外海大型取水平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

鄒颋，趙翔宇

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

根據(jù)浙江石油化工有限公司4 000萬(wàn)t/a煉化一體化項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)院確定的南區(qū)公用裝置總體規(guī)劃，考慮工藝等要求，需在南區(qū)建設(shè)一座海水取水泵站，主要為后方服務(wù)。綜合后方廠區(qū)布置、相鄰工程位置以及該區(qū)域的水文地形條件等因素，將取水泵站布置在魚(yú)山作業(yè)區(qū)南側(cè)臨時(shí)大件碼頭前方[1]。

按后方海水淡化設(shè)計(jì)院提供的海水取水泵站接管條件，海水取水泵站最大海水取水量約17.2×104m3/h（合計(jì)約47.78 m3/s）。海水取水泵安裝在海水取水平臺(tái)上。海水取水泵采用立式斜流泵，9臺(tái)取水泵，露天安裝在海上平臺(tái)上，直接取海水，供給后方海水淡化廠、閉式循環(huán)水廠、燃機(jī)用水。海水取水泵出水管沿取水平臺(tái)敷設(shè)，跨越已建臨時(shí)大件碼頭（其上設(shè)置出水管支撐點(diǎn)），直接與陸域管道線連接。水域管道補(bǔ)償采用直管壓力平衡型不銹鋼波紋補(bǔ)償器[2]。平臺(tái)應(yīng)滿足全天候取水要求，水泵使用要求高，平臺(tái)面使用期的水平位移不得超過(guò)20 mm。

在海上建造取水泵房是較為常見(jiàn)的做法，但一般都是海水消防泵站，取水泵數(shù)量少、規(guī)格小，使用頻率低。在海上建造如此大型的取水泵房，在國(guó)內(nèi)還是首次，對(duì)于取水方案、海水取水泵選型、平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，都是不小的挑戰(zhàn)。本文主要對(duì)取水平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行介紹，為以后類似的工程提供借鑒。

1 建設(shè)條件

1.1 設(shè)計(jì)水位

潮位基面采用1985國(guó)家高程。根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》有關(guān)設(shè)計(jì)水位計(jì)算方法，推算得到工程設(shè)計(jì)水位如下：

設(shè)計(jì)高水位2.34 m（高潮累計(jì)頻率10%）；設(shè)計(jì)低水位-1.66 m（低潮累計(jì)頻率90%）；100 a一遇高潮位3.67 m；50 a一遇高潮位3.52 m；50 a一遇低潮位-2.55 m；100 a一遇低潮位-2.62 m。

1.2 波浪

取水口位于大魚(yú)山南端，主要受SW～W向小風(fēng)區(qū)波浪影響。各設(shè)計(jì)要素見(jiàn)表1。

表1 取水口50 a一遇設(shè)計(jì)波要素Table 1 The design wave element once in 50 years at the intake

1.3 潮流

本海域潮流屬非正規(guī)半日淺海潮流，設(shè)計(jì)流速為1.8 m/s。

1.4 工程地質(zhì)

按地基土的巖性特征等，取水平臺(tái)位置的土層自上而下分述如下[3]：①1素填土、③6角礫、⑤2強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、⑤3中等風(fēng)化凝灰?guī)r。典型的地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological cross-section drawn

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 對(duì)建設(shè)條件的分析

大、小魚(yú)山地處舟山群島中西部、杭州灣東側(cè)海域，工程區(qū)H1%波高僅為3.78 m。工程區(qū)波浪周期總體不大，平均基本都在4 s以下，出現(xiàn)頻率占91%，實(shí)測(cè)最大波周期5.3 s，出現(xiàn)在ENE向，未出現(xiàn)6 s以上的波浪。總體而言，風(fēng)浪流條件對(duì)本工程的建設(shè)是較為有利的。

工程區(qū)域覆蓋層平均厚度較小，且分布不均勻，巖面起伏變化較大，大部分區(qū)域表層為素填土，其下為角礫，再下即為巖基，部分區(qū)域巖基基本出露，這對(duì)嵌巖樁鋼套管的穩(wěn)樁、施打，嵌巖樁的成孔等均較為不利。

2.2 對(duì)使用要求的分析

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，平臺(tái)應(yīng)滿足全天候取水要求。水泵生產(chǎn)廠家起初提出平臺(tái)不能有位移，但海上平臺(tái)沒(méi)有位移是不可能的。最終確定平臺(tái)面使用期的水平位移不得超過(guò)20 mm，生產(chǎn)廠家也依據(jù)該條件調(diào)整水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

由于廠區(qū)功能的需求，水泵需每天24 h運(yùn)行，年中無(wú)休，只有在后方廠區(qū)設(shè)備大修時(shí)，水泵才有可能停運(yùn)。這就意味著，在臺(tái)風(fēng)、寒潮等極端天氣下，水泵也要能正常使用，也就是平臺(tái)的水平位移在任何工況下都不得超過(guò)20 mm。

對(duì)于常規(guī)的碼頭，在正常使用條件下，位移控制在20 mm左右，在臺(tái)風(fēng)、寒潮等極端天氣下，位移一般允許放寬至40 mm左右。但對(duì)于采用高樁墩式結(jié)構(gòu)的海水取水平臺(tái)，在任何工況下位移都不得超過(guò)20 mm，要求是很高的。

2.3 結(jié)構(gòu)選型

2.3.1 對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性

根據(jù)勘察資料顯示，⑤2強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、⑤3中等風(fēng)化凝灰?guī)r均有分布，雖分布不均勻，巖面起伏變化較大，但可作為取水平臺(tái)的樁基礎(chǔ)持力層或重力式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。根據(jù)類似地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)施工的經(jīng)驗(yàn)，較適宜選用樁基結(jié)構(gòu)。

2.3.2 施工可行性

取水平臺(tái)位置比較貼岸，距離臨時(shí)大件碼頭較近，如采用重力式結(jié)構(gòu)，基槽開(kāi)挖會(huì)影響已有建筑物，難度較大；如采用高樁式結(jié)構(gòu)，需采用嵌巖樁，部分區(qū)域需采用拋石穩(wěn)樁，施工工藝較繁瑣，但近年來(lái)，嵌巖樁的施工工藝已日趨成熟，隨著施工設(shè)備的發(fā)展，施工質(zhì)量和速度在不斷地提高。

2.3.3 結(jié)構(gòu)的耐久性

重力式結(jié)構(gòu)耐久性好，建成后的使用期基本不需要維護(hù)。樁基結(jié)構(gòu)使用期維護(hù)量較大，但采取有效防腐措施后，能滿足使用年限要求。

2.3.4 對(duì)使用要求的適應(yīng)性

重力式結(jié)構(gòu)抗水平荷載能力強(qiáng)，較易滿足使用期水平位移不得超過(guò)20 mm的要求，但阻流效果明顯，對(duì)水流及原有地形的影響均較大，可能會(huì)影響取水功能。樁基結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)抗水平能力略差，但透空性較好，對(duì)水流及原有地形的影響均較小，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也能滿足使用要求。

綜合上述各方面的分析比較，取水平臺(tái)水工結(jié)構(gòu)采用高樁墩式。

2.4 平臺(tái)頂標(biāo)高的確定

取水平臺(tái)頂面標(biāo)高的確定，對(duì)于使用要求的滿足，是一個(gè)比較重要的因素。取水平臺(tái)頂面標(biāo)高的計(jì)算沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范依據(jù)，參考JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的碼頭頂面標(biāo)高計(jì)算方法[4]。頂標(biāo)高定的過(guò)低，受波浪水流作用大，使用期的位移會(huì)較大，定的過(guò)高，和陸域的銜接也會(huì)比較困難。

1）按受力標(biāo)準(zhǔn)控制的碼頭前沿頂高程

根據(jù)取水平臺(tái)區(qū)的水文資料，頂面高程按受力標(biāo)準(zhǔn)控制的計(jì)算公式：

式中：E為碼頭面高程，m；E0為上部結(jié)構(gòu)受力計(jì)算的下緣高程，m；DWL為設(shè)計(jì)高水位，為2.34 m；η為設(shè)計(jì)高水位時(shí)重現(xiàn)期50 a一遇H1%（波列累積頻率為1%的波高）靜水面以上的波峰面高度，m，取2.45 m；h0為水面以上波峰面高出上部結(jié)構(gòu)底面的高度，當(dāng)波峰面低于上部結(jié)構(gòu)底面時(shí)為0；h為碼頭上部結(jié)構(gòu)高度，取2.5 m；ΔF為波峰面以上至碼頭上結(jié)構(gòu)底面的富裕高度，m，取0 m；

按式（1）、式（2）計(jì)算，取水平臺(tái)頂面標(biāo)高為7.29 m。因此，分別按取水平臺(tái)頂面標(biāo)高7.5 m、7 m、6.5 m、6 m進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 取水平臺(tái)各頂面高程計(jì)算結(jié)果Table 2 Elevation calculation results of each top surface of water intake platform

由表2可知，取水平臺(tái)頂面標(biāo)高取7.0 m時(shí)，綜合結(jié)果較為理想。此標(biāo)高下，即使是50 a一遇高潮位（3.52 m）情況下，波峰面高度在6.1 m左右，取水平臺(tái)也不會(huì)上水，水泵能正常使用。

2）上水標(biāo)準(zhǔn)控制計(jì)算公式

碼頭面高程按上水標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)予以復(fù)核，其計(jì)算公式如下：

式中：EWL為極端高水位，為3.52 m；ΔW取為5 a重現(xiàn)期H4%對(duì)應(yīng)的波峰面高度為1.61 m。則碼頭面頂高程應(yīng)為3.52 m+1.61 m=5.13 m。

根據(jù)上述按平臺(tái)受力標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算、上水標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核，綜合考慮后，取水平臺(tái)頂面標(biāo)高取7 m。

2.5 樁基選型

根據(jù)工藝布置及使用要求，海水取水泵站的平臺(tái)尺度為70 m×45 m。平臺(tái)后方通過(guò)1座引橋與后方廠區(qū)相接，引橋主要為使用期檢維修車輛使用，引橋尺度為29.02 m×6 m，與后方廠區(qū)道路相接。

為減少使用期的平臺(tái)位移，增加剛度，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土墩臺(tái)。墩臺(tái)厚2.5 m，墩臺(tái)平臺(tái)上布置有海水取水泵、管道支架、起重機(jī)軌道支座等設(shè)備基礎(chǔ)。平臺(tái)主要荷載為波浪荷載和水泵荷載。單臺(tái)水泵的荷載：垂直荷載為2 000 kN，水平荷載為900 kN，彎矩為7 900 kN·m。根據(jù)地質(zhì)條件，樁基需采用嵌巖樁，分別對(duì)斜樁嵌巖和全直樁嵌巖進(jìn)行方案比選。

1）結(jié)構(gòu)方案一

取水泵站平臺(tái)采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，基樁采用φ1 800 mm嵌巖樁，見(jiàn)圖2。為有效控制平臺(tái)使用期位移，考慮主要采用斜樁嵌巖的方案，水泵處因需水下固定泵管，水泵兩側(cè)考慮直樁嵌巖。

圖2 結(jié)構(gòu)方案一斷面圖Fig.2 Section diagram of structure scheme 1

2）結(jié)構(gòu)方案二

取水泵站平臺(tái)基樁采用全直樁嵌巖樁，采用φ2 000 mm嵌巖樁，見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)方案二斷面圖Fig.3 Section diagram of structure scheme 2

方案一及方案二計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)方案計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of structural scheme

兩個(gè)方案計(jì)算理論、施工工藝均較為成熟，方案安全可靠。直樁嵌巖施工相對(duì)較容易，施工速度較快，但在費(fèi)用基本相同情況下，結(jié)構(gòu)方案一水平位移小于結(jié)構(gòu)方案二，結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)較小，且隨著施工機(jī)械的改進(jìn)，斜樁嵌巖施工工藝近年來(lái)發(fā)展較快，施工速度大大提高，故選擇斜樁嵌巖方案。

2.6 水泵的固定

水泵的底座通過(guò)預(yù)埋螺栓和平臺(tái)連接。為防止水流、波浪對(duì)水泵吸水管的沖擊，在水泵吸水管外設(shè)置防波桶，如圖4所示，防波桶底標(biāo)高約為-9 m，防波桶四周的樁基采用直樁，在樁周間隔2 m設(shè)置一道鋼抱箍，通過(guò)鋼連桿和防波桶相連，以達(dá)到固定防波桶的目的[5]。

圖4 防波桶固定示意圖Fig.4 Fixing diagram of wave proof barrel

3 施工

3.1 大體積混凝土

海水取水泵站平臺(tái)尺度為70 m×45 m，厚2.5 m，屬于大體積混凝土，施工期容易產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至于結(jié)構(gòu)的安全性。

大體積混凝土原材料的選用應(yīng)滿足JTS 202-1—2010《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[6]。配合比應(yīng)滿足設(shè)計(jì)與施工要求，并應(yīng)按照絕熱溫升低、抗裂性能良好的原則通過(guò)優(yōu)化確定。大體積混凝土宜分層、分塊澆筑，并合理設(shè)置施工縫。

近年來(lái)，一些大型原油碼頭、LNG碼頭的工作平臺(tái)也有類似的尺度，均成功建成。說(shuō)明這個(gè)尺度的大體積混凝土施工質(zhì)量是有保證的。

3.2 斜樁嵌巖

鉆進(jìn)成孔工藝是斜嵌巖樁施工最重要的一環(huán)。由于工程處部分區(qū)域角礫層、強(qiáng)風(fēng)化層較厚，為了防止鋼套管卷邊，鋼套管一般只能進(jìn)入角礫層、強(qiáng)風(fēng)化層1 m左右，造成無(wú)鋼套管嵌巖段長(zhǎng)度較長(zhǎng)[7]。

目前在超長(zhǎng)斜嵌巖樁鉆進(jìn)成孔工藝中采用回旋鉆機(jī)施工效果更佳，但是在回旋鉆機(jī)施工過(guò)程中，鉆具的自重將造成鉆具下垂彎曲，鉆頭的導(dǎo)向性和鉆頭的軸線會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，使得鉆頭斜率與鋼套管斜率無(wú)法保持一致，易發(fā)生鉆具連接螺紋折斷和斷鉆桿的事故，影響成孔質(zhì)量，現(xiàn)有的鉆進(jìn)成孔工藝無(wú)法滿足施工的要求。

本工程采用導(dǎo)孔法解決這一問(wèn)題，基本原理就是在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)給予鉆桿導(dǎo)向和限位，具體做法為[8-10]：斜嵌巖樁有鋼套管的部分鉆進(jìn)工藝為常規(guī)的反循環(huán)回旋鉆進(jìn)工藝，保證鉆機(jī)斜率與鋼套管斜率一致，鋼套管的限位和護(hù)壁作用下該部分鉆孔可較為順利地進(jìn)行。無(wú)鋼套管嵌巖段要先鉆直徑1 000 mm的導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔鉆好后進(jìn)行嵌巖段1 600 mm孔的鉆進(jìn)。為減少鉆頭偏移量，嵌巖段分2次施工，第1次鉆10 m，剩余長(zhǎng)度第2次鉆進(jìn)完成。

此外直徑1.6 m的樁孔分大小孔鉆進(jìn)，在鉆機(jī)同等功率的情況下，還可以增加鉆頭對(duì)巖體壓強(qiáng)，提高鉆進(jìn)效率，減少工期，鉆進(jìn)速度約為0.3 m/h，嵌巖樁一般3 d即可成孔。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)魚(yú)山南區(qū)取水平臺(tái)建設(shè)條件、使用要求的分析，根據(jù)受力標(biāo)準(zhǔn)確定了平臺(tái)頂標(biāo)高，并對(duì)結(jié)構(gòu)形式和樁基選型分別進(jìn)行了方案比選。同時(shí)對(duì)施工中的關(guān)鍵問(wèn)題——大體積混凝土施工和斜樁嵌巖施工工藝進(jìn)行了介紹，為整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施提供了技術(shù)保障，該系列技術(shù)也可為外海類似大型取水平臺(tái)的建設(shè)提供借鑒。