透空式箱涵结构进海路研究

2014-03-21马肇援

油气田地面工程 2014年8期

关键词：人工岛箱涵冲刷

马肇援

胜利油田基建处

透空式箱涵结构进海路研究

马肇援

胜利油田基建处

胜利青东5产能建设工程位于莱州湾西近岸海域，属于典型的滩海油田。首先修建长6.2 km的实体式进海路，再通过修建长度为2.3 km的透空式进海路将实体式进海路与人工岛相连接，以达到海油陆采目的。将长2.3 km的透空进海路按透空率分三种工况进行数值模拟，以便设计确定经济合理的透空率，工况一透空率为76%，工况二透空率为50%，工况三透空率为0。通过数值模拟研究得出透空段的透空率越小，侵蚀坑范围越大，侵蚀中心深度越大，且侵蚀中心距离人工岛越近。该工程结构主体为预制结构，施工简单快捷，施工周期短，质量易保证，与常规透空式栈桥结构相比，可节约投资达30%以上。

透空式进海路；箱涵结构；透空率；物理模型试验；波压力

胜利青东5产能建设工程位于莱州湾西近岸海域，属于典型的滩海油田。该工程主要是为了产能开发需要修建一座人工岛，用于布置油水井和相关工艺设施；通过修建总长8.5 km的进海路与已建的防潮大堤连接，进海路基本为东西走向，以防潮大堤作为进海路起点。首先修建长6.2 km的实体式进海路，再通过修建长度为2.3 km的透空式进海路将实体式进海路与人工岛相连接，以达到海油陆采目的。通过对透空式箱涵结构进海路开展相关研究，得到了该结构在理论上的可行性，获得的成果直接用于指导工程设计。

1 结构组成

在平整好的天然地基或抛石基床上放置预制好的钢筋砼箱涵，箱涵上部依据使用条件形成混凝土路面及管缆沟等，根据地基具体情况确定是否采用地基处理措施。钢筋砼箱涵可由1节或多节组成，箱涵断面尺寸根据工程实际情况确定。本研究所依托的进海路工程每个断面由3节箱涵拼装而成，单节长度为3.0 m，箱涵净空尺寸为2 m×2 m，单块重量为20.7 t，具体见图1、图2。

图1 箱涵结构进海路横断面图

图2 箱涵结构进海路纵断面图

2 数值模拟计算

胜利青东5区块进海路工程修建后，将会对周围海域的水动力、波浪、泥沙冲淤变化等产生影响，故开展相应的数值模拟研究。采用国际上比较成熟的数值计算与分析软件MIKE21，将长2.3 km的透空进海路按透空率分三种工况进行数值模拟，以便设计、确定经济合理的透空率，工况一透空率为76%，工况二透空率为50%，工况三透空率为0（即实体式进海路）。通过数值模拟研究，得出以下结论：

（1）工况一：透空率76%。工程后，距工程4 km以外的海域潮流动力场基本不变，而对邻近工程的海区流场影响较大，进海路和人工岛的修建导致局部流场发生改变：人工岛西北侧、东北侧、东侧流速增加25%～40%左右；人工岛东南、西南侧流速减小8%～25%左右；进海路两侧流速稍微变小0～4%左右。工程后，人工岛堤头局部范围内冲刷。达到新的冲淤平衡状态后，人工岛附近东北侧形成冲刷坑，侵蚀深度为1.2 m的冲刷坑近似呈椭圆形，长轴3 120 m，WNW—ESE向，短轴长约950 m。冲刷坑中心距人工岛300 m左右，冲刷中心侵蚀深度为2.7 m，向人工岛方向一侧侵蚀深度梯度大，距人工岛80 m处侵蚀深度达2.2 m。进海路两侧的平均流速略微变小，泥沙在进海路附近区域内沉积，淤积0～0.4 m。

（2）工况二：透空率50%。工程后，距工程4.2 km以外的海域潮流动力场基本不变，而对邻近工程的海区流场影响较大：人工岛西北侧、东北侧、东侧流速增加30%～50%左右；人工岛东南、西南侧流速减小10%～29%左右；进海路两侧平均流速稍微变小0～5%左右。工程后，达到新的冲淤平衡状态时，人工岛附近东北侧形成冲刷坑，侵蚀深度为1.2 m的冲刷坑近似呈椭圆形，长轴3 190 m，WNW—ESE向，短轴长约960 m。冲刷坑中心距人工岛190m左右，冲刷中心侵蚀深度为3m，向人工岛方向一侧侵蚀深度梯度大，距人工岛40m处侵蚀深度达2.2 m。人工岛南侧淤积，淤积幅度为0.4～1.2 m。进海路南侧淤积0～0.4 m；进海路北侧离堤头较远的区域淤积0～0.4 m。靠近人工岛的进海路北侧侵蚀0～1.6 m，越靠近堤头侵蚀深度越大。

（3）工况三：透空率0。工程后，距工程7.5 km以外的海域潮流动力场基本不变，而对邻近工程的海区流场影响较大：人工岛西北侧、东北侧、东侧流速增加30%～55%左右；人工岛东南、西南侧流速减小10%～31%左右；进海路两侧平均流速稍微变小0～5%左右。工程后，在达到新的冲淤平衡状态时，人工岛附近东北侧形成冲刷坑，侵蚀深度为1.2 m的冲刷坑近似呈椭圆形，长轴3 400 m，WNW—ESE向，短轴长约1 000 m。冲刷坑中心距人工岛80 m左右，冲刷中心侵蚀深度为3.8 m，向人工岛方向一侧侵蚀深度梯度大，距人工岛40 m处侵蚀深度达3.4 m。人工岛南侧淤积，淤积幅度为0.4～1.2m。进海路南侧淤积0～0.4m；进海路北侧离堤头较远的区域淤积0～0.4 m。靠近人工岛的进海路北侧侵蚀0.4～2 m，越靠近堤头侵蚀深度越大。

（4）透空率对冲淤的影响。透空段的透空率越小，侵蚀坑范围越大，侵蚀中心深度越大，且侵蚀中心距离人工岛越近。

3 物理模型试验

由于该进海路为漫水路形式，其结构各部位所受波浪力难以通过理论计算确定，从而也无法通过理论分析计算来确定断面的稳定性，因此需要采用物理模型试验进行验证。物理模型试验在河海大学航道实验室的波浪水槽中进行，试验水位自设计低水位至极端高水位范围内分为8级，分别为-0.94、0、0.95、1.73、2.1、2.5、3.0和3.55 m；波高采用极限破碎波高，为水深的60%，波周期为8 s。试验结果为：在平均高水位0.95 m及以上水位情况下，箱涵以上部位的管沟、电缆沟出现滑移失稳，厚度为40 m的混凝土路面浮动，其余部位在各级水位和波浪组合作用下均保持稳定。为此，对原断面箱涵上部结构进行修改调整，堤顶混凝土路面厚度由40 cm改为50 cm；管沟、电缆沟外侧各增加一个0.5 m×0.7 m的方块，以提高管沟、电缆沟的重量，且与箱涵锚固为一体。修改后的结构断面重新进行各级水位试验，结果表明，修改后的断面在各级水位和波浪组合作用下均保持稳定。

为使设计能对箱涵结构进行受力分析计算，在确保断面结构稳定的情况下，用物理模型试验对修改后的断面进行箱涵内部波压力试验。自迎浪面开始，对组成断面的3节箱涵依次编号为一、二、三，每节箱涵的4面各布置2个点压强传感器，每个断面共布置24个测点，其中测点1～6测箱涵顶部波压力，测点7～12测箱涵底部波压力，测点13～18测箱涵左侧面波压力，测点19～24测箱涵右侧面波压力，试验对各级水位与波浪组合作用下的箱涵内部波压力进行测定。本文仅列出平均高水位0.95 m、设计高水位1.73 m及极端高水位3.55 m所对应的波压力，见表1。由波压力的测量结果可得出以下结论：

（1）在各级水位工况下，靠近迎浪面的第一节箱涵内部波压力值多大于第二、三节箱涵内部波压力值。

（2）当水位在箱涵内顶高程附近时，箱涵内产生的波压力最大，高于或低于箱涵内顶高程的水位所产生的波压力明显低于箱涵内顶高程附近水位所产生的波压力。

（3）在进行透空式箱涵结构内部波压力分析计算时，可用箱涵内顶高程附近水位对第一节箱涵所产生的波压力来确定。