外海大型取水平台的结构设计与施工

2022-05-02邹颋赵翔宇

中国港湾建设 2022年4期

邹颋，赵翔宇

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

根据浙江石油化工有限公司4 000万t/a炼化一体化项目总体设计院确定的南区公用装置总体规划，考虑工艺等要求，需在南区建设一座海水取水泵站，主要为后方服务。综合后方厂区布置、相邻工程位置以及该区域的水文地形条件等因素，将取水泵站布置在鱼山作业区南侧临时大件码头前方[1]。

按后方海水淡化设计院提供的海水取水泵站接管条件，海水取水泵站最大海水取水量约17.2×104m3/h（合计约47.78 m3/s）。海水取水泵安装在海水取水平台上。海水取水泵采用立式斜流泵，9台取水泵，露天安装在海上平台上，直接取海水，供给后方海水淡化厂、闭式循环水厂、燃机用水。海水取水泵出水管沿取水平台敷设，跨越已建临时大件码头（其上设置出水管支撑点），直接与陆域管道线连接。水域管道补偿采用直管压力平衡型不锈钢波纹补偿器[2]。平台应满足全天候取水要求，水泵使用要求高，平台面使用期的水平位移不得超过20 mm。

在海上建造取水泵房是较为常见的做法，但一般都是海水消防泵站，取水泵数量少、规格小，使用频率低。在海上建造如此大型的取水泵房，在国内还是首次，对于取水方案、海水取水泵选型、平台的结构设计等，都是不小的挑战。本文主要对取水平台的结构设计与施工进行介绍，为以后类似的工程提供借鉴。

1 建设条件

1.1 设计水位

潮位基面采用1985国家高程。根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》有关设计水位计算方法，推算得到工程设计水位如下：

设计高水位2.34 m（高潮累计频率10%）；设计低水位-1.66 m（低潮累计频率90%）；100 a一遇高潮位3.67 m；50 a一遇高潮位3.52 m；50 a一遇低潮位-2.55 m；100 a一遇低潮位-2.62 m。

1.2 波浪

取水口位于大鱼山南端，主要受SW～W向小风区波浪影响。各设计要素见表1。

表1 取水口50 a一遇设计波要素Table 1 The design wave element once in 50 years at the intake

1.3 潮流

本海域潮流属非正规半日浅海潮流，设计流速为1.8 m/s。

1.4 工程地质

按地基土的岩性特征等，取水平台位置的土层自上而下分述如下[3]：①1素填土、③6角砾、⑤2强风化凝灰岩、⑤3中等风化凝灰岩。典型的地质剖面图见图1。

图1 典型地质剖面图Fig.1 Typical geological cross-section drawn

2 结构方案

2.1 对建设条件的分析

大、小鱼山地处舟山群岛中西部、杭州湾东侧海域，工程区H1%波高仅为3.78 m。工程区波浪周期总体不大，平均基本都在4 s以下，出现频率占91%，实测最大波周期5.3 s，出现在ENE向，未出现6 s以上的波浪。总体而言，风浪流条件对本工程的建设是较为有利的。

工程区域覆盖层平均厚度较小，且分布不均匀，岩面起伏变化较大，大部分区域表层为素填土，其下为角砾，再下即为岩基，部分区域岩基基本出露，这对嵌岩桩钢套管的稳桩、施打，嵌岩桩的成孔等均较为不利。

2.2 对使用要求的分析

根据总体设计要求，平台应满足全天候取水要求。水泵生产厂家起初提出平台不能有位移，但海上平台没有位移是不可能的。最终确定平台面使用期的水平位移不得超过20 mm，生产厂家也依据该条件调整水泵的设计参数。

由于厂区功能的需求，水泵需每天24 h运行，年中无休，只有在后方厂区设备大修时，水泵才有可能停运。这就意味着，在台风、寒潮等极端天气下，水泵也要能正常使用，也就是平台的水平位移在任何工况下都不得超过20 mm。

对于常规的码头，在正常使用条件下，位移控制在20 mm左右，在台风、寒潮等极端天气下，位移一般允许放宽至40 mm左右。但对于采用高桩墩式结构的海水取水平台，在任何工况下位移都不得超过20 mm，要求是很高的。

2.3 结构选型

2.3.1 对地质条件的适应性

根据勘察资料显示，⑤2强风化凝灰岩、⑤3中等风化凝灰岩均有分布，虽分布不均匀，岩面起伏变化较大，但可作为取水平台的桩基础持力层或重力式结构的基础。根据类似地质条件下设计施工的经验，较适宜选用桩基结构。

2.3.2 施工可行性

取水平台位置比较贴岸，距离临时大件码头较近，如采用重力式结构，基槽开挖会影响已有建筑物，难度较大；如采用高桩式结构，需采用嵌岩桩，部分区域需采用抛石稳桩，施工工艺较繁琐，但近年来，嵌岩桩的施工工艺已日趋成熟，随着施工设备的发展，施工质量和速度在不断地提高。

2.3.3 结构的耐久性

重力式结构耐久性好，建成后的使用期基本不需要维护。桩基结构使用期维护量较大，但采取有效防腐措施后，能满足使用年限要求。

2.3.4 对使用要求的适应性

重力式结构抗水平荷载能力强，较易满足使用期水平位移不得超过20 mm的要求，但阻流效果明显，对水流及原有地形的影响均较大，可能会影响取水功能。桩基结构虽然相对抗水平能力略差，但透空性较好，对水流及原有地形的影响均较小，通过结构设计，也能满足使用要求。

综合上述各方面的分析比较，取水平台水工结构采用高桩墩式。

2.4 平台顶标高的确定

取水平台顶面标高的确定，对于使用要求的满足，是一个比较重要的因素。取水平台顶面标高的计算没有相应的规范依据，参考JTS 165—2013《海港总体设计规范》的码头顶面标高计算方法[4]。顶标高定的过低，受波浪水流作用大，使用期的位移会较大，定的过高，和陆域的衔接也会比较困难。

1）按受力标准控制的码头前沿顶高程

根据取水平台区的水文资料，顶面高程按受力标准控制的计算公式：

式中：E为码头面高程，m；E0为上部结构受力计算的下缘高程，m；DWL为设计高水位，为2.34 m；η为设计高水位时重现期50 a一遇H1%（波列累积频率为1%的波高）静水面以上的波峰面高度，m，取2.45 m；h0为水面以上波峰面高出上部结构底面的高度，当波峰面低于上部结构底面时为0；h为码头上部结构高度，取2.5 m；ΔF为波峰面以上至码头上结构底面的富裕高度，m，取0 m；

按式（1）、式（2）计算，取水平台顶面标高为7.29 m。因此，分别按取水平台顶面标高7.5 m、7 m、6.5 m、6 m进行结构计算，计算结果见表2。

表2 取水平台各顶面高程计算结果Table 2 Elevation calculation results of each top surface of water intake platform

由表2可知，取水平台顶面标高取7.0 m时，综合结果较为理想。此标高下，即使是50 a一遇高潮位（3.52 m）情况下，波峰面高度在6.1 m左右，取水平台也不会上水，水泵能正常使用。

2）上水标准控制计算公式

码头面高程按上水标准的复核标准予以复核，其计算公式如下：

式中：EWL为极端高水位，为3.52 m；ΔW取为5 a重现期H4%对应的波峰面高度为1.61 m。则码头面顶高程应为3.52 m+1.61 m=5.13 m。

根据上述按平台受力标准计算、上水标准复核，综合考虑后，取水平台顶面标高取7 m。

2.5 桩基选型

根据工艺布置及使用要求，海水取水泵站的平台尺度为70 m×45 m。平台后方通过1座引桥与后方厂区相接，引桥主要为使用期检维修车辆使用，引桥尺度为29.02 m×6 m，与后方厂区道路相接。

为减少使用期的平台位移，增加刚度，上部结构采用现浇混凝土墩台。墩台厚2.5 m，墩台平台上布置有海水取水泵、管道支架、起重机轨道支座等设备基础。平台主要荷载为波浪荷载和水泵荷载。单台水泵的荷载：垂直荷载为2 000 kN，水平荷载为900 kN，弯矩为7 900 kN·m。根据地质条件，桩基需采用嵌岩桩，分别对斜桩嵌岩和全直桩嵌岩进行方案比选。

1）结构方案一

取水泵站平台采用高桩墩台结构，基桩采用φ1 800 mm嵌岩桩，见图2。为有效控制平台使用期位移，考虑主要采用斜桩嵌岩的方案，水泵处因需水下固定泵管，水泵两侧考虑直桩嵌岩。

图2 结构方案一断面图Fig.2 Section diagram of structure scheme 1

2）结构方案二

取水泵站平台基桩采用全直桩嵌岩桩，采用φ2 000 mm嵌岩桩，见图3。

图3 结构方案二断面图Fig.3 Section diagram of structure scheme 2

方案一及方案二计算结果见表3。

表3 结构方案计算结果Table 3 Calculation results of structural scheme

两个方案计算理论、施工工艺均较为成熟，方案安全可靠。直桩嵌岩施工相对较容易，施工速度较快，但在费用基本相同情况下，结构方案一水平位移小于结构方案二，结构安全风险较小，且随着施工机械的改进，斜桩嵌岩施工工艺近年来发展较快，施工速度大大提高，故选择斜桩嵌岩方案。

2.6 水泵的固定

水泵的底座通过预埋螺栓和平台连接。为防止水流、波浪对水泵吸水管的冲击，在水泵吸水管外设置防波桶，如图4所示，防波桶底标高约为-9 m，防波桶四周的桩基采用直桩，在桩周间隔2 m设置一道钢抱箍，通过钢连杆和防波桶相连，以达到固定防波桶的目的[5]。

图4 防波桶固定示意图Fig.4 Fixing diagram of wave proof barrel

3 施工

3.1 大体积混凝土

海水取水泵站平台尺度为70 m×45 m，厚2.5 m，属于大体积混凝土，施工期容易产生温度裂缝，影响结构的耐久性，甚至于结构的安全性。

大体积混凝土原材料的选用应满足JTS 202-1—2010《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》的相关规定[6]。配合比应满足设计与施工要求，并应按照绝热温升低、抗裂性能良好的原则通过优化确定。大体积混凝土宜分层、分块浇筑，并合理设置施工缝。

近年来，一些大型原油码头、LNG码头的工作平台也有类似的尺度，均成功建成。说明这个尺度的大体积混凝土施工质量是有保证的。

3.2 斜桩嵌岩

钻进成孔工艺是斜嵌岩桩施工最重要的一环。由于工程处部分区域角砾层、强风化层较厚，为了防止钢套管卷边，钢套管一般只能进入角砾层、强风化层1 m左右，造成无钢套管嵌岩段长度较长[7]。

目前在超长斜嵌岩桩钻进成孔工艺中采用回旋钻机施工效果更佳，但是在回旋钻机施工过程中，钻具的自重将造成钻具下垂弯曲，钻头的导向性和钻头的轴线会产生较大的偏差，使得钻头斜率与钢套管斜率无法保持一致，易发生钻具连接螺纹折断和断钻杆的事故，影响成孔质量，现有的钻进成孔工艺无法满足施工的要求。

本工程采用导孔法解决这一问题，基本原理就是在钻头钻进时给予钻杆导向和限位，具体做法为[8-10]：斜嵌岩桩有钢套管的部分钻进工艺为常规的反循环回旋钻进工艺，保证钻机斜率与钢套管斜率一致，钢套管的限位和护壁作用下该部分钻孔可较为顺利地进行。无钢套管嵌岩段要先钻直径1 000 mm的导向孔，导向孔钻好后进行嵌岩段1 600 mm孔的钻进。为减少钻头偏移量，嵌岩段分2次施工，第1次钻10 m，剩余长度第2次钻进完成。

此外直径1.6 m的桩孔分大小孔钻进，在钻机同等功率的情况下，还可以增加钻头对岩体压强，提高钻进效率，减少工期，钻进速度约为0.3 m/h，嵌岩桩一般3 d即可成孔。