橋東油田青東5塊區透空式箱涵進海路斷面物理模型試驗

李貴陽, 陳德春*, 廖紹華

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京210098;2.勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司,山東東營257000)

橋東油田青東5塊區透空式箱涵進海路斷面物理模型試驗

李貴陽1, 陳德春*1, 廖紹華2

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京210098;2.勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司,山東東營257000)

在研究透空式箱涵進海路穩定性的基礎上,修改上部結構以滿足其穩定性。分析箱涵的透浪性能,并通過箱涵波壓力測力試驗,得到控制水位下箱涵所受的最大波壓力以及各測力點隨水位變化的折線圖,箱涵波壓力的分布規律。論證透空式箱涵進海路結構透浪性能及箱涵受力特點,確定合理的透空堤結構形式。

透空箱涵;進海路;物模試驗;透浪系數

大陸岸線灘海地區分布著豐富的石油資源,在該地區建設進海路,連接海上人工島已成為海上油田開發新模式[1]。進海路結構型式分為實體式和透空式。實體式結構有拋石路堤、鋼筋混凝土板樁組合裝配式路堤、預應力高強混凝土管樁與板樁組合式路堤等;透空式結構有箱涵、圓筒、棧橋式路堤等[2]。

透空式進海路是較新穎的結構型式,與實體進海路相比,透空式有利于內外水體交換及抵抗冰荷載、減少泥沙淤積、有利于環保[3-4]。

文中采用波浪斷面物理模型試驗,研究橋東油田青東5塊區透空式箱涵進海路結構穩定性、箱涵透浪效果以及波壓力對箱涵的影響,確定透空式箱涵進海路合理斷面結構。

1 進海路設計斷面方案

橋東油田青東5塊區位于萊州灣西近岸海區(見圖1),通過新建灘涂道路、進海路和灘海陸岸平臺的方法實行海油陸采,灘涂道路到灘海陸岸平臺總長約4.97 km,其中透空式箱涵進海路長2.54 km(見圖2)[5-6]。

圖1 橋東油田青東5塊新區工程位置Fig.1 Project location of the Qiaodong oil field in Qiaodong 5 block area

圖2 橋東油田青東5塊區進海路平面布置Fig.2 Plane layout of the Qiaodong oil field in Qingdong 5 block area

進海路走向為西北至東南向,海底高程▽-3.5 m,為減少進海路對海洋環境的影響,采用全透空式箱涵結構方案。為滿足結構的自身的穩定性及利用其透浪消浪效果,結合該地工程地質水文資料,依據相關設計規范及相近工程實例經驗,擬得到如圖3和圖4所示的新建進海路的主要設計結構。

圖3 透空式箱涵進海路橫斷面Fig.3 Cross section of the perm eable box culvert sea access road

圖4 透空式箱涵進海路縱斷面Fig.4 Longitudinal section of the permeable box culvert sea access road

由圖3和圖4可以看出,其主要結構為:

1)采用碎石樁對表層軟土進行地基處理,碎石樁直徑為0.5 m,樁長為10 m,中心間距為1.2 m;

2)在碎石樁上鋪土工格柵網一層、上拋填厚0.3 m的石渣墊層、再拋填10～100 kg拋石基床、拋石基床上放置C25鋼筋砼箱涵(鋼筋砼箱涵凈空尺寸為2m×2m,每個斷面由3節拼裝而成,單節長度為3.0 m,單塊質量為20.7 t)、箱涵上部現澆厚20 cm的C15砼墊層、南北側管纜溝內砌石、再在其上現澆厚10 cm的C15砼墊層及厚40 cm的C30砼路面;

3)兩側管纜溝結構砼頂高程為▽3.30 m;

4)透空式斷面兩側護底采用厚80 cm的100～200 kg塊石,塊石面層安放一層,兩排合金裝石籠,北側護底頂面寬度為25m,南側護底頂面寬度為25m。

2 波浪斷面物理模型試驗內容

2.1 試驗內容

由于萊州灣屬渤海海域,其潮汐主要受黃河口外和秦皇島以北外海半日潮旋轉潮波以及渤海海峽日潮旋轉潮波3個潮波系統的影響,NE-NEN向風對該工程海域造成的影響最大。為確定透空式進海路設計代表斷面尺度的合理性,需進行波浪穩定性試驗及箱涵測力。

2.2 試驗條件和方法

1)波浪斷面模型試驗遵守交通部“波浪模型試驗規程”JTJ/T234—2001[7-8]。

2)模型試驗在90 m×1.5 m×1.0 m波浪水槽進行,水槽一端安裝不規則生波機。

3)遵循物理模型相似理論,依重力相似準則設計正態模型,模型比尺取1∶20。

4)人工塊體、箱涵采用水泥、黃沙、鐵砂混合澆鑄而成,偏差控制在±5%以內,幾何尺度偏差小于±1%。

5)建筑物護面單個塊體失穩標準和局部結構失穩標準:①隨機安(拋)放的護面塊體(石)累積位移超過單個塊體的最大幾何尺度時即失穩;②單層鋪砌的護面塊體,其累積位移超過單個塊體的厚度時即失穩;③塊石護底的表面有明顯變形即失穩。

6)規則波試驗采用間斷造波法,不規則波采用Jonswap譜。

7)規則波設計波高:采用極限破碎波高,為水深的0.6倍,周期為8 s;不規則波波譜采用Jonswap譜,其表達式為

式中

式中:Hs為有效波高(m);Tp為譜峰值周期(s),取Tp=1.2～1.3ˉT;fp為譜峰值頻率(Hz);γ為譜峰值參數,取3.3。

2.3 水位與波浪

透空堤規則波波要素見表1,不規則波波要素見表2。

表1 透空堤規則波波要素Tab.1 W ave elements of the regular waves

表2 透空堤不規則波波要素Tab.2 W ave elements of the irregular waves

規則波試驗水位有8級(見表1)、不規則波試驗水位有3級(見表2)、分別為:設計高水位1.73 m,25年一遇極端高水位3.22 m,極端高水位3.55 m。

2.4 透空式箱涵進海路斷面試驗

2.4.1 設計斷面穩定性 透空式設計斷面規則波穩定性試驗結果見表3。不規則穩定性試驗結果見表4。

表3 透空式設計斷面規則波穩定性試驗結果Tab.3 Stability results of the rule waves for sections

表4 透空式設計斷面不規則波穩定性試驗結果Tab.4 Stability results of the irregular waves for sections

由表3和表4可以看出,波浪作用下水位越高,對管溝、電纜溝結構穩定性越不利,以平均高水位▽0.95 m為準,該水位基本與箱涵內頂高程相同,在平均高水位▽0.95 m及以上水位時,來自外海的波浪能直接或越堤后擊打管溝、電纜溝結構,以致失穩;堤頂40 cm厚路面結構呈浮動狀。在平均高水位▽0.95 m以下水位時波擊箱涵,箱涵結構能保持穩定;護底塊石100～200 kg,10 t重合金塊石籠均能保持穩定。

2.4.2 修改設計斷面及其穩定性 為滿足堤頂路面及管溝穩定,調整上部結構尺度:

1)堤頂路面增加厚度到50 cm;

2)電纜溝與管溝兩側增加0.5 m×0.7 m混凝土方塊,提高其質量,且與箱涵連接。

試驗表明:由于對管溝、電纜溝增大尺度,增加其質量,且與下部砼層相連接,在平均高水位▽0.95 m及以上水位,規則波、不規則波與各級水位組合作用下,管溝、電纜溝結構穩定;由于對路面結構增大尺度10 cm,增加其質量,則路面結構(50 cm)穩定。

2.5 透空式箱涵進海路透浪性

試驗中用浪高儀測得箱涵后1 m及3 m處的堤后波高,比較得出在各水位及波要素組合下,堤后3 m處的波高稍大于堤后1 m處的波高。依照已有透空式防波堤研究成果,取透浪系數KT(堤后最大透浪波高與堤前極限波高H極的比值)研究規則波下各水位的透浪效果(見表5)。

表5 透空式設計斷面規則波透浪性試驗結果Tab.5 W ave-transm ission features results of the rule waves

因堤頂高程為▽0.95 m,試驗中在平均高水位▽0.95 m及以上水位時,堤后波浪由堤頂越浪及竄過箱涵的波浪合成,在平均高水位以下的試驗水位作用下無越浪,堤后波浪浪高只由竄過箱涵的波浪控制。透浪系數在水位▽2.50 m時達到極大值,此后隨水位下降而減小,且在設計高水位以上水位時透浪系數都能大于0.5。由此說明在高水位情況下堤身箱涵能參與透浪作用,減小波浪對堤身上部結構的沖擊力,有利于結構的穩定。

2.6 透空堤修改設計斷面波浪測力試驗

采用最不利波向最大波要素進行試驗,研究透空堤箱涵斷面結構受力情況,圖5為箱涵波壓力測點位置及編號示意。圖5中,沿透空堤堤身3節箱涵共布置24個點壓強傳感器,其中測點1～6測箱涵頂面波壓力;測點7～12測箱涵底面波壓力;測點13～18測箱涵左側面波壓力;測點19～24測箱涵右側波壓力。

圖5 箱涵波壓力測點位置及編號示意Fig.5 Diagram of the pressuremeasuring point locations of the box culvert waves and the serial numbers

在各級水位與波浪組合作用下,測量箱涵各傳

感器測點承受的波壓力,進而繪出如圖6所示的各組合形式下各測點的波壓力分布包絡圖以及橫斷面最大波壓力圖。

圖6 水位3.55 m規則波作用下各測點波壓力分布包絡圖以及橫斷面波壓力最大值Fig.6 Pressure distribution envelope diagram of each pressuremeasuring points(kN)and themaximum pressure of the cross section under the actions of regular waves in 3.55 m water level

圖6中取最高水位(極端高水位3.55 m)時規則波的波壓力為例進行分析。由圖6可以看出,靠近迎浪面的測點(1,7,13,19)斷面的波壓力值多大于其他斷面的波壓力值,因此,箱涵式透空堤結構承受的波壓力可由此斷面波壓力所決定(其它水位同該水位類似)。從各測點中取出在每一級水位下的波壓力最大值,得到圖7所示的各測點隨水位變化的最大波壓力曲線。

由圖7可以看出,在同一級水位受規則波影響下,箱涵上下左右測點的最大波壓力值相差不大。平均高潮位0.95 m下波壓力在各側面都達到了極大值,此水位剛好與箱涵內頂高程(1.00 m)相等,且極限波高較大(2.67 m),箱涵受力達到極值;設計高水位1.73 m及以上水位時雖然極限波高不斷增大,但因波浪主要受力點在箱涵以上的上部結構處且不斷上移,所以隨水位和波浪的極限波高增大箱涵的受力變化并不明顯。而在0.00 m水位以下,雖波浪主要作用在箱涵上,但因極限波高減小、波能消弱明顯以及箱涵透浪,壓力相比減小。

圖7 各測點隨水位變化在極限波高下的最大波壓力值Fig.7 M aximum wave pressure values w ith the change of the water level of each m easuring points in the lim iting wave height

3 結 語

采用物理模型試驗,研究了橋東油田青東5塊區透空式箱涵進海路斷面穩定性,透浪性能及箱涵受力,得到以下結論:

1)在原設計斷面,平均高水位及以上水位波浪作用下堤頂路面及管溝失穩。修改斷面保持護底塊石100～200 kg,10 t重合金塊石籠;在電纜溝與管溝兩側增加0.5m×0.7 m混凝土方塊,且與箱涵連接;將道路厚度從40 cm加厚到50 cm以及預留排水,則滿足透空堤斷面結構穩定。

2)堤身箱涵透浪有利于斷面穩定;設計高水位1.73 m及以上水位透浪效果較好,透浪系數能達到0.5以上,水位▽2.50 m時達到最大值0.59。

3)箱涵受力特征,迎浪面測點波壓力值最大;箱涵各面在平均高水位時達到極大值,且在相同水位極限波要素作用下所受最大波壓力值相近,最大波壓力值約40 kN。

文中研究的透空結構,若調整箱涵尺度,可改變透浪量和過流量,適合于沿海不同工程目標建設借鑒。

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(責任編輯:邢寶妹)

Sectional M odel Test Research of the Perm eable Box Cu lvert Sea Access Road for the Qiaodong Oil Field in Qingdong 5 Block Area

LIGuiyang1, CHEN Dechun*1, LIAO Shaohua2
(1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Shengli Oil Shengli Prospecting and Design Research Institute Co.Ltd,Dongying 257000,China)

Based on the study of the stability of the permeable box culvert sea access road,we canmeet the stability by modifing the upper structure.We analyse the wave transmission properties of box culvert,and test the pressure force of the box culvertwave.By doing these,we obtain themaximum wave pressure,and the broken line graphs which shows the trendency of eachmeasuring point changing with the water level and the pressure distribution of the box culvert. Finally,we demonstrate the performance of the wave transmission properties and the forced characteristic of the permeable box culvert sea access road,then determine a reasonable structure of the permeable breakwater.

permeable box culvert,sea access road,physicalmodel test,wave transm ission coefficient

U 656.31

A

1671-7147(2015)03-0344-06

2014-11-05;

2014-12-10。

李貴陽(1991—),男,湖南邵陽人,港口海岸及近海工程專業碩士研究生。

*通信作者:陳德春(1954—),男,江蘇南京人,副教授,碩士生導師。主要從事港口海岸及近海工程研究。

Email:njxx146204@163.com