深圳LNG碼頭應(yīng)急調(diào)峰站取水口設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)分析

江偉 謝華娟

摘? 要：本文依托深圳LNG接收站取水口工程，根據(jù)該工程取水口布置方案，重點(diǎn)分析取水口在設(shè)計以及施工過程中的難點(diǎn)并給出解決方案。同時利用國際通用有限元軟件對取水口構(gòu)件從預(yù)制、出運(yùn)、使用到檢修階段各種工況下的內(nèi)力進(jìn)行計算，取得了較好效果，可為同類工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：取水口 設(shè)計 施工

LNG接收站取水口是為液化天然氣供應(yīng)升溫氣化海水結(jié)構(gòu)設(shè)施的重要組成部分，為保證取水口在低潮位時水源依舊能夠進(jìn)入，取水口的高程確定應(yīng)在當(dāng)?shù)刈畹偷统蔽灰韵轮辽?～3 m，因此取水口一般選在海水水深較深、海水流動性好的開敞區(qū)域。深圳LNG碼頭應(yīng)急調(diào)峰站陸域由填海形成，取水口結(jié)構(gòu)采用與護(hù)岸同步施工方案，由于取水口構(gòu)件自重大、外海風(fēng)浪條件較為惡劣等因素，使工程設(shè)計及施工均面臨著較大困難。因此如何安全、有效地對取水口主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工成為了關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合該工程重點(diǎn)分析取水口在設(shè)計以及施工過程中的難點(diǎn)并給出解決方案，希望能為類似工程提供參考。

1.取水口平面布置

取水口由過濾涵、泵房前池及泵房基礎(chǔ)三部分組成。取水口平面尺度為58m×29.2m，均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。過濾涵平面尺寸為19.2m×27m，每條流道凈寬為3.4m。前池進(jìn)水端寬19.2m，與泵房基礎(chǔ)連接端寬29.2m，前池單側(cè)擴(kuò)散角為20?。泵房基礎(chǔ)平面尺寸29.2m×17m。平面布置詳見圖1、圖2。

（1）過濾涵引水段。引水段按照應(yīng)急調(diào)峰站最終規(guī)模需要的海水量一次建成，進(jìn)水口按最終水量53400m3/h進(jìn)行設(shè)計。4個引水流道并列布置，每個引水流道可通過流量13350m3/h，其底部進(jìn)水口斷面尺寸為2.50m×3.40m （高×寬），另外當(dāng)有一條引水流道檢修或發(fā)生故障時，剩余3個進(jìn)水口負(fù)擔(dān)整個流量。進(jìn)水口頂高程根據(jù)外海波浪情況確定為-4.70m，底高程為-7.20m。引水段底高程為-8.2m。

（2）前池。前池布置在清污設(shè)備與泵室之間，根據(jù)《火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流道及其布置設(shè)計技術(shù)規(guī)定》確定前池尺寸，前池長度為14m，前池擴(kuò)散角為20?。不會產(chǎn)生旋渦，水流順暢、流速均勻。前池在多泵運(yùn)行條件下只起調(diào)節(jié)水流，減小水位波動的作用。前池底高程為-9.2m。

（3）泵室。本工程泵組較多，遠(yuǎn)期工程要延長到若干年后才能實(shí)施。在前池之后設(shè)置7個泵室。泵室沿水流方向的長度為17.0m，泵室寬度按海水泵要求為3.20m，泵室底高程為-8.2m。

2.設(shè)計難點(diǎn)與解決方案

2.1取水口與護(hù)岸同步施工，國內(nèi)尚屬首次

本工程陸域由填海形成，取水口位于陸域西側(cè)，原泥面高程約-10m。根據(jù)本工程地質(zhì)情況，護(hù)岸采用拋填堤心石的斜坡式結(jié)構(gòu)，若取水口結(jié)構(gòu)通過應(yīng)急調(diào)峰站成陸后采用沉井或地連墻形成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開挖干地施工方案，一方面工程成本將大大增加，另一方面工期將延長。

解決方案：為了解決工期和成本問題，取水口結(jié)構(gòu)采用與護(hù)岸同步施工方案。過濾涵及泵房基礎(chǔ)利用施工單位現(xiàn)成的預(yù)制場進(jìn)行預(yù)制。結(jié)合半潛駁起重能力以及預(yù)制場碼頭的出運(yùn)能力，構(gòu)件采用預(yù)制安裝、分期澆筑的方案。該方案較干地施工方案具有以下優(yōu)勢：首先，可以利用施工單位現(xiàn)有的預(yù)制場地因而無需額外支付場地費(fèi)，其次，省去了干地施工所需要的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一系列費(fèi)用。

采用與護(hù)岸同步施工方案雖然陸域形成受取水口結(jié)構(gòu)施工的影響，但由于護(hù)岸總長度較長，護(hù)岸開始施工到合攏工期約10個月，該工期能滿足取水口結(jié)構(gòu)的基槽開挖、拋石基床施工和箱涵預(yù)制、運(yùn)輸及安裝的要求，工程造價較低，總工期也明顯縮短。

2.2 取水口構(gòu)建單件重量大

由于工藝布置需要，過濾涵和泵房基礎(chǔ)尺寸均較大，長×寬×高分別為27m×20.2m×16.2m，17m×30.2m×16.2m，單件整體重量達(dá)到9550t和8143t。一次澆筑自重過大，遠(yuǎn)超過施工單位施工設(shè)備浮運(yùn)能力。因此，取水口結(jié)構(gòu)在預(yù)制部分設(shè)計時，一方面預(yù)制重量既不能超過施工單位半潛駁最大起重能力（約5500t），另一方面又要保證安裝時抗浮所需的自重。

解決方案：在構(gòu)件預(yù)制過程中，為了最大限度的增加預(yù)制部分比重，設(shè)計與施工方進(jìn)行了多次交流，最終采用的預(yù)制部分結(jié)構(gòu)型式詳見圖3。由于構(gòu)件尺寸較大，為滿足重量限制要求，空腔隔墻僅能澆筑1m高度，在出運(yùn)及安裝過程中，構(gòu)件四壁所受彎矩非常大，常規(guī)做法是在施工時增加臨時鋼支撐措施?？紤]到在二次現(xiàn)澆過程中，臨時鋼支撐會給施工帶來一定的不便，最后決定取消臨時鋼支撐措施，通過調(diào)整施工方案，來減小壁墻所受彎矩。

調(diào)整的施工方案為：過濾涵和泵房基礎(chǔ)先行預(yù)制高度12.4m（頂部高于設(shè)計高水位），預(yù)制安裝完成后，進(jìn)行二次現(xiàn)澆工作，二次現(xiàn)澆內(nèi)墻時需提供干施工工作面，為確保箱內(nèi)抽水時構(gòu)件不上浮，需先澆筑外墻，增加構(gòu)件自身重力。待外墻澆筑到一定高度（滿足自身抗浮要求）后，再行抽水，澆筑隔墻。四周先行回填4m高回填料，待墻體與頂板澆筑成整體結(jié)構(gòu)后，再回填至頂部。

2.3 結(jié)構(gòu)計算復(fù)雜

取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計計算工況的選取，以及計算模式的確定，需要從構(gòu)件預(yù)制、使用到檢修，并緊密結(jié)合現(xiàn)場施工進(jìn)行分析，計算過程復(fù)雜。根據(jù)不同階段選取以下工況：

浮運(yùn)安裝工況：自重+浮拖力+靜水壓力

安放完成工況（預(yù)制結(jié)構(gòu)）：自重+土壓力+浮拖力+靜水壓力

使用期：自重+浮拖力+土壓力+水壓力+均載+波浪力（過濾涵前墻）

檢修期：（流道檢修，內(nèi)部無水情況）自重+浮拖力+土壓力+水壓力+均載

地震工況：自重+浮拖力+地震土壓力+地震水壓力+均載

利用ANSYS有限元軟件建立泵房、過濾涵結(jié)構(gòu)模型，頂板、底板、隔墻、側(cè)壁等采用shell43單元模型，地基土采用combin14單元模擬，施工期隔墻認(rèn)為是嵌入前后墻的梁，采用beam188單元模擬。shell43單元與combin14單元連接處設(shè)置為鉸接約束，泵房兩側(cè)填土及上部均載等對其的作用，通過外荷載的方式施加在模型上。

通過內(nèi)力云圖，可以很直觀的得到結(jié)構(gòu)各部位內(nèi)力情況。過濾涵、泵房結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有相同的規(guī)律，內(nèi)力最大值均發(fā)生在檢修工況。

3.施工難點(diǎn)與解決方案

3.1預(yù)制構(gòu)件浮游穩(wěn)定計算結(jié)果需精確

取水口處需安裝兩件重量較大（包含1個約5154t過濾涵、1個約4880t泵房基礎(chǔ)）且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形預(yù)制構(gòu)件，不能采用常規(guī)沉箱計算方法計算浮游穩(wěn)定。由于泵房基礎(chǔ)干舷高度較小，基床頂標(biāo)高較高，而泵房基礎(chǔ)及過濾涵吃水關(guān)系到下潛坑及出運(yùn)航道的開挖以及選擇合適的出塢和安裝時間，因此需精確計算泵房基礎(chǔ)及過濾涵吃水。

解決方案：通過BIM技術(shù)建模，可以直接獲得浮游穩(wěn)定計算所需要的各種參數(shù)，簡單易行，既省去了繁瑣的計算過程，又保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2泵房基礎(chǔ)及過濾涵重量重，預(yù)制場滿足上駁要求的潮位天數(shù)較少

由于本工程過濾涵及泵房基礎(chǔ)預(yù)制部分重量較大，施工現(xiàn)場附近不具備預(yù)制條件，因此選在甲湖灣預(yù)制場進(jìn)行預(yù)制。泵房基礎(chǔ)及過濾涵出運(yùn)上駁采用“南海號”半潛駁，潮高需要滿足1.3m以上。而甲湖灣預(yù)制場4-5月份滿足1.3m以上潮水的時間極少。

解決方案：減少出運(yùn)時泵房基礎(chǔ)、過濾涵自身重量，選擇合適的潮位使半潛駁與出運(yùn)碼頭對接就位。就位時的水位要與本地區(qū)的潮汐情況及半潛駁的吃水、干舷、型深、性能、碼頭的標(biāo)高等有關(guān)。要求選擇潮水在上漲過程達(dá)到平均潮位時移駁就位，就位時必需有人專門指揮。

3.3 泵房基礎(chǔ)、過濾涵設(shè)置止水措施

泵房基礎(chǔ)、過濾涵與傳統(tǒng)箱涵、沉箱結(jié)構(gòu)不同，預(yù)制完成后其結(jié)構(gòu)為不封閉，需設(shè)置止水措施方可進(jìn)行水上浮運(yùn)及安裝工作。

解決方案：

①在構(gòu)件預(yù)制時預(yù)埋拉緊螺栓便于后期鋼封門安裝加固;

②鋼封門與混凝土之間增設(shè)彈性止水帶，確保密封良好。

通過以上措施，很好的解決了取水口大型預(yù)制構(gòu)件的出運(yùn)、安裝等問題。下圖為取水口安裝就位后圖片。

4.結(jié)語

1）取水口結(jié)構(gòu)采用與護(hù)岸同步施工，大型構(gòu)件分期預(yù)制、安裝，逐步形成整體結(jié)構(gòu)型式的方案，很好的解決了在水深浪大、工期緊張、干地施工造價高昂等帶來的諸多問題。

2）取水口結(jié)構(gòu)計算工況的選取，以及計算模式的確定，需要對構(gòu)件從預(yù)制到使用運(yùn)營、檢修，并緊密結(jié)合施工過程進(jìn)行分析。本工程采用國際通用有限元軟件對取水口結(jié)構(gòu)在各種工況下的內(nèi)力進(jìn)行計算，取得了較好效果，為類似工程設(shè)計提供借鑒。

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