某LNG項(xiàng)目海域排水口結(jié)構(gòu)研究

宋文濤，姚 迪

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 工程概況

某 LNG項(xiàng)目海域排水口結(jié)構(gòu)布置于接收站陸域場(chǎng)地東側(cè)，穿過(guò)陸域東側(cè)預(yù)留地和防波堤向海域排水，排水口結(jié)構(gòu)的位置見(jiàn)圖1，從圖中可以看出在陸域接收站東側(cè)圍墻外由西往東規(guī)劃建設(shè)分別為一條20 m寬的道路和一條20～30 m寬的排洪溝，海水排水管自接收站東側(cè)圍墻穿出后向東側(cè)海域排水，總長(zhǎng)度約170 m，需經(jīng)過(guò)規(guī)劃建設(shè)的道路、排洪溝及已建防潮堤和防波堤等外部復(fù)雜環(huán)境條件，對(duì)排水口的設(shè)計(jì)和施工產(chǎn)生較大影響[1]。

圖1 排水口位置示意

2 基礎(chǔ)條件分析

2.1 自然條件

1）工程地質(zhì)

工程地勘揭示項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)為全新統(tǒng)地層由第一海相沉積層和第二陸相沉積層組成：上段海相層厚度約10 m左右，以灰色淤泥、淤泥質(zhì)粘土為主，局部間砂或夾砂；下段陸相河流沉積層厚度約 20 m，上部為松散～稍密狀態(tài)的灰色粉土或粉細(xì)砂、中下部為中密～密實(shí)狀態(tài)的灰色、灰黃粉細(xì)砂。排水管經(jīng)過(guò)區(qū)域的上部土層為較厚軟土層，地基承載力差；海水排放口防波堤外側(cè)的地質(zhì)表層為流塑狀態(tài)和易沖刷的淤泥、淤泥質(zhì)粘土。因此，需研究排水管的基礎(chǔ)，保證基礎(chǔ)承載力的要求，減小排水管的沉降；研究可靠的消能防沖措施和防沖范圍[2]，用以保證防波堤外側(cè)的海床穩(wěn)定。

2）水文波浪

工程所在地設(shè)計(jì)水位為：200年一遇高潮位6.30 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同）?00年一遇高潮位6.11 m、極端高水位5.93 m、設(shè)計(jì)高水位4.37 m、平均潮位2.56 m、設(shè)計(jì)低水位0.79 m。排水口穿過(guò)防潮堤和防波堤后進(jìn)行海水排放，其端部結(jié)構(gòu)將承受防波堤外側(cè)的波浪作用，設(shè)計(jì)波浪與防潮堤、防波堤的設(shè)計(jì)波浪標(biāo)準(zhǔn)相同，按照200年一遇高潮位和100年一遇波浪組合。

各設(shè)計(jì)波浪要素為：波向E、H1%波高5.41 m、H4%波高4.73 m、H13%波高3.98 m、周期8.56 s。排水口的端部結(jié)構(gòu)承受的波浪荷載作用較強(qiáng)，同時(shí)由于海水排放口端部的海床基礎(chǔ)較薄弱，端部結(jié)構(gòu)若采用重力式等淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)坐落在海床基礎(chǔ)上，抵抗波浪荷載作用的效果較差，因此，需研究如何加強(qiáng)海水排放口端部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，采用樁基等深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案，用以增強(qiáng)其抵抗波浪荷載的作用；同時(shí)考慮適當(dāng)降低海水排放口的高程，使其頂部低于平均潮位，可減小其承受的波浪荷載。

3）氣象冰況

工程所在地冬季極端最低氣溫-13.4 ℃，常年冰期3個(gè)月，1月中至2月中為盛冰期區(qū)，沿岸固定冰寬度在500 m以?xún)?nèi)，冰厚10～25 cm，50年重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)冰厚約為0.39 m。海水排放口為敞開(kāi)式的結(jié)構(gòu)，冬季流冰期易產(chǎn)生大量暗冰、底冰和水內(nèi)冰，經(jīng)常堵塞海水排放口，威脅到排水口的安全[3]，因此需研究適當(dāng)降低排放口結(jié)構(gòu)的高程，避開(kāi)冰水混合段，設(shè)在冰水分層明顯的位置，使其頂部低于平均潮位設(shè)計(jì)冰厚以下，可減小冰塞和冰塊撞擊等冰荷載作用的不利影響。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)條件

由圖1可以看出，現(xiàn)場(chǎng)陸域接收站圍墻東側(cè)10 m外規(guī)劃建設(shè)一條20 m的道路，規(guī)劃道路再向東16 m外建設(shè)一條20～30 m的排洪溝。

防波堤為半圓型結(jié)構(gòu)，后方回填10～100 kg塊石及倒濾結(jié)構(gòu)。防波堤內(nèi)側(cè)設(shè)置港區(qū)防潮堤，結(jié)構(gòu)利用半圓形防波堤，后方設(shè)置擋墻和道路形成斜坡式結(jié)構(gòu)，斜坡上設(shè)置柵欄板護(hù)面，堤心采用大型充填袋。防潮堤、防波堤斷面詳見(jiàn)圖2。

圖2 防潮堤和防波堤結(jié)構(gòu)斷面示意

海水排海管道如何經(jīng)過(guò)防潮堤和東防波堤是排水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分，從不影響圍墻外側(cè)規(guī)劃道路和排洪溝建設(shè)的角度考慮，較好的方案為深埋排水管措施，使其從規(guī)劃道路和排洪溝底部穿過(guò)。但是，深埋排水管方案導(dǎo)致陸域和已建防潮堤及防波堤的開(kāi)挖量很大，并且會(huì)破壞防潮堤和防波堤的堤心主體結(jié)構(gòu)，關(guān)系到 LNG接收站的安全運(yùn)營(yíng)，因此，采用不破壞已建防潮堤和防波堤主體結(jié)構(gòu)的工程方案。根據(jù)已建防潮堤和防波堤的結(jié)構(gòu)型式分析，防波堤半圓體為預(yù)制結(jié)構(gòu)，是防波堤的主要結(jié)構(gòu)，尺寸截面大、重量大，拆除難度大，可適當(dāng)抬高排水管，使其從防波堤半圓體結(jié)構(gòu)頂部跨越，經(jīng)過(guò)防潮堤時(shí)僅在防潮堤頂部進(jìn)行局部開(kāi)挖，開(kāi)挖量較小。排水管抬高對(duì)規(guī)劃的道路和排洪溝建設(shè)產(chǎn)生一定影響，需對(duì)管底的設(shè)計(jì)高程進(jìn)行研究；排水口在防波堤外側(cè)的出水點(diǎn)高程較高，排水落差和排水量均較大，需研究可靠的消能措施保證防波堤結(jié)構(gòu)的安全，并防止防波堤外側(cè)的海床沖刷。

2.3 排水工藝條件

排水工藝為采用兩根DN2200玻璃鋼管從接收站陸域內(nèi)向東敷設(shè)，到陸域東側(cè)圍墻處接入排水口結(jié)構(gòu)，然后排海。要求在圍墻處的剩余水頭壓力不小于外海水位壓力與水頭損失之和，實(shí)際運(yùn)行流量按8 500～42 000 m3/h考慮，最大流速為3.1 m/s，最小流速為0.7 m/s。因此，需研究在排水口結(jié)構(gòu)中采取相應(yīng)的加壓措施，以滿(mǎn)足壓力排水方式對(duì)排水量和排水流速的要求。

3 排水口結(jié)構(gòu)方案研究

3.1 研究思路

根據(jù)自然條件、現(xiàn)場(chǎng)條件和排水工藝條件的研究分析，排水口結(jié)構(gòu)方案從陸域圍墻處往海側(cè)方向沿線(xiàn)主要解決的問(wèn)題和達(dá)到效果主要包括：設(shè)置加壓措施形成壓力排水方式滿(mǎn)足排水量和排水流速的要求；設(shè)置可靠的排水管基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，減小或防止排水管發(fā)生沉降位移；抬高排水管道高程，減小對(duì)規(guī)劃道路和排洪溝的影響；減小排水管穿越防潮堤時(shí)的開(kāi)挖量，盡量減少對(duì)防潮堤主體結(jié)構(gòu)的影響；排水管從防波堤頂部跨越，不影響防波堤結(jié)構(gòu)；末端排放口基礎(chǔ)采用樁基結(jié)構(gòu)，增加其抵抗波浪荷載的作用；降低末端結(jié)構(gòu)排放口高程至平均潮位以下，減小其承受的波浪荷載和冰荷載，同時(shí)先通過(guò)淹沒(méi)流進(jìn)行部分消能；防波堤外側(cè)海床設(shè)置消能防沖措施，保證防波堤結(jié)構(gòu)安全。

3.2 結(jié)構(gòu)方案

結(jié)合圍墻處接入的兩根DN2200玻璃鋼管（中心高程4.00 m）的排水條件，排水口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案為：在圍墻處設(shè)置兩個(gè)相互獨(dú)立的鋼筋混凝土承壓集水池（每個(gè)集水池對(duì)應(yīng)一個(gè)排水通道）將場(chǎng)地內(nèi)的兩條DN2200玻璃鋼管接入，將水體加壓抬升后通過(guò)兩根預(yù)制箱涵（箱涵中心高程7.45 m）進(jìn)行壓力排水；抬高防潮堤岸側(cè)陸域的排水管高程，排水箱涵底高程為6.70 m，可以跨越規(guī)劃的道路和排洪溝，穿越防潮堤時(shí)，僅在防波堤頂部進(jìn)行局部開(kāi)挖，并能從半圓體防波堤結(jié)構(gòu)頂部跨越；排水箱涵的基礎(chǔ)為樁基墩臺(tái)和樁基橫梁；海水排放口端部采用現(xiàn)澆異形墩臺(tái)，墩臺(tái)內(nèi)預(yù)留排水通道，現(xiàn)澆墩臺(tái)下設(shè)置鋼管樁；海水排放口采用跌入式沉箱結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)澆異形墩臺(tái)排水通道連接，并設(shè)置排水孔，排放口頂高程位于平均潮位以下，排水水流通過(guò)淹沒(méi)流進(jìn)行消能，海側(cè)消能防沖措施采用2 t扭王字塊和護(hù)底塊石，結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

圖3 排水口結(jié)構(gòu)斷面示意

3.3 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)勢(shì)分析

1）根據(jù)排水口各結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)的不同位置，考慮下臥土層和樁基施工條件，采用不同的樁基型式：集水池基礎(chǔ)采用Φ1 000鉆孔灌注樁；防潮堤岸側(cè)排水箱涵滿(mǎn)足陸上施工條件，基礎(chǔ)采用Φ600 PHC樁；防潮堤海側(cè)排水箱涵下部因存在較厚的塊石，基礎(chǔ)采用Φ1 200沖孔灌注樁；排放口位于防波堤海側(cè)，滿(mǎn)足水上施工條件，基礎(chǔ)采用Φ1 200鋼管樁。樁基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載力可靠，排水管沿線(xiàn)沉降位移較小，不易發(fā)生不均勻沉降，保證排水口的可靠運(yùn)行。

2）目前接收站圍墻東側(cè)陸域已吹填形成至5.0 m高程，抬高排水箱涵底高程至 6.2 m，高于現(xiàn)狀陸域頂部 1.2 m，岸側(cè)陸域無(wú)開(kāi)挖量，僅在防潮堤頂部進(jìn)行小范圍開(kāi)挖，施工開(kāi)挖費(fèi)用少，節(jié)省工程費(fèi)用。防潮堤頂部結(jié)構(gòu)恢復(fù)防滲處理簡(jiǎn)單，開(kāi)挖部分恢復(fù)采用回填粘土進(jìn)行分層碾壓，為防止防潮堤內(nèi)的水土流失，回填粘土采用土工膜包裹，不影響對(duì)LNG接收站的掩護(hù)作用。

3）抬高排水管高程對(duì)后續(xù)規(guī)劃建筑物影響?。号藕闇衔挥陉懹蝽敳恳韵?，排水箱涵高于現(xiàn)陸域頂高程，不占用排洪溝的排洪面積，不影響后續(xù)工程施工；排水箱涵底部高于陸域 1.7 m，頂部高于陸域4.2 m，下部墩臺(tái)和樁基占用了規(guī)劃的20 m寬道路，排水箱涵已考慮其上部的覆土和車(chē)輛荷載，對(duì)規(guī)劃道路的設(shè)計(jì)、施工和使用影響較小。

4）鋼筋混凝土承壓集水池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程費(fèi)用低，兩個(gè)相互獨(dú)立的集水池可以單個(gè)進(jìn)行檢修，可保證排水口不間斷工作；海水排放口處現(xiàn)澆異形墩臺(tái)下設(shè)置鋼管樁，高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)抵抗波浪荷載的作用較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)可靠度高，異形墩臺(tái)中的排水通道與跌入式沉箱連接，排出的海水先在沉箱內(nèi)進(jìn)行相互沖擊消能，再通過(guò)位于沉箱側(cè)面、低于平均潮位約1 m處（位于50年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)冰厚層下方約0.6 m）的開(kāi)口，消能效果較好，同時(shí)可以減小波浪荷載和冰荷載對(duì)排放口的不利影響。

3.4 消能防沖設(shè)施分析

排放口端部采用異形墩臺(tái)和跌入式沉箱先進(jìn)行相互沖擊消能，再通過(guò)淹沒(méi)流二次消能，并設(shè)置2 t扭王字塊和護(hù)底塊石的綜合消能防沖措施保護(hù)海側(cè)基床穩(wěn)定，為驗(yàn)證綜合消能方式的可靠性和海側(cè)基床的防護(hù)范圍，通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)排水口工程建成前后的潮流場(chǎng)進(jìn)行研究。潮流數(shù)學(xué)模型采用大小模型嵌套的方法進(jìn)行計(jì)算，小范圍數(shù)學(xué)模型為更好地考慮排水口處的垂向流速分布特征，使用三維自由表面流的軟件包MIKE 3對(duì)排水工況進(jìn)行計(jì)算分析，垂向分為6層。大模型數(shù)學(xué)模型用于為小范圍數(shù)學(xué)模型提供開(kāi)邊界水位過(guò)程，使用二維表面流動(dòng)模擬軟件包MIKE 21建立[4]。

根據(jù)排海水口的結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究分析：排水口建成后，主要造成工程水域潮流流速增大，對(duì)潮流流場(chǎng)的影響主要在港區(qū)口門(mén)防波堤以南，排水口東側(cè)2 km以?xún)?nèi)水域。在距擬建排水口50 m時(shí)，大潮漲潮最大流速增加0.13～0.34 m/s，落潮最大流速增加 0.19～0.39 m/s，平均流速增加0.12～0.25 m/s；小潮漲潮最大流速增加 0.14～0.30 m/s，落潮最大流速增加 0.11～0.35 m/s，平均流速增加0.11～0.30 m/s。海床表面最大流速分布見(jiàn)4。

排水口剖面最大流速分布可見(jiàn)圖5。由圖可見(jiàn)，1 m/s流速包絡(luò)線(xiàn)東西相距53 m，南北相距16 m，即出水口流速衰減至1.0 m/s需要53 m距離。同時(shí)統(tǒng)計(jì)可得出海床 1 m/s最大流速包絡(luò)線(xiàn)面積約為760 m2?；谂潘诮ǔ珊蟮牧鲌?chǎng)研究分析，對(duì)海水排放口端部跌入式沉箱的海側(cè)基床60 m范圍內(nèi)進(jìn)行防護(hù)：前10 m范圍內(nèi)設(shè)置2 t扭王字塊體，其它范圍采用拋石防護(hù)，重量分別為 100～200 kg和10～100 kg，拋石兩側(cè)擴(kuò)散角為30°。

圖4 海床表面最大流速分布

圖5 排水口剖面最大流速分布示意

4 結(jié) 語(yǔ)

排水口工程是 LNG項(xiàng)目的重要組成部分，關(guān)系到大量用于LNG氣化冷卻海水如何排放的問(wèn)題，甚至關(guān)系到 LNG項(xiàng)目成敗和安全運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)某 LNG項(xiàng)目工程的特定條件及排水口結(jié)構(gòu)的特殊形式，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全，結(jié)合工程地質(zhì)、水文和氣象等自然條件、現(xiàn)場(chǎng)施工條件、對(duì)后續(xù)規(guī)劃建筑物的影響及消能防沖措施等因素，進(jìn)行了針對(duì)性的研究分析，確定較為合理的方案為項(xiàng)目使用。排水口結(jié)構(gòu)方案已于2016年6月通過(guò)當(dāng)?shù)毓芾聿块T(mén)審查認(rèn)可批準(zhǔn)建設(shè)，并于 2017年底投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，運(yùn)行至今效果良好，不僅滿(mǎn)足了排水工藝條件的要求，而且對(duì)海水排放口處的海側(cè)基床起到了很好的防護(hù)作用，可供類(lèi)似工程參考。