粤东LNG项目码头工程总体规划

2013-08-13陈春升李姗张先波

中国港湾建设 2013年3期

陈春升，李姗，张先波

（1.中海油粤东液化天然气有限责任公司，广东揭阳 515200；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

粤东地区(含汕头市、潮州市、揭阳市、梅州市和汕尾市)以煤、油为主要能源，能源自给率低，主要依赖外省调入和从国外进口。以煤、油为主的能源结构，加之远离能源供应地的现状，阻碍了粤东地区社会经济的持续发展和人民生活质量的提高，并给环保和交通运输造成巨大压力，因此该地区对天然气的引进有着更加迫切的需要。中海石油气电集团有限责任公司拟于该地区投资建设LNG接收站，引进国外LNG资源作为粤东的工业燃料和城市燃气，以充分利用国际市场和LNG可供资源。

1 研究目的

粤东LNG项目位于粤东惠来县神泉镇以东沟疏村附近沿海。项目建设规模为：一期200万t/a，二期规划扩建到400万t/a。根据国际LNG船队现状及发展趋势和整体规划的要求，并计算分析泊位通过能力，确定码头工程建设规模为新建1个可靠泊舱容介于8万～26.7万m3的LNG船的接卸泊位，及1座3 000吨级重件码头(兼工作船码头）。

该区域天然水深较好，人工航道较短，码头地质条件较好，但海区的风、浪较大，面向南海，涌浪较多，且有长周期波出现的可能性，因此为了综合考虑工程整体布局的合理性，以及工程结构的稳定性，同时研究各设计方案的工程施工难度以及合理控制工程预算，首先采用三维物理模型试验对港口整体布局进行优化，在此基础上通过二维水槽试验对结构物稳定性进行研究，以期达到最优的经济效益和社会效益[1]。

2 码头工程总平面布置试验研究

2.1 基础资料

2.1.1 港口平面布局设计

根据当地实测波浪资料，SE向为常浪向和强浪向[2]，为有效掩护SE向波浪，减少对码头作业的影响，由接收站东南端头向SSW向海域延伸建设1 254 m防波堤，再向西北偏转建300 m南侧防波堤以掩护S向浪，整个防波堤呈“L”形布置。

在防波堤内侧平行于防波堤布置LNG泊位，泊位由1个工作平台，4个靠船墩和6个系缆墩组成。接岸引桥平行于防波堤布置，通过重件码头后方场地与接收站陆域连接，重件码头布置在LNG码头的北侧与接收站陆域通过引堤相接。平面布置方案见图1。

图1 粤东LNG项目平面布置方案图

2.1.2 试验内容

为了验证总平面布置的合理性，确保船舶的正常作业，进行工程建成后2 a一遇波浪作用下港域内泊稳情况的试验，以优化防波堤布置方案，最终优化方案确定后，在100 a一遇波浪作用下测定建筑物前波高，观测码头上水及防波堤越浪情况，表1为试验所对应的波要素组合工况。

表1 -13 m水深处波浪要素

整体模型试验在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中进行，模型的几何比尺为λ=100[3]，采用不规则波试验方法，模拟的波浪频谱为JONSWAP谱，其表达式为：

式中：H1/3为有效波高，m；Tp为谱峰值周期，s；fp为谱峰值频率，Hz；f为谱频率，Hz；γ为谱峰值参数，γ=3.3。

波谱模拟时，总能量偏差控制在±10%，有效波高的偏差控制在±5%，平均周期偏差也控制在±5%之内。

在码头前半倍船宽处设置波高传感器，同步测定各泊位测点位置的泊稳波高，在波浪平稳条件下，不规则波每次采集100个以上的波浪进行统计分析。每组试验至少重复3次，取其平均值作为该组试验的结果。

2.2 试验结果

在建筑物全部建成，航道、港池开挖完毕，防波堤顶高程8.45 m，LNG码头工作平台顶高程7.7 m，3 000吨级重件码头顶高程6.5 m情况下，分别对给定不同方向波浪组合进行泊稳试验[2]，LNG码头前泊稳波高试验结果见表2。

表2 LNG码头前泊稳波高试验结果

为使防波堤的走向对外海波浪的阻挡作用更好并降低工程造价，对平面布置原方案防波堤走向及高程进行了调整，表3、表4分别为修改方案与原方案的不同之处及不同方案泊稳波高试验结果。

表3 修改方案与原方案

表4 不同方案泊稳波高H1/10试验结果

同原设计方案相比，由于防波堤主要掩护强浪向即SE向波浪，因此SW向浪作用下，防波堤的扭转对外海波浪的阻挡作用影响不大，LNG码头未处在防波堤堤头段的掩护下，但泊位波高仍较原方案略有改善，重件码头由重力式改为透空式结构，使得码头前反射减小。

SSW向浪作用下，由于防波堤顺时针扭转8°，对LNG码头的掩护效果略好，但由于防波堤堤顶高程由8.45 m降低为7.086～7.443 m，使得堤头段越浪比原方案更加明显，越过堤顶的水体产生的次生波与堤头绕射波浪叠加，使LNG码头位置处波高有所增加。对于重件码头由于结构形式的变化，反射减小，波高值也相应减小。

S向浪作用下，300 m堤头段主要是阻挡S向波浪，加之防波堤的扭转，对LNG码头的掩护效果更好，码头前主要受堤头绕射波浪影响，S向浪对于堤头段为正向入射，作用强烈，而防波堤堤顶高程的降低，使得堤头段越浪比原方案更加明显，越过堤顶的水体产生的次生波与堤头绕射波浪叠加，使LNG码头位置处波高较原方案有所增加，重件码头前波高由于透空式结构反射小，波高较原方案减小。

SE向浪作用下，LNG码头及重件码头均处在防波堤掩护下，但由于防波堤顶高程降低导致越浪明显，越浪水体在堤后产生的次生波较大。LNG码头泊位处的波高与原方案时相当。

根据平面试验结果可知，尽管顶高程降低后修改方案越浪量及其所产生的次生波高较原方案有所加强，但港内波高仍满足LNG码头的泊稳要求，且降低了工程造价，修改方案更优于原方案，确定修改方案为最终平面布置方案。确定港口整体布置形式后，为了确保水工结构的安全性，又进行了防波堤断面模型试验。

3 水工结构物稳定性试验研究

3.1 试验断面

根据总体平面布置优化结果，对防波堤堤头段及堤身段共3个断面进行试验。其中堤头段为一个断面，堤身段由于不同位置顶高程有所变化，取不同位置的断面一和断面二作为试验断面。

防波堤堤头断面不设防浪墙，斜坡护面坡度为1∶1.5，内、外坡均采用24 t扭王字块体护面。堤内、外侧块石护底的设计厚度为1.7 m，宽度为20.0 m，采用1 500～2 000 kg块石铺设。

堤身断面一堤顶设计标高为7.086 m，坡面及堤顶采用18 t扭王字块体防护。堤内侧为戗台式护面，戗台顶标高为-2.0 m，戗台上部护面坡度1∶1.5，扭王字块体的重量18 t；戗台下部护面坡度1∶2，护面块石的重量为1 200～1 500 kg。内、外侧块石护底均采用1 200～1 500 kg块石铺设。防波堤堤身段断面一见图2。

图2 防波堤堤身段断面一

堤身断面二堤顶设计标高为6.783 m，顶宽为8.95 m。防波堤外侧为斜坡式设计，坡度1∶1.5，坡面及堤顶采用14 t扭王字块体护面。堤内侧为块石棱体，棱体上部护面坡度1∶1.5，扭王字块体的重量14 t；棱体下部护面坡度1∶2，棱体块石的重量为1 000～1 200 kg。内、外侧块石护底坡度1∶2，均采用1 000～1 200 kg块石铺设。

3.2 试验条件

根据试验要求分别对不同试验断面在不同水位、设计波要素组合条件下进行试验。

通过试验确定堤头段、堤身段防波堤断面合理的顶高程，并测定其越浪水舌厚度，波浪爬高以及堤后不同位置处的波高；验证防波堤断面各部位的稳定性；根据试验结果提出防波堤断面优化建议。

断面波浪物理模型试验是在长、宽、高分别为68.0 m、1.0 m、1.6 m无反射造波机波浪水槽中进行的，为了与整体模型试验相一致，断面模型试验不规则波的频谱亦采用JONSWAP谱，根据《波浪模型试验规程》的要求，防波堤模型选用的几何比尺为1∶37，一次波浪采集数据控制在200～300个波。

3.3 试验结果

根据整体布置及稳定性的需要，分别进行了稳定性试验，以及测定了各断面堤顶前端及后端的最大越浪水舌厚度以及堤后不同位置处的再生波高[4-5]。根据试验结果，堤身断面一由于在低水位时越浪水体溅落在堤后的堆石棱体上，使棱体块石大量滚落，以致堤后扭王字块体失稳，据此对原断面进行修改，堆石棱体顶高程由-2.0 m降至-5.0 m，其他各部位不变。堤头断面、堤身断面一及修改方案、堤身断面二试验结果见表5。