液化天然气项目取水结构整体物理模型试验

时恩哲，王登婷，罗立群

（1.中海石油深圳天然气有限公司，广东深圳 518040;2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029）

液化天然气项目取水结构整体物理模型试验

时恩哲1，王登婷2，罗立群1

（1.中海石油深圳天然气有限公司，广东深圳 518040;2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029）

对深圳液化天然气（LNG）项目取水箱涵采用1∶36.5缩比进行各种水位与不规则波组合作用下的波浪物理模型试验。观测取水口戽头、方涵及围护结构的稳定性，并对原设计方案进行优化，采用FL－NH型运动测量系统测量取水戽头及引水方涵的位移量;并测量取水口戽头及第一节方涵的波压力，得到戽头及第一节方涵所受到的波浪力。结果表明:随着水位的降低，各点测得的波压力和波浪力呈现出明显增大的趋势;取水量对取水戽头的稳定和波压力影响较小，围护结构对波压力影响较大。

液化天然气;取水箱涵;波浪力;试验

发电站和液化天然气（LNG）接收站等建设项目均涉及取、排水工程，波浪作用下取水建筑物的稳定性对于取水安全至关重要。很多研究者［1－9］对不同类型取水口结构的稳定性、取水口前的冲刷及防护等进行了试验研究。深圳LNG项目取水结构设计为引水方涵结构，三面开有取水窗口，一面接引水方涵，且波浪行进为斜向波作用。目前对于此类形状复杂的淹没式建筑物所受斜向波压力尚无相应规范给出明确的计算方法。因此，对建筑物所受的波压力需通过三维物理模型试验确定并进行校核。笔者对取水结构采用1∶36.5比例进行各种水位与不规则波组合作用下的波浪物理模型试验。试验中首先观测取水口戽头、方涵及围护结构的稳定性，并对原设计方案进行优化，采用FL－NH型运动测量系统测量取水戽头及引水方涵的位移量，分析戽头及第一节方涵所受到的波浪力以及取水量对波压力的影响。

1 试验条件

工程平面布置如图1所示。

图1 平面布置图Fig.1 Plan layout

设计水位如下:100年一遇高水位为3.52 m，50年一遇高水位为3.40 m;设计高水位为2.28 m，设计低水位为0.35 m;50年一遇低水位为－0.52 m。

模型中试验波向与取水箱涵夹角为22.5°，波浪重现期为50年一遇，试验波要素见表1。

表1 50年一遇试验波要素Table 1 50-years test-wave elements

试验中取水条件按照一期取海水量（27 600 m3/h）、二期取海水量（55 200 m3/h）与不取水3种工况考虑。

2 试验

2.1 内容

（1）引水方涵稳定性试验。对取水戽头、引水方涵不同结构段进行试验。首先测定不同工况的整体稳定性（移动、转动或倾覆）;然后对不稳定情况进行增加稳定性措施的试验;对设计方案进行优化，提出合理的优化方案。

（2）围护结构的稳定性。首先考虑戽头结构段护脚的栅栏板、扭王字块体及其基底块石的稳定性，并对其进行优化试验，提出优化方案;然后对引水方涵不同结构段护面块体以及基底块石的稳定性进行优化试验，提出优化方案;再对不稳定情况结构段的护面块体与基底块石重新进行达到稳定要求的试验，并提出合理建议。

（3）测量取水戽头及引水方涵结构不同工况所受到的波压力，并分析取水量及不同水位条件对波压力的影响规律。

2.2 试验仪器及方法

2.2.1 试验仪器

波浪试验在南京水利科学研究院河港所波浪港池中进行，港池长50 m、宽17.5 m、高1.2 m。采用南京水利科学研究院研制的多功能监测系统测量波压力。采用波高仪测量波浪要素，由计算机自动采集和处理。以往在波浪模型试验中对结构的稳定性主要通过目测，此次试验由于取水戽头和引水方涵的稳定性要求很高，现场最大位移要小于1 cm，在试验中按比例尺缩小后允许位移不到0.3 mm，因此需要采用高精度的测量设备。南京水利科学研究院于2009年研制了一种高精度FL－NH型六自由度运动测量系统［5］，本次试验中首次应用这一新设备测量波浪作用下取水戽头和引水方涵的振动及位移。该设备可同时测量横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和回旋6个自由度的运动量，通过计算机采集和处理。

2.2.2 模型设计

（1）模型比例尺。试验遵照《波浪模型试验规程》［10］相关规定，采用正态模型，按照 Froude数相似理论设计。根据设计水位、波浪要素、试验断面及试验设备等因素确定模型比例尺。各物理量比例尺如下:

（2）试验断面、波浪的模拟。模型中试验断面包括取水戽头、引水方涵、护面块体等除与原型保证几何相似外，还保证质量相似;垫层块石及护底块石均严格挑选，保证质量相似。试验采用不规则波进行。不规则波的波谱采用J谱。波浪按重力相似准则模拟。

2.2.3 试验方法

取水戽头及引水方涵各部位测点布置见图2。图中的每个点位均布置两个波压力传感器以测量各点正、反两面的同步波压力，将测得的各点对应的正、反两面波压力同步值相减后得到各点的最终压力值。

观察试验断面各部位在波浪作用下的稳定性时，每一波况累积试验持续时间不少于原型3 h。为保证试验结果的可靠性，每组试验至少重复3次。当3次重复试验的结果差别较大时，则增加重复次数;每次试验均重新铺设试验断面。

图2 波压力测点布置图Fig.2 Layout of wave pressure at measuring point

栅栏板稳定性标准为波浪作用下无脱出或一端翘起但不超过板厚的1/2为稳定。本次试验采用更严格的控制性标准，即栅栏板在波浪作用下无脱出或一端无翘起。扭王字护面块体（钩连块体）失稳判别标准以块体滚落、翻转180°或位移超过块体长度的一半为失稳。护底块石的稳定标准为在波浪作用下允许有少量块石原地摆动，个别块石位移、护底表层没有明显变形。取水戽头及引水方涵的最大允许位移量为1 cm，如测得的位移量小于1 cm即为稳定。

3 试验结果

3.1 稳定性

取水戽头围护结构原方案:在不同取水条件（不取水、一期取水量、二期取水量）、各级水位及相应的50年一遇不规则波作用下，当波浪累积作用时间超过原型3 h后，取水戽头均无位移，稳定。取水与否、取水量的大小对取水戽头的稳定性无影响。取水戽头围护结构（栅栏板、扭王字块体、100～300 kg块石）、引水方涵、引水方涵围护结构（扭王字块体、100～300 kg）在各级水位、不同取水量及相应波浪要素作用下均满足波浪作用下的稳定性要求。

综合上述试验结果，经过多次优化后提出最终优化方案为:取水戽头及引水方涵采用原设计方案;取水戽头向深水区延伸和加宽基床护面块石防护范围。综合考虑各方面因素，取水戽头周围基床护面块石的防护范围加宽至L/4（L为波长）。取水戽头围护结构、引水方涵围护结构各部位在各级水位、不同取水量及相应的波浪要素组合条件下均满足稳定性要求。为了防止外力对引水方涵的破坏，引水方涵围护结构采用扭王字块体防护至引水方涵顶部。

3.2 位移测量

针对优化方案，采用FL－NH型运动测量系统对取水戽头及紧挨取水戽头的第一跨引水方涵的运动量进行了观测。测量结果表明，在各级水位、不同取水量及相应的波浪要素组合条件下，模型中测得的取水戽头及紧挨取水戽头的第一跨引水方涵最大位移量均约为0.200 mm，换算到原型后最大位移量约为0.73 cm。因此，取水戽头及引水方涵满足在各级水位、不同取水量及相应波浪要素组合条件下的稳定性要求，而FL－NH型运动测量系统测到的原型0.73 cm的位移量是由于在波浪作用下结构自身振动引起的。

3.3 波压力

波压力测量试验针对推荐方案进行。

由于扭王字块体防护至引水方涵顶部使得方涵侧面及底面所受波压力减小，考虑到工程安全，设计部门要求测量方涵波压力时围护结构只采用100～300 kg块石（块石顶高程与原泥面齐平），如图3所示。

图3 波压力测量时采用的引水方涵剖面Fig.3 Profile of quadrate culvert used in measuring wave pressure

图4为取水戽头及引水方涵不同部位在不同取水条件下（不取水、一期取水量、二期取水量）测得的波压力最大值随水位的变化曲线。

试验结果表明:由于100年一遇高水位、50年一遇高水位及其对应的波要素均相差不大，因此这两个水位测得的各点波压力相差不大;各点波压力的最大值大都发生在50年一遇低水位条件下。对于100年一遇高水位（或50年一遇高水位）、设计高水位，设计低水位、50年一遇低水位，随着水位的降低，各点测得的波压力呈现出明显增大的趋势。不同取水量条件下，各点测得的波压力相差不大，最大相差幅度约为5% ～8%。戽头前表面最大波压力较其他部位要大，戽头底部和方涵底面最大波压力较其他部位小，因此在波浪作用下，作用在箱涵底部的波浪力相对较小。

上述试验结果是在引水方涵围护结构只采用100～300 kg块石（图4）条件下得到的。

当取水方涵围护结构扭王字块体防护至引水方涵顶部时，取水戽头各部位（1#～40#点）、引水方涵顶面（41#～44#点）测得的波压力与优化断面所测结果相差不大;引水方涵底面（45#～48#点）及引水方涵侧面（49#～56#点）测得的波压力相对较小，数值均小于5.0 kPa，受力结果见表2。由于此时引水方涵围护结构扭王字块体防护至引水方涵顶部，有效地减小了引水方涵底部和侧部的波压力，而此时取水戽头和引水方涵顶部没有得到围护，因此围护结构对波压力的影响较大。

图4 不同取水量条件下戽头及方涵各部位最大波压力随水位的变化曲线Fig.4 Variation of maximum wave pressure at various parts of bucket and culvert with water level under different quantity of water conditions

表2 取水戽头所受波浪力最大值Table 2 Maximum wave forces on water intake bucket kN

4 结论及建议

（1）在不同取水条件（不取水、一期取水量、二期取水量）、各级水位及相应的50年一遇不规则波作用下，当波浪累积作用时间相当于原型3 h后，取水戽头均无位移，稳定，取水与否、取水量对取水戽头的稳定影响较小;取水量对波压力影响也较小，最大相差幅度约为5% ～8%，围护结构对波压力的影响较大。

（2）应用最新研制的高精度六自由度运动测量系统测量取水口戽头和方涵的位移量，解决了模型试验中结构微小位移不易观测的难题。

（3）对于100年一遇高水位（或50年一遇高水位）、设计高水位，设计低水位、50年一遇低水位，随着水位的降低，各点测得的波压力呈现出明显增大的趋势。

（4）建议下一步进行系列波浪物理模型试验，得到取水戽头、引水方涵等类似结构物在波浪作用下稳定性的判别标准及其所受最大波压力的计算公式。

［1］ 王登婷，潘军宁.深圳LNG项目取水口结构稳定性物模试验报告［R］.南京水利科学研究院，2011.

［2］ 王登婷，潘军宁.广东华厦阳西电厂一期工程首二台机组取水口波浪力物理模型试验报告［R］.南京水利科学研究院，2007.

［3］ 李鹏，琚烈红.广西中电防城港电厂一期工程循环水排水沟道及排水口物理模型试验报告［R］.南京水利科学研究院，2006.

［4］ 李鹏，王红川.斯里兰卡普塔拉姆燃煤电站（1×300 MW）工程取、排水口波浪模型试验研究报告［R］.南京水利科学研究院，2009.

［5］ 李鹏.沙特Rabigh 2×660 MW 燃油机组工程取、排水口波浪模型试验研究报告［R］.南京水利科学研究院，2010.

［6］ 丘宜平，朱爱林.取水口流态及防沙措施研究［J］.广东水利水电，1999（6）:36－38.

QIU Yi－ping，ZHU Ai－lin.Study on water intake flow pattern and sand prevention measures［J］.Guangdong Water Resources and Hydropower，1999（6）:36－38.

［7］ 李富铜，丘宜平，潘载雄.东江—深圳供水三期扩建工程东江抽水站引水口防淤工程措施研究［J］.广东水利水电，1995（4）:17－21.

LI Fu－tong，QIU Yi－ping，PAN Zai－xiong.Research on the intake siltation－proof measurement of Dongjiang pumping station in the third－phase Dongjiang－Shenzhen water supply extension project ［J］.Guangdong Water Resources and Hydropower，1995（4）:17－21.

［8］ 郝瑞霞，毕慧英，曹靖，等.惠州电厂取水口至泵房过渡前池的水力特性研究［J］.科技情报开发与经济，2008（7）:151－153.

HAO Rui－xia，BI Hui－ying，CAO Jing，et al.Research on hydraulic characteristics of the transition Fore Bay from the intake to the pump room in Huizhou power station ［J］.Sci－Tech Information Development ＆ Economy，2008（7）:151－153.

［9］ 吕文翠，彭清娥，张文江.镇雄电厂一期取水口泥沙模型试验研究［J］.东北水利水电，2009（2）:54－56.

LÜ Wen－cui，PENG Qing－e，ZHANG Wen－jiang.Experimental study on sediment model of 1st－phase water intake in Zhenxiong Power Station［J］.Water Resources＆ Hydropower of Northeast China，2009（2）:54－56.

［10］ 中华人民共和国行业标准.JTJ/T 234－2001波浪模型试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2002.

Physical model test on water intake structure for liquefied natural gas project

SHI En－zhe1，WANG Deng－ting2，LUO Li－qun1

（1.CNOOC Shenzhen Gas Company Limited，Shenzhen 518040，China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

The physical model wave test on water intake structure for liquefied natural gas（LNG）project in Shenzhen was carried out under the conditions of different water levels and irregular waves.The model scale was 1 ∶36.5.During the test，the stabilities of the water intake bucket and the first quadrate culvert and the enclosure structure were observed，and the original design scheme was optimized using the FL－NH motion measuring system to measure the water bucket head and quadrate culvert's displacement.The wave pressures of the water intake bucket and the first quadrate culvert were measured in this test.The wave forces suffered the water intake bucket and the first quadrate culvert were gotten.The test results show that the measured wave pressure and wave forces increase significantly with water level decreasing.The quantity of water has little influence on the stability of the water intake bucket and wave pressure，and the enclosure structure has a great impact on the wave pressure.

liquefied natural gas;water intake culvert;wave force;experiment

TQ 053.2

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2011.06.024

1673－5005( 2011) 06－0140－04

2011－10－02

国家立项项目

时恩哲（1958－），男（汉族），山东德州人，高级工程师，主要从事海洋石油工程研究。

（编辑 沈玉英）