透空式箱涵結構進海路研究

馬肇援

勝利油田基建處

透空式箱涵結構進海路研究

馬肇援

勝利油田基建處

勝利青東5產(chǎn)能建設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6.2 km的實體式進海路，再通過修建長度為2.3 km的透空式進海路將實體式進海路與人工島相連接，以達到海油陸采目的。將長2.3 km的透空進海路按透空率分三種工況進行數(shù)值模擬，以便設計確定經(jīng)濟合理的透空率，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。該工程結構主體為預制結構，施工簡單快捷，施工周期短，質量易保證，與常規(guī)透空式棧橋結構相比，可節(jié)約投資達30%以上。

透空式進海路；箱涵結構；透空率；物理模型試驗；波壓力

勝利青東5產(chǎn)能建設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工藝設施；通過修建總長8.5 km的進海路與已建的防潮大堤連接，進海路基本為東西走向，以防潮大堤作為進海路起點。首先修建長6.2 km的實體式進海路，再通過修建長度為2.3 km的透空式進海路將實體式進海路與人工島相連接，以達到海油陸采目的。通過對透空式箱涵結構進海路開展相關研究，得到了該結構在理論上的可行性，獲得的成果直接用于指導工程設計。

1 結構組成

在平整好的天然地基或拋石基床上放置預制好的鋼筋砼箱涵，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)工程實際情況確定。本研究所依托的進海路工程每個斷面由3節(jié)箱涵拼裝而成，單節(jié)長度為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 箱涵結構進海路橫斷面圖

圖2 箱涵結構進海路縱斷面圖

2 數(shù)值模擬計算

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

（1）工況一：透空率76%。工程后，距工程4 km以外的海域潮流動力場基本不變，而對鄰近工程的海區(qū)流場影響較大，進海路和人工島的修建導致局部流場發(fā)生改變：人工島西北側、東北側、東側流速增加25%～40%左右；人工島東南、西南側流速減小8%～25%左右；進海路兩側流速稍微變小0～4%左右。工程后，人工島堤頭局部范圍內沖刷。達到新的沖淤平衡狀態(tài)后，人工島附近東北側形成沖刷坑，侵蝕深度為1.2 m的沖刷坑近似呈橢圓形，長軸3 120 m，WNW—ESE向，短軸長約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，向人工島方向一側侵蝕深度梯度大，距人工島80 m處侵蝕深度達2.2 m。進海路兩側的平均流速略微變小，泥沙在進海路附近區(qū)域內沉積，淤積0～0.4 m。

（2）工況二：透空率50%。工程后，距工程4.2 km以外的海域潮流動力場基本不變，而對鄰近工程的海區(qū)流場影響較大：人工島西北側、東北側、東側流速增加30%～50%左右；人工島東南、西南側流速減小10%～29%左右；進海路兩側平均流速稍微變小0～5%左右。工程后，達到新的沖淤平衡狀態(tài)時，人工島附近東北側形成沖刷坑，侵蝕深度為1.2 m的沖刷坑近似呈橢圓形，長軸3 190 m，WNW—ESE向，短軸長約960 m。沖刷坑中心距人工島190m左右，沖刷中心侵蝕深度為3m，向人工島方向一側侵蝕深度梯度大，距人工島40m處侵蝕深度達2.2 m。人工島南側淤積，淤積幅度為0.4～1.2 m。進海路南側淤積0～0.4 m；進海路北側離堤頭較遠的區(qū)域淤積0～0.4 m。靠近人工島的進海路北側侵蝕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以外的海域潮流動力場基本不變，而對鄰近工程的海區(qū)流場影響較大：人工島西北側、東北側、東側流速增加30%～55%左右；人工島東南、西南側流速減小10%～31%左右；進海路兩側平均流速稍微變小0～5%左右。工程后，在達到新的沖淤平衡狀態(tài)時，人工島附近東北側形成沖刷坑，侵蝕深度為1.2 m的沖刷坑近似呈橢圓形，長軸3 400 m，WNW—ESE向，短軸長約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，向人工島方向一側侵蝕深度梯度大，距人工島40 m處侵蝕深度達3.4 m。人工島南側淤積，淤積幅度為0.4～1.2m。進海路南側淤積0～0.4m；進海路北側離堤頭較遠的區(qū)域淤積0～0.4 m。靠近人工島的進海路北側侵蝕0.4～2 m，越靠近堤頭侵蝕深度越大。

（4）透空率對沖淤的影響。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

由于該進海路為漫水路形式，其結構各部位所受波浪力難以通過理論計算確定，從而也無法通過理論分析計算來確定斷面的穩(wěn)定性，因此需要采用物理模型試驗進行驗證。物理模型試驗在河海大學航道實驗室的波浪水槽中進行，試驗水位自設計低水位至極端高水位范圍內分為8級，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。試驗結果為：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，其余部位在各級水位和波浪組合作用下均保持穩(wěn)定。為此，對原斷面箱涵上部結構進行修改調整，堤頂混凝土路面厚度由40 cm改為50 cm；管溝、電纜溝外側各增加一個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。修改后的結構斷面重新進行各級水位試驗，結果表明，修改后的斷面在各級水位和波浪組合作用下均保持穩(wěn)定。

為使設計能對箱涵結構進行受力分析計算，在確保斷面結構穩(wěn)定的情況下，用物理模型試驗對修改后的斷面進行箱涵內部波壓力試驗。自迎浪面開始，對組成斷面的3節(jié)箱涵依次編號為一、二、三，每節(jié)箱涵的4面各布置2個點壓強傳感器，每個斷面共布置24個測點，其中測點1～6測箱涵頂部波壓力，測點7～12測箱涵底部波壓力，測點13～18測箱涵左側面波壓力，測點19～24測箱涵右側面波壓力，試驗對各級水位與波浪組合作用下的箱涵內部波壓力進行測定。本文僅列出平均高水位0.95 m、設計高水位1.73 m及極端高水位3.55 m所對應的波壓力，見表1。由波壓力的測量結果可得出以下結論：

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

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

（3）在進行透空式箱涵結構內部波壓力分析計算時，可用箱涵內頂高程附近水位對第一節(jié)箱涵所產(chǎn)生的波壓力來確定。

表1 透空式箱涵內部波壓力值kN

4 結論

通過研究，開發(fā)了一種新型透空式進海路——透空式箱涵結構進海路，該進海路具有以下優(yōu)點：

（1）結構本身透水、透浪效果好，對工程附近的流場、沖淤變化及海洋環(huán)境影響較小。

（2）適應水深變化能力較強，通過調節(jié)箱涵凈空尺寸可以適應水深的變化，對其整體穩(wěn)定性影響不大，后期維護工作量小。

（3）主體為預制結構，施工簡單快捷，所需施工周期短，質量易保證。

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

（欄目主持 楊 軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.8.028