形，長(zhǎng)軸3 190 m，WNW—ESE向，短軸長(zhǎng)約960 m。沖刷坑中心距人工島190m左右，沖刷中心侵蝕深度為3m，向人工島方向一側(cè)侵蝕深度梯度大，距人工島40m處侵蝕深度達(dá)2.2 m。人工島南側(cè)淤積，淤積幅度為0.4～1.2 m。進(jìn)海路南側(cè)淤積0～0.4 m；進(jìn)海路北側(cè)離堤頭較遠(yuǎn)的區(qū)域淤積0～0.4 m?？拷斯u的進(jìn)海路北側(cè)侵蝕0～1.6 m，越靠近堤頭侵蝕深度越大。

（3）工況三：透空率0。工程后，距工程7.5 km以外的海域潮流動(dòng)力場(chǎng)基本不變，而對(duì)鄰近工程的海區(qū)流場(chǎng)影響較大：人工島西北側(cè)、東北側(cè)、東側(cè)流速增加30%～55%左右；人工島東南、西南側(cè)流速減小10%～31%左右；進(jìn)海路兩側(cè)平均流速稍微變小0～5%左右。工程后，在達(dá)到新的沖淤平衡狀態(tài)時(shí)，人工島附近東北側(cè)形成沖刷坑，侵蝕深度為1.2 m的沖刷坑近似呈橢圓形，長(zhǎng)軸3 400 m，WNW—ESE向，短軸長(zhǎng)約1 000 m。沖刷坑中心距人工島80 m左右，沖刷中心侵蝕深度為3.8 m，向人工島方向一側(cè)侵蝕深度梯度大，距人工島40 m處侵蝕深度達(dá)3.4 m。人工島南側(cè)淤積，淤積幅度為0.4～1.2m。進(jìn)海路南側(cè)淤積0～0.4m；進(jìn)海路北側(cè)離堤頭較遠(yuǎn)的區(qū)域淤積0～0.4 m?？拷斯u的進(jìn)海路北側(cè)侵蝕0.4～2 m，越靠近堤頭侵蝕深度越大。

（4）透空率對(duì)沖淤的影響。透空段的透空率越小，侵蝕坑范圍越大，侵蝕中心深度越大，且侵蝕中心距離人工島越近。

3 物理模型試驗(yàn)

由于該進(jìn)海路為漫水路形式，其結(jié)構(gòu)各部位所受波浪力難以通過理論計(jì)算確定，從而也無法通過理論分析計(jì)算來確定斷面的穩(wěn)定性，因此需要采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。物理模型試驗(yàn)在河海大學(xué)航道實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽中進(jìn)行，試驗(yàn)水位自設(shè)計(jì)低水位至極端高水位范圍內(nèi)分為8級(jí)，分別為-0.94、0、0.95、1.73、2.1、2.5、3.0和3.55 m；波高采用極限破碎波高，為水深的60%，波周期為8 s。試驗(yàn)結(jié)果為：在平均高水位0.95 m及以上水位情況下，箱涵以上部位的管溝、電纜溝出現(xiàn)滑移失穩(wěn)，厚度為40 m的混凝土路面浮動(dòng)，其余部位在各級(jí)水位和波浪組合作用下均保持穩(wěn)定。為此，對(duì)原斷面箱涵上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改調(diào)整，堤頂混凝土路面厚度由40 cm改為50 cm；管溝、電纜溝外側(cè)各增加一個(gè)0.5 m×0.7 m的方塊，以提高管溝、電纜溝的重量，且與箱涵錨固為一體。修改后的結(jié)構(gòu)斷面重新進(jìn)行各級(jí)水位試驗(yàn)，結(jié)果表明，修改后的斷面在各級(jí)水位和波浪組合作用下均保持穩(wěn)定。

為使設(shè)計(jì)能對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析計(jì)算，在確保斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，用物理模型試驗(yàn)對(duì)修改后的斷面進(jìn)行箱涵內(nèi)部波壓力試驗(yàn)。自迎浪面開始，對(duì)組成斷面的3節(jié)箱涵依次編號(hào)為一、二、三，每節(jié)箱涵的4面各布置2個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器，每個(gè)斷面共布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1～6測(cè)箱涵頂部波壓力，測(cè)點(diǎn)7～12測(cè)箱涵底部波壓力，測(cè)點(diǎn)13～18測(cè)箱涵左側(cè)面波壓力，測(cè)點(diǎn)19～24測(cè)箱涵右側(cè)面波壓力，試驗(yàn)對(duì)各級(jí)水位與波浪組合作用下的箱涵內(nèi)部波壓力進(jìn)行測(cè)定。本文僅列出平均高水位0.95 m、設(shè)計(jì)高水位1.73 m及極端高水位3.55 m所對(duì)應(yīng)的波壓力，見表1。由波壓力的測(cè)量結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）在各級(jí)水位工況下，靠近迎浪面的第一節(jié)箱涵內(nèi)部波壓力值多大于第二、三節(jié)箱涵內(nèi)部波壓力值。

（2）當(dāng)水位在箱涵內(nèi)頂高程附近時(shí)，箱涵內(nèi)產(chǎn)生的波壓力最大，高于或低于箱涵內(nèi)頂高程的水位所產(chǎn)生的波壓力明顯低于箱涵內(nèi)頂高程附近水位所產(chǎn)生的波壓力。

（3）在進(jìn)行透空式箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)部波壓力分析計(jì)算時(shí)，可用箱涵內(nèi)頂高程附近水位對(duì)第一節(jié)箱涵所產(chǎn)生的波壓力來確定。

表1 透空式箱涵內(nèi)部波壓力值kN

4 結(jié)論

通過研究，開發(fā)了一種新型透空式進(jìn)海路——透空式箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)海路，該進(jìn)海路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)本身透水、透浪效果好，對(duì)工程附近的流場(chǎng)、沖淤變化及海洋環(huán)境影響較小。

（2）適應(yīng)水深變化能力較強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)箱涵凈空尺寸可以適應(yīng)水深的變化，對(duì)其整體穩(wěn)定性影響不大，后期維護(hù)工作量小。

（3）主體為預(yù)制結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)單快捷，所需施工周期短，質(zhì)量易保證。

（4）與常規(guī)透空式棧橋結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約投資達(dá)30%以上。

（欄目主持 楊 軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.8.028