烟台港西港区30万t级原油码头工程物理模型试验研究

王佳佳，张 静

（1.烟台港集团有限公司，山东 烟台 264000；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

1 项目概况

烟台港西港区30万t级原油码头位于烟台港西港区原油作业区，在已建一期30万t级原油码头北侧。新建30万t级码头长401 m，码头前沿至陆域约390 m。码头设40 m×30 m工作平台1座，20.65 m×20.65 m靠船墩2座，前沿底高程为-26.0 m；直径均为16.0 m系缆墩6座（其中艏缆墩利用已建一期30万t级原油码头艉缆墩）；350 m×13 m引桥1座，分4跨；16.0 m×16.0 m引桥墩2座；50 m×32 m消控平台1座。

图1 工程码头布置

2 研究内容及工程方案

2.1 研究内容

根据不同结构方案，通过局部整体物理模型试验，测定波浪对群墩及其上部结构的作用情况。

1）测定设计高水位和极端高水位时的波峰面高程。

2）观测在设计高水位、设计低水位、极端高水位、极端低水位及不利水位时，在港区外侧重现期为50年一遇的波浪作用下工作平台墩及靠船墩各部分的稳定性。

3）分析本工程平面布置方案的群墩系数，为码头方案设计提供参考。

2.2 工程方案

本次波浪物理模型试验拟针对30万t级码头工作平台及靠船墩进行。30万t级码头工作平台及靠船墩拟采用双柱消浪块体上部结构方案。

工作平台基础由2座方沉箱构成，每座沉箱宽为20.35 m，长为30.85 m，高度为29 m，内分为24个隔仓，单座沉箱预制重量约为7 850 t。基础需开挖上部土层并炸岩至设计高程，形成基槽后抛填10～100 kg抛石基床，上部安放预制沉箱，沉箱顶高程2.0 m，其内抛填石碴。平台海侧采用栅栏板护底，其余采用200～300 kg块石护底。沉箱顶安放预制盖板，现浇叠合板至设计高程后，四周分别安放双柱消浪块体，并在平台四角现浇胸墙，中间封闭区域根据上部设备管线分布需求设墩柱基础，其间抛填10～50 kg块石，并对其做密实处理，其上现浇混凝土顶板至设计高程。工作平台两侧设双钩1 500 kN快速脱缆钩。

靠船墩基础采用21.55 m×21.55 m的方沉箱，高度为29 m，内分为16个隔仓，单座沉箱预制重量约为5 613 t。基础需开挖上部土层并炸岩至设计高程，形成基槽后抛填10～100 kg抛石基床，上部安放预制沉箱，沉箱顶高程2.0 m，其内抛填石碴。靠船墩海侧采用栅栏板护底，其余采用200～300 kg块石护底。沉箱顶安放预制盖板，现浇叠合板至设计高程后，其上现浇胸墙，背侧安放双柱消浪块体，其上现浇混凝土顶板至设计高程。每个靠船墩分别安装一套两鼓一板SC3000H Ro型护舷，系泊设施设置一套双钩1 500 kN快速脱缆钩。

在NE向试验中，进行了2种码头面高程（10.0 m和11.0 m）和2种沉箱结构（实体沉箱和透空沉箱）等结构方案组合的试验，其中：

方案一为开孔沉箱、双柱块体胸墙结构、码头面高程11.0 m；

方案二为开孔沉箱、双柱块体胸墙结构、码头面高程10.0 m；

方案三为实体沉箱、双柱块体胸墙结构、码头面高程11.0 m；

方案四为实体沉箱、双柱块体胸墙结构、码头面高程10.0 m。

图2 码头结构局部立面示意

3 研究方法

3.1 波浪模拟

试验采用不规则波，波谱为JONSWAP谱，为了提高模拟精度和造波工作效率，在模型摆放之前，首先率定原始波要素，以达到试验波要素满足目标值的要求[1]。

不规则波采用频谱模拟，将给定的有效波高及周期送入计算机进行波谱模拟，经过修正后，使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求，即：

1）波能谱总能量的允许偏差为±10 %；

2）峰频模拟值的允许偏差为±5 %；

3）在谱密度大于或等于0.5倍谱密度的范围内，谱密度分布的允许偏差为±15 %；

4）有效波高、有效波周期或谱峰周期的允许偏差为±5 %；

5）模拟的波列中1 %累积频率波高、有效波与平均波高比值的允许偏差为±15 %。

每组波要素的波列都保持波个数在100以上，根据试验要求，针对不同断面，在各个水位依据给定的波浪要素进行率定，将最后得到的造波参数存储在计算机中。试验时，依据对应率定好的造波信号进行造波。

3.2 稳定性判断

进行稳定性试验时，每个水位条件下模拟原体波浪作用时间取4 h，以便观察断面在波浪累积作用下的变化情况。护面块体的稳定性试验，根据波浪试验规程规定，每组至少重复3次。当3次试验现象差别较大时，增加重复次数。每次试验护面块体均重新摆放。

护底块体稳定性判断，其稳定性主要依据试验人员观察到的位移情况进行判断。试验中当累积位移超过块体最大几何尺度一半、块体滑落或跳出时，即判断为失稳；当波浪累计作用下块体位移后产生的缝隙宽度超过最大几何尺度一半时，也判断为失稳；没有位移即判断为稳定。失稳的断面要进行重复试验，重复试验也失稳的，判断为断面失稳；重复试验不失稳，加大重复试验次数，分析失稳原因，综合分析情况给出稳定性结论。

4 试验结果

4.1 波高试验结果

图3 NE向波高传感器位置

根据波高结果分析：不同码头面高程对波高分布基本无明显影响，仅在极端高水位工作平台及靠船墩附近测点有较小的不同；两种沉箱结构相比，透空沉箱可减小迎浪侧波高，且由于其透浪性较强，在极端高水位、设计高水位和设计低水位条件下码头结构后波浪大于实体沉箱结构。此处，我们选取不规则波H13%在设计高水位情况下进行比较分析，不同方案波高结果如表1所示。

表1 NE向设计高水位波高（H13%）

4.2 工作平台、靠船墩附近波锋面和上水结果

从波锋面和上水结果可知：码头面高程为11.0 m时，上水情况明显好于10.0 m情况；此外双柱块体结构胸墙和透空沉箱可有效降低码头前沿波锋面高度，改善上水情况；此外，在试验中观察靠船墩背浪侧采用双柱块体结构可有效降低饶射波浪在后方平台上的汇聚，减少码头面上水。

图4 波锋面测点位置

表2 NE向设计高水位波锋面高程

表3 NE向设计高水位上水结果

4.3 透空沉箱结构群墩系数结果

根据规范公式计算工作平台和靠船墩单墩所受波浪水平总力[2]，结果见表4，结合断面试验中实测NE向波浪水平总力（折合到结构整体宽度）见表5，整体模型试验中工作平台和靠船墩所受波浪总力见表6，根据上述波浪总力计算透空沉箱方案各工况条件下群墩系数Kx结果见表7。

表4 规范公式计算工作平台和靠船墩波浪力

表5 断面试验工作平台和靠船墩

表6 整体试验工作平台和靠船墩波浪力

表7 工作平台和靠船墩群墩系数

5 结 语

通过波浪局部整体物理模型试验，针对码头结构方案稳定性及越浪情况进行试验，主要得到以下结论：

1）根据波浪分布结果可知，不同码头面高程对波高分布基本无明显影响，仅在极端高水位工作平台及靠船墩附近测点有较小的不同；两种沉箱结构相比，透空沉箱可减小迎浪侧波高，且由于其透浪性较强，在极端高水位、设计高水位和设计低水位条件下码头结构后波浪大于实体沉箱结构，因此从波浪分布角度来讲，建议胸墙和沉箱均选用开孔式结构。

2）从波锋面和上水结果可知：码头面高程为11.0 m时，上水情况明显好于10.0 m情况；此外双柱块体结构胸墙和透空沉箱可有效降低码头前沿波锋面高度，改善上水情况；此外，在试验中观察靠船墩背浪侧采用双柱块体结构可有效降低饶射波浪在后方平台上的汇聚，减少码头面上水。因此建议码头面高程采用11.0 m。

根据试验结果，计算群墩系数为：工作平台0.85～1.02（NE向）；靠船墩0.75～0.94（NE向）。

根据试验中观察，码头结构前水深波高较大，波浪作用与结构物上发生破碎，破波冲击较大，由于物理模型缩尺效应影响，其破波作用由于夹气量的不同，模型破波冲击会弱于原型，而时间比尺又会造成模型的受力时间长于原型使结构响应偏于保守，建议对受力冲击的取值予以关注；试验中对人行桥和栈桥的观察显示波浪对敲地板的冲击呈现出一定的随机性。