江蘇LNG項(xiàng)目接收站配套碼頭及棧橋樁基沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)

王麗，莫秋榮

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

江蘇LNG項(xiàng)目接收站配套碼頭及棧橋樁基沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)

王麗，莫秋榮

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

江蘇 LNG 配套碼頭及棧橋項(xiàng)目碼頭墩臺(tái)及棧橋墩所處區(qū)域自然條件十分復(fù)雜，沖淤變化明顯，通過試驗(yàn)研究，確定防護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)施時(shí)機(jī)為中期防護(hù)，防護(hù)材料采用級(jí)配碎石反濾層與塊石護(hù)面層相結(jié)合，防護(hù)范圍為各墩臺(tái)周圍 40m范圍內(nèi)。采用合理的防護(hù)施工方案，可以減少樁基施工難度，保證施工工期。

輻射沙洲；沖刷防護(hù)；碼頭；樁基

1 工程概況

江蘇LNG配套碼頭及棧橋工程位于如東縣海濱輻射沙洲中的爛沙洋水道西部的深水區(qū)。碼頭由1座工作平臺(tái)、4個(gè)靠船墩、6個(gè)系纜墩、1座變配電間平臺(tái)以及人行橋組成，碼頭結(jié)構(gòu)為高樁墩臺(tái)式，采用鋼管樁基礎(chǔ)及現(xiàn)澆鋼筋混凝土承臺(tái)結(jié)構(gòu)，碼頭全長 430m。棧橋全長 1 970m，補(bǔ)償器墩的間距為 196.8m，在補(bǔ)償器墩之間布置 1 個(gè)固定墩，橋全長共布置 10個(gè)補(bǔ)償器墩，9個(gè)固定墩，棧橋墩結(jié)構(gòu)為高樁墩臺(tái)式，采用鋼管樁基礎(chǔ)及現(xiàn)澆鋼筋混凝土墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 工程效果圖Fig.1 Engineering draw ing

江蘇LNG配套碼頭及棧橋項(xiàng)目碼頭墩臺(tái)及棧橋墩所處區(qū)域自然條件十分復(fù)雜，在輻射沙洲海域建設(shè)LNG碼頭與棧橋尚屬國內(nèi)首創(chuàng)，其顯著特點(diǎn)為水深，浪大，流急，工程所在區(qū)域沖淤變化明顯，且沖刷是一項(xiàng)長期漸進(jìn)的過程。

2 樁基沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)施時(shí)機(jī)

根據(jù)前期研究結(jié)果，工程實(shí)施后碼頭及棧橋所在區(qū)域的沖刷是不可避免的，且沖刷尺度較大，必須進(jìn)行防護(hù)[1-2]。同時(shí)，合理選擇防護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)施時(shí)機(jī)對于本工程也是十分重要的。為了保證碼頭及棧橋結(jié)構(gòu)的安全，可選擇先期防護(hù)方案，即在樁基施打前，先進(jìn)行防護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，再進(jìn)行墩臺(tái)混凝土的澆筑。也可選擇中期防護(hù)方案，即在樁基施打后，待沖刷到一定深度和范圍時(shí)再進(jìn)行防護(hù)。設(shè)計(jì)對以上兩種防護(hù)實(shí)施時(shí)機(jī)進(jìn)行了比選。

方案一，先期防護(hù)方案。先期防護(hù)方案是以往工程項(xiàng)目應(yīng)對地基沖刷問題通常采用的防護(hù)辦法。但在輻射沙洲實(shí)施先期防護(hù)方案，則易破壞工程區(qū)域泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，易造成防沖護(hù)底周圍的淘刷，且為樁基施工增加了一定難度，碼頭及棧橋主體結(jié)構(gòu)的施工工期受到影響。

方案二，中期防護(hù)方案。為保證工期，在樁基施打后，進(jìn)行墩臺(tái)混凝土澆筑。工程施工過程中或完成后定期觀測碼頭及棧橋墩臺(tái)區(qū)域的沖刷情況，待其沖刷到一定深度和范圍時(shí)（接近設(shè)計(jì)預(yù)留沖刷深度），再進(jìn)行針對性的防護(hù)，這樣可以將防護(hù)結(jié)構(gòu)做到原泥面以下，不影響流場的變化，其缺點(diǎn)是護(hù)底拋填施工受先期施工的樁基影響，施工條件較差。

經(jīng)分析研究和物理模型試驗(yàn)論證，確定采用中期防護(hù)方案。防護(hù)工程實(shí)施前碼頭及棧橋的基樁分別按預(yù)留 8.0m 和 5.0m 的沖刷深度設(shè)計(jì)。由于補(bǔ)償器墩臺(tái)平面尺度較大，為降低防護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)施難度，在補(bǔ)償器墩臺(tái)的中部（補(bǔ)償器π彎中間位置）設(shè)置了方孔，同時(shí)也節(jié)省了混凝土用量。

2.2 碼頭及棧橋樁基沖刷形態(tài)

由于碼頭及棧橋墩臺(tái)的建設(shè)，群樁基礎(chǔ)改變了橋墩附近的水流流態(tài)，群樁的阻力引起水流下切和繞流淘刷，在其周圍產(chǎn)生劇烈的床面沖刷，工程自施工1 a多后，樁基附近出現(xiàn)了較大范圍和 深 度 的 沖 坑[3-4]， 3 種 沖 刷 形 式 為 ： 碼 頭區(qū) 域和4號(hào)補(bǔ)償器墩以北的棧橋區(qū)域以落潮流沖刷為主，4號(hào)補(bǔ)償器墩、4號(hào)固定墩和5號(hào)補(bǔ)償器墩為漲落潮沖刷平衡區(qū)，5號(hào)補(bǔ)償器墩以南的棧橋區(qū)域?yàn)闈q潮流沖刷為主。圖2和圖3為碼頭工作平臺(tái)及棧橋 2 號(hào)固定墩樁基區(qū)域自 2007-12—2010-07的典型的水深變化。

圖2 工作平臺(tái) 2007-12—2010-07 水深變化Fig.2 Variation ofwater depth of the p latform from December 2007 to July 2010

圖3 2 號(hào)固定墩 2007-12—2010-07 水深變化Fig.3 Variation ofwater depth of No.2 fixed pier from December 2007 to July 2010

由 2010 年 7 月碼頭及棧橋區(qū)域的測圖可知，碼頭樁基區(qū)域有個(gè)別點(diǎn)泥面高程已達(dá)到-22.9m，棧橋樁基區(qū)域有個(gè)別點(diǎn)泥面高程已達(dá)到-23.2m，從整體上分析本工程區(qū)域仍處于沖淤變化過渡期，部分區(qū)域存在進(jìn)一步?jīng)_刷的可能，需進(jìn)行防護(hù)施工。

2.3 相關(guān)模型試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的防護(hù)方案，對防護(hù)工程實(shí)施后的狀 況 進(jìn) 行 模 型 試 驗(yàn) 研 究[1]， 研 究 表 明 ： 潮 流 是LNG 碼頭及棧橋樁基沖刷的控制性因素；目前各墩柱樁基的沖刷尚未達(dá)到平衡狀態(tài)。LNG 碼頭工作平臺(tái)樁群對落潮流的挑流效應(yīng)是碼頭東北側(cè)出現(xiàn)局部沖刷槽的直接原因。樁基局部沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)樁基的有效防護(hù)且不會(huì)引起新的沖刷；實(shí)施LNG碼頭東北側(cè)沖刷槽的拋填防護(hù)不影響工程海域?yàn)┎鄹窬郑雷o(hù)設(shè)計(jì)方案是可行、有效的。

試驗(yàn)過程中還分別考慮了周期性潮流環(huán)境下的局部沖刷和強(qiáng)流、大浪等極端動(dòng)力條件下的沖刷兩種情形。主要試驗(yàn)結(jié)論：

1） LNG 碼頭和棧橋樁基防護(hù)設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)樁基的有效防護(hù)，并不會(huì)由于防護(hù)工程實(shí)施而引起新的沖刷。為保證防護(hù)工程自身穩(wěn)定，防護(hù)區(qū)護(hù)面塊石的重量應(yīng)不小于 40～50 kg。

2） LNG 碼頭東北側(cè)沖刷槽防護(hù)工程實(shí)施后，沖刷槽的東、西及北側(cè)均有一定擴(kuò)展，擴(kuò)展的最大范圍在防護(hù)區(qū)外緣 75m以內(nèi)，引起防護(hù)區(qū)外緣新的沖刷十分有限。該防護(hù)工程不影響工程海域?yàn)┎鄹窬帧?/p>

2.4 防護(hù)材料及防護(hù)范圍

防護(hù)結(jié)構(gòu)分為兩大部分，一部分為沖刷坑內(nèi)回填料兼反濾層，另一部分為護(hù)面層。回填料采用級(jí)配碎石，考慮到?jīng)_刷坑的深度深淺不一而較大沖刷深度的范圍較小，加之施工回填的不均勻性，故將回填料與反濾層合二為一，采用級(jí)配良好的碎石，厚度不小于 1m。表層采用 2 層 80~ 100 kg 塊石作為護(hù)面結(jié)構(gòu)，厚度不小于 0.8m。

對于碼頭前沿10m以外的沖刷區(qū)域，為節(jié)省投資，可將級(jí)配碎石保證在 1.0m 厚度以上其余部分采用 80~100 kg塊石拋填到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

原設(shè)計(jì)回填料采用袋裝砂，主要是考慮它的抗沖整體性較好，但在實(shí)際施工中袋裝砂護(hù)底方案投入的船機(jī)設(shè)備較多，尤其是在工程附近區(qū)域進(jìn)行袋裝砂裝船時(shí)需要的自卸車、吊車多，而且和其他設(shè)備交叉作業(yè)互相干擾，施工過程中不安全因素多，開體駁需長期在現(xiàn)場作業(yè)，且需趁潮運(yùn)輸。若將袋裝砂變更為直接散拋級(jí)配碎石，可采用皮帶機(jī)船直接靠在定位駁上打碎石，打完一船后即離開現(xiàn)場，安全隱患較少。另外，從工期上考慮，采用袋裝砂因投入的船機(jī)設(shè)備較多，現(xiàn)場裝船的場地有限，不能進(jìn)行大規(guī)模施工。而采用散拋級(jí)配碎石皮帶機(jī)船可隨時(shí)組織進(jìn)場，不受場地的限制，時(shí)間上有保證。因此從施工安全、工期、成本等各方面綜合分析，最終將回填料由袋裝砂變更為級(jí)配碎石。級(jí)配石料的粒徑組成為粒徑 1~20 cm，其中粒徑 1~10 cm 和 10~20 cm 各占50%。

對于碼頭和棧橋墩基樁的沖刷情況，碼頭區(qū)域采用連片與個(gè)別處理相結(jié)合的防護(hù)處理方式，且處理后不影響碼頭營運(yùn)的安全；棧橋區(qū)域采用個(gè)別防護(hù)處理的方式，對靠近碼頭沖刷較嚴(yán)重的橋墩實(shí)施防護(hù)，對大部分沖刷較輕的橋墩暫不實(shí)施防護(hù)。防護(hù)范圍為各墩臺(tái)周圍40m范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

本工程設(shè)計(jì)經(jīng)過理論分析和模型試驗(yàn)論證，防護(hù)實(shí)施時(shí)機(jī)采用中期防護(hù)方案，并合理選擇了沖刷防護(hù)措施和防沖護(hù)底的區(qū)域范圍，減小了樁基施工難度，保證了碼頭及棧橋主體結(jié)構(gòu)的施工工期。

經(jīng)過 2010 年，2011 年兩次試拋石和 2012 年第三次防沖護(hù)底拋石的施工，從 2012 年 11 月定期測量的成果顯示，由于拋石護(hù)底的作用，防護(hù)范圍內(nèi)的沖刷已得到了有效控制。由于本工程區(qū)域尚處于沖刷過渡期，風(fēng)險(xiǎn)依然存在。

在輻射沙洲海域建設(shè)碼頭在國內(nèi)尚屬首次，碼頭及棧橋墩區(qū)域產(chǎn)生沖刷的影響因素也較為復(fù)雜。防護(hù)工程實(shí)施后，需在碼頭長期的運(yùn)營過程中對基礎(chǔ)沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍海床定期監(jiān)測，出現(xiàn)問題及時(shí)維護(hù)。

[1] 江蘇 LNG 接收站配套碼頭及棧橋樁基沖刷與防護(hù)物理模型試驗(yàn)研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2011. Physicalmodel teston anti-scour protection of pile foundation of wharfand trestle bridgeassociated with Jiangsu LNG receiving station[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2011.

[2] 韓西軍，楊樹森，曹祖德.江蘇 LNG 項(xiàng)目橋墩周圍沖刷的試驗(yàn)研究[J].水道港口，2006，27（3）：152-157. HAN Xi-jun，YANG Shu-sen，CAO Zu-de.Test on scouring around the pier for Jiangsu LNG project[J].Journal of Waterway and Harbour，2006，27（3）：152-157.

[3] 高正榮，黃建維，盧中一.長江河口跨江大橋橋墩局部沖刷及防護(hù)研究[M].北京：海洋出版社，2005. GAO Zheng-rong，HUANG Jian-wei，LU Zhong-yi.Local scour and protection of river-crosing bridge piers at the Yangtze river estuary[M].Beijing：Maritime Press，2005.

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Anti-scour protection of pile foundation of wharf and trestle bridge associated w ith Jiangsu LNG receiving station

WANG Li,MOQiu-rong
（CCCCFirstHarbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

The piersand abutments of Jiangsu LNG receiving station wharf and trestle project are located in an area with very complicated natural conditions,and the change of scour-and-fill in the area is obvious.Based on experimental study,we confirmed that the anti-scour protection should be implemented in themedium-term,the graded gravel inverted filter should be combined with armor block layer to form the protectivematerial,and the pile foundation should be protected in the extent of 40 m far from the piers.Using a reasonable protection construction scheme can reduce the difficulty of pile foundation construction and ensure the construction period.

radial sandbank;anti-scour protection;wharf;pile foundation

U656.113；U656.116

A

2095-7874（2014）08-0027-03

10.7640/zggw js201408007

2014-03-17

2014-07-10

王麗 （1982 — ），女，天津市人，工程師，港口航道與海岸工程專業(yè)。E-mail：wangli@fdine.net