氣田井場高架平臺防洪設計

劉長春 王金國

大慶油田設計院有限公司

大慶油田澇洲氣田項目新建的18 座氣井井場位于松花江干流澇洲江段行洪區，單座井場場區占地面積30 m×30 m，內設8 m×8 m 的工藝高架平臺和5 m×4 m 的電控高架平臺各一座，高架平臺采用透空式鋼筋混凝土框架結構，基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎。各井場場區根據地勢高程，隨地勢找平建設。工程防洪標準與行洪區兩岸堤防防洪標準取為一致，為50 年一遇洪水，相應的設計洪水位為124.07 m。高架平臺抗洪設計防御目標是主體結構不受損壞；非承重部分允許損壞，可后期修復。抗洪設計是在正常結構設計基礎上，針對行洪區水流荷載及風浪荷載的一種驗算性和補充性設計。

松花江干流澇洲江段行洪區所在河段屬于松花江干流上游，地處松嫩平原的東南部，屬于平原型寬灘性河段，具有坡降平緩、流速均勻、含砂量小等特點。江段河道主槽為“U”字形復式河槽，枯水水面寬約300～600 m，平槽水位河寬一般約700～900 m，水深4～7 m。江底表層為中砂、細砂，河水流速不大，低水位平均流速為0.6 m/s，中水位為0.9 m/s 左右，高水位達1.5 m/s 左右。洪水泛濫邊界受兩岸防洪堤的控制，堤距一般在6.1～9.2 km之間，其中灘地寬度一般在5 300～8 500 m之間，灘地高程一般在119.00～122.00 m 左右。設計洪峰流量15 140 m3/s。流域地面環流季風性明顯，年平均風速以松嫩平原最大，可達4 m/s 以上，最大風速達40 m/s。

1 結構選型

井場高架平臺結構類型和體系是根據行洪區設計水深、設計水流速度及洪水頻度等因素確定。在平臺受到洪水浸泡后，應保證其穩定性和使用功能[1-2]。澇洲氣田項目新建的18 座氣井井場平臺采用透空式鋼筋混凝土框架結構，框架柱采用圓形截面。井場平臺水深以下部分，在行洪期淹沒在水中的時間一般較長，采用耐水的鋼筋混凝土框架結構，結構材料的物理及力學性能經水長期浸泡后無明顯變化，有利于結構安全，并減少了退洪后的維修工作量。在漂浮物撞擊及船只擠靠等偶然荷載作用下，結構整體穩定性好，構件的抗撞擊能力強。采用透空式結構，框架柱采用圓形截面，有利于洪水的進退，并減少了行洪時作用在平臺上的洪水推力及風浪壓力。

2 波浪要素計算

行洪區的波浪要素由波高、波長和波浪周期組成，應根據當地環境條件由實測資料確定。當地無波浪要素實測資料時，在選定波浪要素計算方法后，可根據行洪區的風區長度、計算風速和計算水深，通過計算確定[3]。

18 座氣井井場防洪設計計算的波浪要素包括：平均波高、平均周期及平均波長，計算公式如（1）～（4）所示。

式中：Hm為平均波高，m；Tm為平均周期，s；lw為風區長度，m；d0為蓄洪區計算水深，m；VW為計算風速，m/s；W0為基本風壓，kN/m2。

在進行承載力和穩定性驗算時，計算波高的波列累積頻率應取1%，1%累積頻率波高H如公式（5）所示。

在封閉水域中，風給水面施加水平剪力，使水體順風向移動，形成上風水面降低、下風水面升高的水面線，即風增減水現象，計算波高風增減水高度ds；如公式（6）所示。

式中：H為波高，m；ds為風增減水高度，m；ks為風區長度，m；l為平均水域長度，m。

井場1～18 所在行洪區背風岸至迎風岸的平均水域長度在6 100～9 200 m 之間，風區長度取井場平臺主風向至防洪堤邊界的距離，風區長度取值范圍在2 000～3 100 m 之間。井場1～18 平臺的波浪要素計算結果見表1。

表1 井場1～18平臺的波浪要素Tab.1 Wave elements for platform 1～18 of well site m

3 架設高度計算

按結構抗洪設計要求井場高架平臺架設高度要避開波浪對平臺水平結構的上托與下沖荷載，架設高度根據行洪區淹沒水深加一定的安全超高確定。考慮必要的安全超高是保證井場平臺不受水淹和水平結構不受破壞的重要安全措施，安全超高的計算應考慮波浪波峰在靜水面以上的高度、風增減水高度等因素，并預留一定的安全高度。波峰在靜水面以上的高度hmax應根據計算波高H和建筑設計水深d確定，其中d取建筑淹沒水深df與風增減水高度ds之和。

井場平臺架設高度hs應按公式（7）～（8）驗算。

井場1～18 平臺的計算架設高度及設計架設高度hsj、hss見表2。

表2 井場1～18平臺架設高度Tab.2 Installation heights for platform 1～18 of well site m

式中：df為建筑淹沒水深，m；hmax為波峰在靜水面以上的高度，m；hj為平臺水平結構層高度，m。

18 座井場波浪波峰在靜水面以上的計算高度為0.81～1.06 m，風增減水計算高度為0.17～0.30 m，平臺水平結構層高度為0.2 m，計算安全超高為1.81～1.92 m。結合工藝生產運行要求，井場平臺頂面標高定為126.0 m，設計洪水位為124.07 m，設計安全超高為1.93 m，大于結構計算安全超高，井場平臺架設高度滿足規范要求。

4 結構抗洪設計

行洪區洪水從開始到退去分進入、停留和退出三個階段，洪水荷載包括水流荷載、波浪荷載及漂浮物撞擊荷載。井場平臺結構抗洪設計包括洪水期間的結構承載力和結構整體穩定性計算，以及退洪后的地基承載力驗算[4-6]。

4.1 水流荷載計算

井場1～18 所在行洪區漫灘地形平坦，灘地寬度一般在5 300～8 500 m 之間，灘地高程一般在119.00～122.00 m 左右，地面坡降＜0.001。井場平臺架設高度4.5～6.7 m，洪水淹沒水深2.6～4.8 m。洪水進入及退出階段，需驗算水流荷載作用下的平臺整體穩定性。作用于平臺迎流面上的水流荷載包括迎流面的正壓力和背流面的負壓力之和，如公式（9）所示。

式中：Fwk為水流荷載標準值，kN；Kw為水流阻力影響系數，透空式取1.0；V為水流設計流速，m/s；A為框架柱的迎水面積，m2。

主流區水流設計流速V可根據井場范圍行洪區河段的坡度，查取相應的流速。井場1～18 所在行洪區河段坡度＜0.001，設計流速取值V=2.1 m/s，由主流區向兩側，水流速度逐步減小。井場1～18平臺單柱水流荷載標準值如表3所示。

表3 井場1～8平臺單柱水流荷載標準值Tab.3 Standard value of single column flow load for platform 1～8 of well site kN

4.2 波浪荷載計算

洪水停留階段水位最高、時間長，遇大風的機會最多，需驗算波浪荷載作用下的平臺整體穩定性，影響波浪荷載的主要因素是行洪區的風速及水深，因此需對風速和水深計算。風沿行洪區某一方向吹過時，在背風岸水域水位降低；在迎風岸水域水位增高，從而形成穩定狀態的水面線，即風增減水現象。這種現象使位于迎風岸水域中的建筑加大淹沒水深，同時增加波浪荷載，處在背風岸水域中的建筑，由于水深減小、風區長度短、風浪不大，有利于建筑抗洪。因此，蓄滯洪區建筑抗洪設計和波浪荷載計算所依據的建筑設計水深，應計及風增水高的影響，建筑設計水深取建筑淹沒水深及與其相對應位置處的風增水高兩者之和。

波浪荷載要素包括速度荷載分量和慣性荷載分量，波浪荷載在豎向構件上的分布形式如圖1所示。

圖1 波浪荷載在豎向構件上的分布Fig.1 Distribution of wave loads on vertical components

作用于平臺圓形截面豎向構件波浪荷載速度分量分布荷載qxV和慣性分量分布荷載qxI公式如（10）～（13）所示。

式中：qxV為圖形截面豎向構件波浪荷載速度分量分布荷載，kN/m；γ為水的的重度，kN/m3；ηxV為速度荷載系數，圓形截面取1.2；ηxI為慣性荷載系數，圓形截面取2.0；b為構件垂直于波線，m；qxI為慣性分量分布荷載，kN/m；Ax為構件截面面積，m2；Vx為水質點水平速度，m/s；T為波浪周期，s。

作用于圓形截面豎向構件上的集中力最大速度荷載分量QxVmax按公式（14）計算，最大慣性荷載分量Qxlmax按公式（15）計算。

作用于整個豎向構件上的集中力最大水平總波浪荷載Qxmax按下列兩種情況計算。

當QxVmax≤0.5Qxlmax時：

當QxVmax＞0.5Qxlmax時：

4.3 洪水荷載作用下的整體穩定性驗算

與常規平臺相比，要重視平臺在洪水荷載作用下的整體穩定性計算，內容包括抗傾覆、抗滑移和抗漂浮等驗算。計算整體穩定性時，應考慮上部結構自重、基礎部分（包括其上的土重）的自重、側向地基土對基礎的抗力，以上是結構整體穩定性的有利因素，計算時其分項系數取0.9。結構在洪水期間的傾覆、漂浮等整體穩定性按公式（18）驗算。

式中：CG為永久荷載效應系數；Gk為永久荷載標準值，kN；CW為風荷載效應系數；Wk為風荷載標準值，kN；CWa為波浪或水流荷載效應系數；Qak為波浪或水流荷標準值，kN；Cep為基礎側向被動土壓力效應系數；Fep為基礎側向被動土壓力，kN。

在進行波浪荷載驗算時，靜水面以上部分所受的風荷載，是計算波浪荷載所用的風，波浪與風相伴生。波浪與風兩種荷載，一個作用在水下和波浪所及的水面以上結構部分，一個作用在水面以上結構部分，都是由一種外因所產生。因此，都應算作第一個可變荷載，按規定不必乘以可變荷載組合值系數。在水流荷載及波浪荷載作用下的整體穩定性均滿足要求。

5 基礎抗洪設計

基礎型式根據場地工程地質條件、結構類型、抗洪設計要求、材料來源和施工條件，經技術經濟對比確定[7]。洪水期間，應考慮上部結構受水流荷載、波浪荷載及漂浮物撞擊荷載等水平荷載對基礎的影響[8]。本工程場地地層共分3 層，分別為：素填土層，由建筑垃圾和粉土組成，厚度為1.20～1.40 m；細砂層，沖積成因，厚度為4.60～5.20 m；中砂層，沖、淤積成因，該層在勘察揭示深度范圍內未鉆穿[9]。洪水期將產生沖刷，50年一遇洪水總沖刷深度為0.73 m[10]。平臺框架采用鋼筋混凝土獨立基礎，并沿兩個主軸方向設置基礎系梁，基礎埋深3.0 m，持力層為細砂層。基礎埋深及底面積的確定考慮了洪水期間最大沖刷深度和地基穩定性，并滿足結構整體抗傾覆、抗滑移穩定性的要求。

6 結束語

井場高架平臺抗洪設計是在正常設計基礎上，針對行洪區水流荷載或風浪荷載的一種驗算性設計，荷載性質具有特殊性，計算參數較多且復雜，計算難度較大，在設計過程中應重視。尤其是風浪荷載還具有動力特性和反復作用的特點，且以水平分量為主，結構設計時可參考抗震設計的方法，加強結構措施（包括構造措施），避免井場平臺出現短梁、短柱，以及在波浪荷載作用下梁、柱的剪切破壞先于彎曲破壞的可能。