橋東油田青東5塊區(qū)透空式箱涵進(jìn)海路斷面物理模型試驗(yàn)

李貴陽, 陳德春*, 廖紹華

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京210098;2.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,山東東營257000)

橋東油田青東5塊區(qū)透空式箱涵進(jìn)海路斷面物理模型試驗(yàn)

李貴陽1, 陳德春*1, 廖紹華2

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京210098;2.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,山東東營257000)

在研究透空式箱涵進(jìn)海路穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,修改上部結(jié)構(gòu)以滿足其穩(wěn)定性。分析箱涵的透浪性能,并通過箱涵波壓力測力試驗(yàn),得到控制水位下箱涵所受的最大波壓力以及各測力點(diǎn)隨水位變化的折線圖,箱涵波壓力的分布規(guī)律。論證透空式箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)透浪性能及箱涵受力特點(diǎn),確定合理的透空堤結(jié)構(gòu)形式。

透空箱涵;進(jìn)海路;物模試驗(yàn);透浪系數(shù)

大陸岸線灘海地區(qū)分布著豐富的石油資源,在該地區(qū)建設(shè)進(jìn)海路,連接海上人工島已成為海上油田開發(fā)新模式[1]。進(jìn)海路結(jié)構(gòu)型式分為實(shí)體式和透空式。實(shí)體式結(jié)構(gòu)有拋石路堤、鋼筋混凝土板樁組合裝配式路堤、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁與板樁組合式路堤等;透空式結(jié)構(gòu)有箱涵、圓筒、棧橋式路堤等[2]。

透空式進(jìn)海路是較新穎的結(jié)構(gòu)型式,與實(shí)體進(jìn)海路相比,透空式有利于內(nèi)外水體交換及抵抗冰荷載、減少泥沙淤積、有利于環(huán)保[3-4]。

文中采用波浪斷面物理模型試驗(yàn),研究橋東油田青東5塊區(qū)透空式箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、箱涵透浪效果以及波壓力對箱涵的影響,確定透空式箱涵進(jìn)海路合理斷面結(jié)構(gòu)。

1 進(jìn)海路設(shè)計(jì)斷面方案

橋東油田青東5塊區(qū)位于萊州灣西近岸海區(qū)(見圖1),通過新建灘涂道路、進(jìn)海路和灘海陸岸平臺的方法實(shí)行海油陸采,灘涂道路到灘海陸岸平臺總長約4.97 km,其中透空式箱涵進(jìn)海路長2.54 km(見圖2)[5-6]。

圖1 橋東油田青東5塊新區(qū)工程位置Fig.1 Project location of the Qiaodong oil field in Qiaodong 5 block area

圖2 橋東油田青東5塊區(qū)進(jìn)海路平面布置Fig.2 Plane layout of the Qiaodong oil field in Qingdong 5 block area

進(jìn)海路走向?yàn)槲鞅敝翓|南向,海底高程▽-3.5 m,為減少進(jìn)海路對海洋環(huán)境的影響,采用全透空式箱涵結(jié)構(gòu)方案。為滿足結(jié)構(gòu)的自身的穩(wěn)定性及利用其透浪消浪效果,結(jié)合該地工程地質(zhì)水文資料,依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及相近工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn),擬得到如圖3和圖4所示的新建進(jìn)海路的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖3 透空式箱涵進(jìn)海路橫斷面Fig.3 Cross section of the perm eable box culvert sea access road

圖4 透空式箱涵進(jìn)海路縱斷面Fig.4 Longitudinal section of the permeable box culvert sea access road

由圖3和圖4可以看出,其主要結(jié)構(gòu)為:

1)采用碎石樁對表層軟土進(jìn)行地基處理,碎石樁直徑為0.5 m,樁長為10 m,中心間距為1.2 m;

2)在碎石樁上鋪土工格柵網(wǎng)一層、上拋填厚0.3 m的石渣墊層、再拋填10～100 kg拋石基床、拋石基床上放置C25鋼筋砼箱涵(鋼筋砼箱涵凈空尺寸為2m×2m,每個(gè)斷面由3節(jié)拼裝而成,單節(jié)長度為3.0 m,單塊質(zhì)量為20.7 t)、箱涵上部現(xiàn)澆厚20 cm的C15砼墊層、南北側(cè)管纜溝內(nèi)砌石、再在其上現(xiàn)澆厚10 cm的C15砼墊層及厚40 cm的C30砼路面;

3)兩側(cè)管纜溝結(jié)構(gòu)砼頂高程為▽3.30 m;

4)透空式斷面兩側(cè)護(hù)底采用厚80 cm的100～200 kg塊石,塊石面層安放一層,兩排合金裝石籠,北側(cè)護(hù)底頂面寬度為25m,南側(cè)護(hù)底頂面寬度為25m。

2 波浪斷面物理模型試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

由于萊州灣屬渤海海域,其潮汐主要受黃河口外和秦皇島以北外海半日潮旋轉(zhuǎn)潮波以及渤海海峽日潮旋轉(zhuǎn)潮波3個(gè)潮波系統(tǒng)的影響,NE-NEN向風(fēng)對該工程海域造成的影響最大。為確定透空式進(jìn)海路設(shè)計(jì)代表斷面尺度的合理性,需進(jìn)行波浪穩(wěn)定性試驗(yàn)及箱涵測力。

2.2 試驗(yàn)條件和方法

1)波浪斷面模型試驗(yàn)遵守交通部“波浪模型試驗(yàn)規(guī)程”JTJ/T234—2001[7-8]。

2)模型試驗(yàn)在90 m×1.5 m×1.0 m波浪水槽進(jìn)行,水槽一端安裝不規(guī)則生波機(jī)。

3)遵循物理模型相似理論,依重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)正態(tài)模型,模型比尺取1∶20。

4)人工塊體、箱涵采用水泥、黃沙、鐵砂混合澆鑄而成,偏差控制在±5%以內(nèi),幾何尺度偏差小于±1%。

5)建筑物護(hù)面單個(gè)塊體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)和局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn):①隨機(jī)安(拋)放的護(hù)面塊體(石)累積位移超過單個(gè)塊體的最大幾何尺度時(shí)即失穩(wěn);②單層鋪砌的護(hù)面塊體,其累積位移超過單個(gè)塊體的厚度時(shí)即失穩(wěn);③塊石護(hù)底的表面有明顯變形即失穩(wěn)。

6)規(guī)則波試驗(yàn)采用間斷造波法,不規(guī)則波采用Jonswap譜。

7)規(guī)則波設(shè)計(jì)波高:采用極限破碎波高,為水深的0.6倍,周期為8 s;不規(guī)則波波譜采用Jonswap譜,其表達(dá)式為

式中

式中:Hs為有效波高(m);Tp為譜峰值周期(s),取Tp=1.2～1.3ˉT;fp為譜峰值頻率(Hz);γ為譜峰值參數(shù),取3.3。

2.3 水位與波浪

透空堤規(guī)則波波要素見表1,不規(guī)則波波要素見表2。

表1 透空堤規(guī)則波波要素Tab.1 W ave elements of the regular waves

表2 透空堤不規(guī)則波波要素Tab.2 W ave elements of the irregular waves

規(guī)則波試驗(yàn)水位有8級(見表1)、不規(guī)則波試驗(yàn)水位有3級(見表2)、分別為:設(shè)計(jì)高水位1.73 m,25年一遇極端高水位3.22 m,極端高水位3.55 m。

2.4 透空式箱涵進(jìn)海路斷面試驗(yàn)

2.4.1 設(shè)計(jì)斷面穩(wěn)定性 透空式設(shè)計(jì)斷面規(guī)則波穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見表3。不規(guī)則穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 透空式設(shè)計(jì)斷面規(guī)則波穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Stability results of the rule waves for sections

表4 透空式設(shè)計(jì)斷面不規(guī)則波穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Stability results of the irregular waves for sections

由表3和表4可以看出,波浪作用下水位越高,對管溝、電纜溝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越不利,以平均高水位▽0.95 m為準(zhǔn),該水位基本與箱涵內(nèi)頂高程相同,在平均高水位▽0.95 m及以上水位時(shí),來自外海的波浪能直接或越堤后擊打管溝、電纜溝結(jié)構(gòu),以致失穩(wěn);堤頂40 cm厚路面結(jié)構(gòu)呈浮動狀。在平均高水位▽0.95 m以下水位時(shí)波擊箱涵,箱涵結(jié)構(gòu)能保持穩(wěn)定;護(hù)底塊石100～200 kg,10 t重合金塊石籠均能保持穩(wěn)定。

2.4.2 修改設(shè)計(jì)斷面及其穩(wěn)定性 為滿足堤頂路面及管溝穩(wěn)定,調(diào)整上部結(jié)構(gòu)尺度:

1)堤頂路面增加厚度到50 cm;

2)電纜溝與管溝兩側(cè)增加0.5 m×0.7 m混凝土方塊,提高其質(zhì)量,且與箱涵連接。

試驗(yàn)表明:由于對管溝、電纜溝增大尺度,增加其質(zhì)量,且與下部砼層相連接,在平均高水位▽0.95 m及以上水位,規(guī)則波、不規(guī)則波與各級水位組合作用下,管溝、電纜溝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;由于對路面結(jié)構(gòu)增大尺度10 cm,增加其質(zhì)量,則路面結(jié)構(gòu)(50 cm)穩(wěn)定。

2.5 透空式箱涵進(jìn)海路透浪性

試驗(yàn)中用浪高儀測得箱涵后1 m及3 m處的堤后波高,比較得出在各水位及波要素組合下,堤后3 m處的波高稍大于堤后1 m處的波高。依照已有透空式防波堤研究成果,取透浪系數(shù)KT(堤后最大透浪波高與堤前極限波高H極的比值)研究規(guī)則波下各水位的透浪效果(見表5)。

表5 透空式設(shè)計(jì)斷面規(guī)則波透浪性試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 W ave-transm ission features results of the rule waves

因堤頂高程為▽0.95 m,試驗(yàn)中在平均高水位▽0.95 m及以上水位時(shí),堤后波浪由堤頂越浪及竄過箱涵的波浪合成,在平均高水位以下的試驗(yàn)水位作用下無越浪,堤后波浪浪高只由竄過箱涵的波浪控制。透浪系數(shù)在水位▽2.50 m時(shí)達(dá)到極大值,此后隨水位下降而減小,且在設(shè)計(jì)高水位以上水位時(shí)透浪系數(shù)都能大于0.5。由此說明在高水位情況下堤身箱涵能參與透浪作用,減小波浪對堤身上部結(jié)構(gòu)的沖擊力,有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2.6 透空堤修改設(shè)計(jì)斷面波浪測力試驗(yàn)

采用最不利波向最大波要素進(jìn)行試驗(yàn),研究透空堤箱涵斷面結(jié)構(gòu)受力情況,圖5為箱涵波壓力測點(diǎn)位置及編號示意。圖5中,沿透空堤堤身3節(jié)箱涵共布置24個(gè)點(diǎn)壓強(qiáng)傳感器,其中測點(diǎn)1～6測箱涵頂面波壓力;測點(diǎn)7～12測箱涵底面波壓力;測點(diǎn)13～18測箱涵左側(cè)面波壓力;測點(diǎn)19～24測箱涵右側(cè)波壓力。

圖5 箱涵波壓力測點(diǎn)位置及編號示意Fig.5 Diagram of the pressuremeasuring point locations of the box culvert waves and the serial numbers

在各級水位與波浪組合作用下,測量箱涵各傳

感器測點(diǎn)承受的波壓力,進(jìn)而繪出如圖6所示的各組合形式下各測點(diǎn)的波壓力分布包絡(luò)圖以及橫斷面最大波壓力圖。

圖6 水位3.55 m規(guī)則波作用下各測點(diǎn)波壓力分布包絡(luò)圖以及橫斷面波壓力最大值Fig.6 Pressure distribution envelope diagram of each pressuremeasuring points(kN)and themaximum pressure of the cross section under the actions of regular waves in 3.55 m water level

圖6中取最高水位(極端高水位3.55 m)時(shí)規(guī)則波的波壓力為例進(jìn)行分析。由圖6可以看出,靠近迎浪面的測點(diǎn)(1,7,13,19)斷面的波壓力值多大于其他斷面的波壓力值,因此,箱涵式透空堤結(jié)構(gòu)承受的波壓力可由此斷面波壓力所決定(其它水位同該水位類似)。從各測點(diǎn)中取出在每一級水位下的波壓力最大值,得到圖7所示的各測點(diǎn)隨水位變化的最大波壓力曲線。

由圖7可以看出,在同一級水位受規(guī)則波影響下,箱涵上下左右測點(diǎn)的最大波壓力值相差不大。平均高潮位0.95 m下波壓力在各側(cè)面都達(dá)到了極大值,此水位剛好與箱涵內(nèi)頂高程(1.00 m)相等,且極限波高較大(2.67 m),箱涵受力達(dá)到極值;設(shè)計(jì)高水位1.73 m及以上水位時(shí)雖然極限波高不斷增大,但因波浪主要受力點(diǎn)在箱涵以上的上部結(jié)構(gòu)處且不斷上移,所以隨水位和波浪的極限波高增大箱涵的受力變化并不明顯。而在0.00 m水位以下,雖波浪主要作用在箱涵上,但因極限波高減小、波能消弱明顯以及箱涵透浪,壓力相比減小。

圖7 各測點(diǎn)隨水位變化在極限波高下的最大波壓力值Fig.7 M aximum wave pressure values w ith the change of the water level of each m easuring points in the lim iting wave height

3 結(jié) 語

采用物理模型試驗(yàn),研究了橋東油田青東5塊區(qū)透空式箱涵進(jìn)海路斷面穩(wěn)定性,透浪性能及箱涵受力,得到以下結(jié)論:

1)在原設(shè)計(jì)斷面,平均高水位及以上水位波浪作用下堤頂路面及管溝失穩(wěn)。修改斷面保持護(hù)底塊石100～200 kg,10 t重合金塊石籠;在電纜溝與管溝兩側(cè)增加0.5m×0.7 m混凝土方塊,且與箱涵連接;將道路厚度從40 cm加厚到50 cm以及預(yù)留排水,則滿足透空堤斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2)堤身箱涵透浪有利于斷面穩(wěn)定;設(shè)計(jì)高水位1.73 m及以上水位透浪效果較好,透浪系數(shù)能達(dá)到0.5以上,水位▽2.50 m時(shí)達(dá)到最大值0.59。

3)箱涵受力特征,迎浪面測點(diǎn)波壓力值最大;箱涵各面在平均高水位時(shí)達(dá)到極大值,且在相同水位極限波要素作用下所受最大波壓力值相近,最大波壓力值約40 kN。

文中研究的透空結(jié)構(gòu),若調(diào)整箱涵尺度,可改變透浪量和過流量,適合于沿海不同工程目標(biāo)建設(shè)借鑒。

[1]李堅(jiān).透空式進(jìn)海路平面布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2012.

[2]徐喜林.灘海陸采油田進(jìn)海路工程的特點(diǎn)與應(yīng)用前景[J].石油工程建設(shè),2013(8):22-26.

XU Xilin.The characteristics and application prospect of beach sea oil field road engineering[J].Petroleum Engineering Construction,2013(8):22-26.(in Chinese)

[3]黃蕙,馬舒文.涵洞式直立堤透浪特性研究[J].水運(yùn)工程,2013(12):25-29.

HUANG Hui,MA Shuwen.Wav transmission coefficients of verticalbreakwaterwith culverts[J].Portand Waterway Engineering, 2013(12):25-29.(in Chinese)

[4]黃蕙,王禹.不規(guī)則波作用下涵洞式直立堤涵洞頂部上托力壓強(qiáng)值研究[J].水運(yùn)工程,2012(11):47-51.

HUANG Hui,WANG Yu.Wave uplift pressure intensity on top of culvert of vertical breakwater with culvert under action of irregular wave[J].Port and Waterway Engineering,2012(11):47-51.(in Chinese)

[5]陳德春.橋東橋東油田青東5塊新區(qū)產(chǎn)能建設(shè)地面工程路島斷面物模試驗(yàn)報(bào)告[R].南京:河海大學(xué),2011.

[6]陳兆虎,陳德春.青東人工島防波堤斷面的穩(wěn)定性[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,12(4):458-464.

CHEN Zhaohu,CHEN Dechun.Section stability comprehensive research of Qingdong artificial breakwater[J].Journalof Jiangnan University:Natural Science,2013,12(4):458-464.(in Chinese)

[7]中華人民共和國交通部.JTJ213-98海港水文規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1998.

[8]中華人民共和國交通部.JTJ/234-2004波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2002.

(責(zé)任編輯:邢寶妹)

Sectional M odel Test Research of the Perm eable Box Cu lvert Sea Access Road for the Qiaodong Oil Field in Qingdong 5 Block Area

LIGuiyang1, CHEN Dechun*1, LIAO Shaohua2
(1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Shengli Oil Shengli Prospecting and Design Research Institute Co.Ltd,Dongying 257000,China)

Based on the study of the stability of the permeable box culvert sea access road,we canmeet the stability by modifing the upper structure.We analyse the wave transmission properties of box culvert,and test the pressure force of the box culvertwave.By doing these,we obtain themaximum wave pressure,and the broken line graphs which shows the trendency of eachmeasuring point changing with the water level and the pressure distribution of the box culvert. Finally,we demonstrate the performance of the wave transmission properties and the forced characteristic of the permeable box culvert sea access road,then determine a reasonable structure of the permeable breakwater.

permeable box culvert,sea access road,physicalmodel test,wave transm ission coefficient

U 656.31

A

1671-7147(2015)03-0344-06

2014-11-05;

2014-12-10。

李貴陽(1991—),男,湖南邵陽人,港口海岸及近海工程專業(yè)碩士研究生。

*通信作者:陳德春(1954—),男,江蘇南京人,副教授,碩士生導(dǎo)師。主要從事港口海岸及近海工程研究。

Email:njxx146204@163.com