粵東LNG項目碼頭工程總體規(guī)劃

陳春升，李姍，張先波

（1.中海油粵東液化天然氣有限責任公司，廣東 揭陽 515200；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

粵東地區(qū)(含汕頭市、潮州市、揭陽市、梅州市和汕尾市)以煤、油為主要能源，能源自給率低，主要依賴外省調(diào)入和從國外進口。以煤、油為主的能源結構，加之遠離能源供應地的現(xiàn)狀，阻礙了粵東地區(qū)社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，并給環(huán)保和交通運輸造成巨大壓力，因此該地區(qū)對天然氣的引進有著更加迫切的需要。中海石油氣電集團有限責任公司擬于該地區(qū)投資建設LNG接收站，引進國外LNG資源作為粵東的工業(yè)燃料和城市燃氣，以充分利用國際市場和LNG可供資源。

1 研究目的

粵東LNG項目位于粵東惠來縣神泉鎮(zhèn)以東溝疏村附近沿海。項目建設規(guī)模為：一期200萬t/a，二期規(guī)劃擴建到400萬t/a。根據(jù)國際LNG船隊現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢和整體規(guī)劃的要求，并計算分析泊位通過能力，確定碼頭工程建設規(guī)模為新建1個可靠泊艙容介于8萬～26.7萬m3的LNG船的接卸泊位，及1座3 000噸級重件碼頭(兼工作船碼頭）。

該區(qū)域天然水深較好，人工航道較短，碼頭地質(zhì)條件較好，但海區(qū)的風、浪較大，面向南海，涌浪較多，且有長周期波出現(xiàn)的可能性，因此為了綜合考慮工程整體布局的合理性，以及工程結構的穩(wěn)定性，同時研究各設計方案的工程施工難度以及合理控制工程預算，首先采用三維物理模型試驗對港口整體布局進行優(yōu)化，在此基礎上通過二維水槽試驗對結構物穩(wěn)定性進行研究，以期達到最優(yōu)的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。

2 碼頭工程總平面布置試驗研究

2.1 基礎資料

2.1.1 港口平面布局設計

根據(jù)當?shù)貙崪y波浪資料，SE向為常浪向和強浪向[2]，為有效掩護SE向波浪，減少對碼頭作業(yè)的影響，由接收站東南端頭向SSW向海域延伸建設1 254 m防波堤，再向西北偏轉建300 m南側防波堤以掩護S向浪，整個防波堤呈“L”形布置。

在防波堤內(nèi)側平行于防波堤布置LNG泊位，泊位由1個工作平臺，4個靠船墩和6個系纜墩組成。接岸引橋平行于防波堤布置，通過重件碼頭后方場地與接收站陸域連接，重件碼頭布置在LNG碼頭的北側與接收站陸域通過引堤相接。平面布置方案見圖1。

圖1 粵東LNG項目平面布置方案圖

2.1.2 試驗內(nèi)容

為了驗證總平面布置的合理性，確保船舶的正常作業(yè)，進行工程建成后2 a一遇波浪作用下港域內(nèi)泊穩(wěn)情況的試驗，以優(yōu)化防波堤布置方案，最終優(yōu)化方案確定后，在100 a一遇波浪作用下測定建筑物前波高，觀測碼頭上水及防波堤越浪情況，表1為試驗所對應的波要素組合工況。

表1 -13 m水深處波浪要素

整體模型試驗在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中進行，模型的幾何比尺為λ=100[3]，采用不規(guī)則波試驗方法，模擬的波浪頻譜為JONSWAP譜，其表達式為：

式中：H1/3為有效波高，m；Tp為譜峰值周期，s；fp為譜峰值頻率，Hz；f為譜頻率，Hz；γ為譜峰值參數(shù)，γ=3.3。

波譜模擬時，總能量偏差控制在±10%，有效波高的偏差控制在±5%，平均周期偏差也控制在±5%之內(nèi)。

在碼頭前半倍船寬處設置波高傳感器，同步測定各泊位測點位置的泊穩(wěn)波高，在波浪平穩(wěn)條件下，不規(guī)則波每次采集100個以上的波浪進行統(tǒng)計分析。每組試驗至少重復3次，取其平均值作為該組試驗的結果。

2.2 試驗結果

在建筑物全部建成，航道、港池開挖完畢，防波堤頂高程8.45 m，LNG碼頭工作平臺頂高程7.7 m，3 000噸級重件碼頭頂高程6.5 m情況下，分別對給定不同方向波浪組合進行泊穩(wěn)試驗[2]，LNG碼頭前泊穩(wěn)波高試驗結果見表2。

表2 LNG碼頭前泊穩(wěn)波高試驗結果

為使防波堤的走向?qū)ν夂２ɡ说淖钃踝饔酶貌⒔档凸こ淘靸r，對平面布置原方案防波堤走向及高程進行了調(diào)整，表3、表4分別為修改方案與原方案的不同之處及不同方案泊穩(wěn)波高試驗結果。

表3 修改方案與原方案

表4 不同方案泊穩(wěn)波高H1/10試驗結果

同原設計方案相比，由于防波堤主要掩護強浪向即SE向波浪，因此SW向浪作用下，防波堤的扭轉對外海波浪的阻擋作用影響不大，LNG碼頭未處在防波堤堤頭段的掩護下，但泊位波高仍較原方案略有改善，重件碼頭由重力式改為透空式結構，使得碼頭前反射減小。

SSW向浪作用下，由于防波堤順時針扭轉8°，對LNG碼頭的掩護效果略好，但由于防波堤堤頂高程由8.45 m降低為7.086～7.443 m，使得堤頭段越浪比原方案更加明顯，越過堤頂?shù)乃w產(chǎn)生的次生波與堤頭繞射波浪疊加，使LNG碼頭位置處波高有所增加。對于重件碼頭由于結構形式的變化，反射減小，波高值也相應減小。

S向浪作用下，300 m堤頭段主要是阻擋S向波浪，加之防波堤的扭轉，對LNG碼頭的掩護效果更好，碼頭前主要受堤頭繞射波浪影響，S向浪對于堤頭段為正向入射，作用強烈，而防波堤堤頂高程的降低，使得堤頭段越浪比原方案更加明顯，越過堤頂?shù)乃w產(chǎn)生的次生波與堤頭繞射波浪疊加，使LNG碼頭位置處波高較原方案有所增加，重件碼頭前波高由于透空式結構反射小，波高較原方案減小。

SE向浪作用下，LNG碼頭及重件碼頭均處在防波堤掩護下，但由于防波堤頂高程降低導致越浪明顯，越浪水體在堤后產(chǎn)生的次生波較大。LNG碼頭泊位處的波高與原方案時相當。

根據(jù)平面試驗結果可知，盡管頂高程降低后修改方案越浪量及其所產(chǎn)生的次生波高較原方案有所加強，但港內(nèi)波高仍滿足LNG碼頭的泊穩(wěn)要求，且降低了工程造價，修改方案更優(yōu)于原方案，確定修改方案為最終平面布置方案。確定港口整體布置形式后，為了確保水工結構的安全性，又進行了防波堤斷面模型試驗。

3 水工結構物穩(wěn)定性試驗研究

3.1 試驗斷面

根據(jù)總體平面布置優(yōu)化結果，對防波堤堤頭段及堤身段共3個斷面進行試驗。其中堤頭段為一個斷面，堤身段由于不同位置頂高程有所變化，取不同位置的斷面一和斷面二作為試驗斷面。

防波堤堤頭斷面不設防浪墻，斜坡護面坡度為1∶1.5，內(nèi)、外坡均采用24 t扭王字塊體護面。堤內(nèi)、外側塊石護底的設計厚度為1.7 m，寬度為20.0 m，采用1 500～2 000 kg塊石鋪設。

堤身斷面一堤頂設計標高為7.086 m，坡面及堤頂采用18 t扭王字塊體防護。堤內(nèi)側為戧臺式護面，戧臺頂標高為-2.0 m，戧臺上部護面坡度1∶1.5，扭王字塊體的重量18 t；戧臺下部護面坡度1∶2，護面塊石的重量為1 200～1 500 kg。內(nèi)、外側塊石護底均采用1 200～1 500 kg塊石鋪設。防波堤堤身段斷面一見圖2。

圖2 防波堤堤身段斷面一

堤身斷面二堤頂設計標高為6.783 m，頂寬為8.95 m。防波堤外側為斜坡式設計，坡度1∶1.5，坡面及堤頂采用14 t扭王字塊體護面。堤內(nèi)側為塊石棱體，棱體上部護面坡度1∶1.5，扭王字塊體的重量14 t；棱體下部護面坡度1∶2，棱體塊石的重量為1 000～1 200 kg。內(nèi)、外側塊石護底坡度1∶2，均采用1 000～1 200 kg塊石鋪設。

3.2 試驗條件

根據(jù)試驗要求分別對不同試驗斷面在不同水位、設計波要素組合條件下進行試驗。

通過試驗確定堤頭段、堤身段防波堤斷面合理的頂高程，并測定其越浪水舌厚度，波浪爬高以及堤后不同位置處的波高；驗證防波堤斷面各部位的穩(wěn)定性；根據(jù)試驗結果提出防波堤斷面優(yōu)化建議。

斷面波浪物理模型試驗是在長、寬、高分別為68.0 m、1.0 m、1.6 m無反射造波機波浪水槽中進行的，為了與整體模型試驗相一致，斷面模型試驗不規(guī)則波的頻譜亦采用JONSWAP譜，根據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》的要求，防波堤模型選用的幾何比尺為1∶37，一次波浪采集數(shù)據(jù)控制在200～300個波。

3.3 試驗結果

根據(jù)整體布置及穩(wěn)定性的需要，分別進行了穩(wěn)定性試驗，以及測定了各斷面堤頂前端及后端的最大越浪水舌厚度以及堤后不同位置處的再生波高[4-5]。根據(jù)試驗結果，堤身斷面一由于在低水位時越浪水體濺落在堤后的堆石棱體上，使棱體塊石大量滾落，以致堤后扭王字塊體失穩(wěn)，據(jù)此對原斷面進行修改，堆石棱體頂高程由-2.0 m降至-5.0 m，其他各部位不變。堤頭斷面、堤身斷面一及修改方案、堤身斷面二試驗結果見表5。

表5 防波堤斷面試驗波浪要素組次及結果

4 結語

經(jīng)濟合理的港口整體布置，安全可靠的水工結構，是港口建設的關鍵。在工程項目規(guī)劃期間，采用正確的模型試驗手段，可以科學地論證港口整體布置合理性，并優(yōu)化總體布置方案，確定經(jīng)濟合理的整體布置形式。同時通過水工結構試驗對結構設計的合理性進行驗證，以保證工程的安全穩(wěn)定。

通過整體試驗，對原港口整體布置方案進行了修改，試驗結果表明整體布置修改方案不僅滿足碼頭泊穩(wěn)條件，而且降低了堤頂高程，減少了工程造價，所以更為經(jīng)濟合理；通過斷面試驗，對堤身斷面一進行了修改，試驗結果證明，堤頭斷面、堤身斷面一修改方案、堤身斷面二各部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗結果為港口平面布置及水工建筑物的設計提供了科學的依據(jù)。

[1]陳長泰.祥芝漁港擋浪墻頂高程與港內(nèi)泊穩(wěn)條件的研究[J].水運工程，2007（5）:43-45.

[2]張先波.粵東LNG一體化項目碼頭工程整體波浪物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.

[3]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S].

[4]李玉成，滕斌.波浪對海上建筑物的作用[M].北京.海洋出版社，2002.

[5]曲淑媛，李姍.粵東LNG一體化項目碼頭工程防波堤斷面波浪物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.