新型人工島護坡抗冰結構的系統(tǒng)設計與應用＊

劉喜傳

（中國海洋石油總公司）

0 引言

渤海灣冬季溫度低，海冰厚度超過0.6 m，結冰期長達一個月以上，為強結冰海域。由于大型冰塊受到環(huán)境的驅動沖擊人工島護坡，現(xiàn)有的護坡抗冰結構很難滿足特殊環(huán)境的要求，護岸破壞嚴重，惡劣的情況下會出現(xiàn)崩堤和爬坡，危及油田工程和人身的安全。盡管常用的拋石結構具有很好的抗冰效果，但其用量大，經(jīng)濟性不合理，因此筆者根據(jù)渤海灣的環(huán)境特點提出了一種新型人工島抗冰結構，即傘型塊體。與我國常用的扭工塊體、四腳空心塊、四腳錐體等相比［1－3］，傘型塊體具有如下幾方面的優(yōu)點：①專門為消冰力、斷冰設計，效果好；②形狀尺寸合理，且連接部位既厚又粗，不易斷裂，相鄰塊體之間彼此嵌固，護面穩(wěn)定性好；③這種新型塊體只放一層，混凝土用量少。在冰力沖擊相同的情況下，它與扭工塊體護面相比，其混凝土量可節(jié)省40%，經(jīng)濟性好。本文主要介紹這種新型抗冰塊體結構的系統(tǒng)設計與試驗安裝。

1 新型人工島護坡抗冰結構系統(tǒng)設計

1.1 塊體參數(shù)的確定

圖1為新型人工島護坡抗冰結構塊體參數(shù)計算圖。根據(jù)設計的基本原理，人工島護坡塊體參數(shù)可按公式（1）進行計算

式（1）中：h為人工島護坡的總高度；h（1）～h（n）為護坡分成n段后每段的高度，其值大小與坡角α和傾角b有關；坡角α根據(jù)文獻［3］進行選?。粌A角b根據(jù)水位深度的不同選取。

圖1 新型人工島護坡抗冰結構塊體參數(shù)計算圖

圖2為新型人工島護坡抗冰結構塊體三維效果圖和結構示意圖。H為工作面上的邊，直接接觸冰塊，也是重要的一條邊，取值正確與否直接影響護面整體形狀和抗冰效果。參考國內外同類型異性塊體設計，經(jīng)過反復試驗得到一般情況下水深、塊體傾角b和工作面邊長H的關系：水深在15～20 m時，b取值為2～4°，H在2 m左右；水深在10～15 m時，b取值為4～7°，H 在1.5～2 m；水深在5～10 m時，b取值為7～10°，H 在1～1.5 m；水深在5 m以下時，b取值為10～11°，最大不超過12°，H 在1 m左右。以上取值僅為參考值，H值大小需要根據(jù)新型塊體具體的長寬不同而變化，應根據(jù)具體情況進行具體分析。

圖2 新型人工島護坡抗冰結構塊體三維效果圖和結構示意圖

新型抗冰結構塊體的邊分上下兩邊，兩邊不在同一水平面上；兩邊中間有一直通孔，l為新型塊體互相連接的邊，此邊長應根據(jù)計算和經(jīng)驗得出，一般取2/5 H；R為新型塊體的工作面上的長邊，此邊一般情況下取值為1.5 H。

新型抗冰結構塊體的體積V分別為

1.2 塊體結構形狀設計

基于砂石人工島的結構和直立式防波堤結構，新型抗冰結構的形狀設計為傘型，整個人工島護坡抗冰結構由n個新型塊體組成，護面有坡角α和傾角b兩個角度參數(shù)。由于新型抗冰結構塊體上下兩邊有b的角度差，如果有n塊新型塊體互相這樣連接，則最底部的塊體的邊與最頂部的塊體的邊之間的傾角為nb。我們將新型抗冰結構的形狀設計為傘型，其目的是使nb最大為90°，根據(jù)設計需要可適當放大5°，這樣可使冰板在護面上不斷上爬和斷裂，并不斷墜入海中，從而使得冰塊不能上爬到地面工作區(qū)，保護了工作人員的安全。

1.3 抗冰過程模擬

圖3為新型拉冰結構的抗冰過程模擬圖。抗冰過程共分6步：其中圖3a、b為護面結構抗冰初接觸的過程，圖3c、d為護面結構抗冰爬坡接觸和冰塊斷裂的過程，圖3e、f為護面結構抗冰傾覆接觸的過程。在圖3a、b的模擬過程中，冰塊剛接觸結構，由于坡角α和環(huán)境驅動力的關系，冰板在結構上產(chǎn)生爬坡；在圖3c、d的模擬過程中，冰板已經(jīng)上爬到了一定高度，由于新型塊體上下邊之間有角度差以及坡角α的關系，冰塊發(fā)生斷裂，在后繼冰的推動下，斷裂后的冰塊繼續(xù)上爬；在圖3e、f的模擬過程中，斷裂后的冰塊繼續(xù)上爬，此時作用于斷裂冰塊上的力有其自身的重力、接觸結構的摩擦力以及后繼冰的驅動力，如果坡角α以及傾角b的值設計合理，冰板上爬到一定程度的時候，斷裂冰塊自身的重量和摩擦力的合力大于后繼冰的驅動力，大的冰塊發(fā)生傾覆墜入海底，達到了保護人工島的作用。

圖3 新型人工島護坡抗冰結構抗冰過程摸擬

1.4 受力對比分析

圖4為新型人工島護坡與現(xiàn)有的砂石人工島護坡抗冰結構受力對比圖。圖4中，新型人工島護坡抗冰結構塊體的受力只存在于點A、B，冰塊與護面的接觸面積小，摩擦力分別為fA和fB，且fA和fB的方向不在同一條直線上，摩擦力??；而砂石人工島護坡抗冰結構中，冰塊與護面塊體接觸面為整個接觸面積，接觸面積大，摩擦力大，且冰塊易進入生活和工作區(qū)域?？梢?，新型人工島護坡抗冰結構在抗冰受力和斷裂冰塊上優(yōu)于現(xiàn)有的砂石人工島護面結構。

圖4 新型人工島護坡與現(xiàn)有的砂石人工島護坡抗冰受力對比圖

2 安裝工藝與應用效果

2.1 安裝工藝

傘型塊體預制質量很大程度上取決于模板工藝，其模板一般設計為單層定型鋼模，分上下兩塊，上下連接縫內夾1 cm的橡膠條，防止漏漿。

傘型塊體安裝工藝一般分為陸上安裝和水上安裝2種，可根據(jù)現(xiàn)場施工條件（主要是海況）選擇施工設備。對于水上安裝傘型塊體，首先要根據(jù)單個塊體的重量及傘型塊體護岸的最大水平距離合理選用施工機械（工程中一般長邊為6.3 m的塊體安裝選用1500 k N履帶吊機，長邊為0.8 m可選用650 k N履帶吊機），同時根據(jù)具體情況合理選用起重船；其次要確定安裝吊機在每區(qū)安裝作業(yè)時的中心坐標，并在現(xiàn)場做好樁號，安裝前應模擬安裝。對于陸上安裝傘型塊體，應根據(jù)上述選用施工機械的原則合理選用施工設備，安裝前也應模擬安裝。護坡的安裝順序必須從斜面坡腳處的第一排開始，并順著已安裝完的逐步向上推進安裝，而且第一排安放質量的好壞對后來的各排安裝塊體的安放質量影響很大。根據(jù)工程情況，在渤海灣進行了模型試驗安裝，結果表明：傘型塊體安放形態(tài)平整時消冰效果好，且安裝方便，因此要求相鄰兩塊傘型塊體安放形態(tài)相同，且相差距離不超過10 cm，盡量讓水面上的塊體的邊和底邊的角度差為45°左右。為達到上述效果，可采用如下幾種措施：①護坡的墊層應盡量平整，保證安裝相鄰傘型塊體的嵌固更牢固；②安裝時應盡可能使塊體之間粘結緊密，防止出現(xiàn)過大縫隙。

2.2 應用效果

新型人工島護坡抗冰結構在渤海灣墾東區(qū)塊某工程得到應用，經(jīng)過幾年的運行表明，采用這種傘形體結構組成的護坡均達到了很好的預期效果。

墾東某區(qū)塊面向海及整個進海路2邊人工島護坡共計2.8 km，均采用傘形體新型人工島護坡抗冰結構，其結構的整體性和穩(wěn)定性良好，抗冰能力效果明顯，斷面尺寸大，減少了外防護，且較大地提高了人工島和進海路的穩(wěn)定性，抗沖刷能力強，護坡多向變形能力強，與常規(guī)的拋石結構比較，降低了工程投資和維護成本，經(jīng)濟性明顯，直接效益300萬元，降低工程投資20%～30%。新型人工島護坡抗冰結構的成功應用，對于與渤海灣類似的大港、遼河等環(huán)渤海灘海油田的開發(fā)也具有重要的應用價值。

3 結束語

新型人工島護坡抗冰結構由單個塊體組成，單個塊體的坡角和傾角值大小直接影響整個護坡結構形狀和抗冰效果，設計時應綜合考慮。新型人工島護坡抗冰結構塊體是基于砂石人工島的結構形式和直立式防波堤結構設計而成的，模型試驗安裝結果表明這種結構在抗冰受力和斷裂冰塊上優(yōu)于現(xiàn)有的砂石人工島護坡結構，而且已在墾東區(qū)塊某工程應用實踐中得到了證實。建議下一步針對這種新型塊體結構開展抗波浪和海底海流沖刷的研究和分析，以擴大應用范圍。

［1］ANGILN C D，SCOTT R D，TURCKE D L.The development of structural design Criterin for Breakwater Armour unite［J］.Seminar Stresses in Concrete Armor Unite，1998，2（12）：11－14.

［2］ XIANZHI S.Study on ice static pressure on ice Cover in reservoir［M］.IAHRICE Symposium（1988）.

［3］ 海洋石油工程專業(yè)標準化技術委員會.SY/T4097－95灘海斜坡式砂石人工島結構設計與施工技術規(guī)范［S］.北京：石油工業(yè)出版社，1996.