桥东油田青东5块区透空式箱涵进海路断面物理模型试验

李贵阳, 陈德春*, 廖绍华

(1.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;2.胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司,山东东营257000)

桥东油田青东5块区透空式箱涵进海路断面物理模型试验

李贵阳1, 陈德春*1, 廖绍华2

(1.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;2.胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司,山东东营257000)

在研究透空式箱涵进海路稳定性的基础上,修改上部结构以满足其稳定性。分析箱涵的透浪性能,并通过箱涵波压力测力试验,得到控制水位下箱涵所受的最大波压力以及各测力点随水位变化的折线图,箱涵波压力的分布规律。论证透空式箱涵进海路结构透浪性能及箱涵受力特点,确定合理的透空堤结构形式。

透空箱涵;进海路;物模试验;透浪系数

大陆岸线滩海地区分布着丰富的石油资源,在该地区建设进海路,连接海上人工岛已成为海上油田开发新模式[1]。进海路结构型式分为实体式和透空式。实体式结构有抛石路堤、钢筋混凝土板桩组合装配式路堤、预应力高强混凝土管桩与板桩组合式路堤等;透空式结构有箱涵、圆筒、栈桥式路堤等[2]。

透空式进海路是较新颖的结构型式,与实体进海路相比,透空式有利于内外水体交换及抵抗冰荷载、减少泥沙淤积、有利于环保[3-4]。

文中采用波浪断面物理模型试验,研究桥东油田青东5块区透空式箱涵进海路结构稳定性、箱涵透浪效果以及波压力对箱涵的影响,确定透空式箱涵进海路合理断面结构。

1 进海路设计断面方案

桥东油田青东5块区位于莱州湾西近岸海区(见图1),通过新建滩涂道路、进海路和滩海陆岸平台的方法实行海油陆采,滩涂道路到滩海陆岸平台总长约4.97 km,其中透空式箱涵进海路长2.54 km(见图2)[5-6]。

图1 桥东油田青东5块新区工程位置Fig.1 Project location of the Qiaodong oil field in Qiaodong 5 block area

图2 桥东油田青东5块区进海路平面布置Fig.2 Plane layout of the Qiaodong oil field in Qingdong 5 block area

进海路走向为西北至东南向,海底高程▽-3.5 m,为减少进海路对海洋环境的影响,采用全透空式箱涵结构方案。为满足结构的自身的稳定性及利用其透浪消浪效果,结合该地工程地质水文资料,依据相关设计规范及相近工程实例经验,拟得到如图3和图4所示的新建进海路的主要设计结构。

图3 透空式箱涵进海路横断面Fig.3 Cross section of the perm eable box culvert sea access road

图4 透空式箱涵进海路纵断面Fig.4 Longitudinal section of the permeable box culvert sea access road

由图3和图4可以看出,其主要结构为:

1)采用碎石桩对表层软土进行地基处理,碎石桩直径为0.5 m,桩长为10 m,中心间距为1.2 m;

2)在碎石桩上铺土工格栅网一层、上抛填厚0.3 m的石渣垫层、再抛填10～100 kg抛石基床、抛石基床上放置C25钢筋砼箱涵(钢筋砼箱涵净空尺寸为2m×2m,每个断面由3节拼装而成,单节长度为3.0 m,单块质量为20.7 t)、箱涵上部现浇厚20 cm的C15砼垫层、南北侧管缆沟内砌石、再在其上现浇厚10 cm的C15砼垫层及厚40 cm的C30砼路面;

3)两侧管缆沟结构砼顶高程为▽3.30 m;

4)透空式断面两侧护底采用厚80 cm的100～200 kg块石,块石面层安放一层,两排合金装石笼,北侧护底顶面宽度为25m,南侧护底顶面宽度为25m。

2 波浪断面物理模型试验内容

2.1 试验内容

由于莱州湾属渤海海域,其潮汐主要受黄河口外和秦皇岛以北外海半日潮旋转潮波以及渤海海峡日潮旋转潮波3个潮波系统的影响,NE-NEN向风对该工程海域造成的影响最大。为确定透空式进海路设计代表断面尺度的合理性,需进行波浪稳定性试验及箱涵测力。

2.2 试验条件和方法

1)波浪断面模型试验遵守交通部“波浪模型试验规程”JTJ/T234—2001[7-8]。

2)模型试验在90 m×1.5 m×1.0 m波浪水槽进行,水槽一端安装不规则生波机。

3)遵循物理模型相似理论,依重力相似准则设计正态模型,模型比尺取1∶20。

4)人工块体、箱涵采用水泥、黄沙、铁砂混合浇铸而成,偏差控制在±5%以内,几何尺度偏差小于±1%。

5)建筑物护面单个块体失稳标准和局部结构失稳标准:①随机安(抛)放的护面块体(石)累积位移超过单个块体的最大几何尺度时即失稳;②单层铺砌的护面块体,其累积位移超过单个块体的厚度时即失稳;③块石护底的表面有明显变形即失稳。

6)规则波试验采用间断造波法,不规则波采用Jonswap谱。

7)规则波设计波高:采用极限破碎波高,为水深的0.6倍,周期为8 s;不规则波波谱采用Jonswap谱,其表达式为

式中

式中:Hs为有效波高(m);Tp为谱峰值周期(s),取Tp=1.2～1.3¯T;fp为谱峰值频率(Hz);γ为谱峰值参数,取3.3。

2.3 水位与波浪

透空堤规则波波要素见表1,不规则波波要素见表2。

表1 透空堤规则波波要素Tab.1 W ave elements of the regular waves

表2 透空堤不规则波波要素Tab.2 W ave elements of the irregular waves

规则波试验水位有8级(见表1)、不规则波试验水位有3级(见表2)、分别为:设计高水位1.73 m,25年一遇极端高水位3.22 m,极端高水位3.55 m。

2.4 透空式箱涵进海路断面试验

2.4.1 设计断面稳定性 透空式设计断面规则波稳定性试验结果见表3。不规则稳定性试验结果见表4。

表3 透空式设计断面规则波稳定性试验结果Tab.3 Stability results of the rule waves for sections

表4 透空式设计断面不规则波稳定性试验结果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,对管沟、电缆沟结构稳定性越不利,以平均高水位▽0.95 m为准,该水位基本与箱涵内顶高程相同,在平均高水位▽0.95 m及以上水位时,来自外海的波浪能直接或越堤后击打管沟、电缆沟结构,以致失稳;堤顶40 cm厚路面结构呈浮动状。在平均高水位▽0.95 m以下水位时波击箱涵,箱涵结构能保持稳定;护底块石100～200 kg,10 t重合金块石笼均能保持稳定。

2.4.2 修改设计断面及其稳定性 为满足堤顶路面及管沟稳定,调整上部结构尺度:

1)堤顶路面增加厚度到50 cm;

2)电缆沟与管沟两侧增加0.5 m×0.7 m混凝土方块,提高其质量,且与箱涵连接。

试验表明:由于对管沟、电缆沟增大尺度,增加其质量,且与下部砼层相连接,在平均高水位▽0.95 m及以上水位,规则波、不规则波与各级水位组合作用下,管沟、电缆沟结构稳定;由于对路面结构增大尺度10 cm,增加其质量,则路面结构(50 cm)稳定。

2.5 透空式箱涵进海路透浪性

试验中用浪高仪测得箱涵后1 m及3 m处的堤后波高,比较得出在各水位及波要素组合下,堤后3 m处的波高稍大于堤后1 m处的波高。依照已有透空式防波堤研究成果,取透浪系数KT(堤后最大透浪波高与堤前极限波高H极的比值)研究规则波下各水位的透浪效果(见表5)。

表5 透空式设计断面规则波透浪性试验结果Tab.5 W ave-transm ission features results of the rule waves

因堤顶高程为▽0.95 m,试验中在平均高水位▽0.95 m及以上水位时,堤后波浪由堤顶越浪及窜过箱涵的波浪合成,在平均高水位以下的试验水位作用下无越浪,堤后波浪浪高只由窜过箱涵的波浪控制。透浪系数在水位▽2.50 m时达到极大值,此后随水位下降而减小,且在设计高水位以上水位时透浪系数都能大于0.5。由此说明在高水位情况下堤身箱涵能参与透浪作用,减小波浪对堤身上部结构的冲击力,有利于结构的稳定。

2.6 透空堤修改设计断面波浪测力试验

采用最不利波向最大波要素进行试验,研究透空堤箱涵断面结构受力情况,图5为箱涵波压力测点位置及编号示意。图5中,沿透空堤堤身3节箱涵共布置24个点压强传感器,其中测点1～6测箱涵顶面波压力;测点7～12测箱涵底面波压力;测点13～18测箱涵左侧面波压力;测点19～24测箱涵右侧波压力。

图5 箱涵波压力测点位置及编号示意Fig.5 Diagram of the pressuremeasuring point locations of the box culvert waves and the serial numbers

在各级水位与波浪组合作用下,测量箱涵各传

感器测点承受的波压力,进而绘出如图6所示的各组合形式下各测点的波压力分布包络图以及横断面最大波压力图。

图6 水位3.55 m规则波作用下各测点波压力分布包络图以及横断面波压力最大值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

图6中取最高水位(极端高水位3.55 m)时规则波的波压力为例进行分析。由图6可以看出,靠近迎浪面的测点(1,7,13,19)断面的波压力值多大于其他断面的波压力值,因此,箱涵式透空堤结构承受的波压力可由此断面波压力所决定(其它水位同该水位类似)。从各测点中取出在每一级水位下的波压力最大值,得到图7所示的各测点随水位变化的最大波压力曲线。

由图7可以看出,在同一级水位受规则波影响下,箱涵上下左右测点的最大波压力值相差不大。平均高潮位0.95 m下波压力在各侧面都达到了极大值,此水位刚好与箱涵内顶高程(1.00 m)相等,且极限波高较大(2.67 m),箱涵受力达到极值;设计高水位1.73 m及以上水位时虽然极限波高不断增大,但因波浪主要受力点在箱涵以上的上部结构处且不断上移,所以随水位和波浪的极限波高增大箱涵的受力变化并不明显。而在0.00 m水位以下,虽波浪主要作用在箱涵上,但因极限波高减小、波能消弱明显以及箱涵透浪,压力相比减小。

图7 各测点随水位变化在极限波高下的最大波压力值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 结 语

采用物理模型试验,研究了桥东油田青东5块区透空式箱涵进海路断面稳定性,透浪性能及箱涵受力,得到以下结论:

1)在原设计断面,平均高水位及以上水位波浪作用下堤顶路面及管沟失稳。修改断面保持护底块石100～200 kg,10 t重合金块石笼;在电缆沟与管沟两侧增加0.5m×0.7 m混凝土方块,且与箱涵连接;将道路厚度从40 cm加厚到50 cm以及预留排水,则满足透空堤断面结构稳定。

2)堤身箱涵透浪有利于断面稳定;设计高水位1.73 m及以上水位透浪效果较好,透浪系数能达到0.5以上,水位▽2.50 m时达到最大值0.59。

3)箱涵受力特征,迎浪面测点波压力值最大;箱涵各面在平均高水位时达到极大值,且在相同水位极限波要素作用下所受最大波压力值相近,最大波压力值约40 kN。

文中研究的透空结构,若调整箱涵尺度,可改变透浪量和过流量,适合于沿海不同工程目标建设借鉴。

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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]中华人民共和国交通部.JTJ213-98海港水文规范[S].北京:人民交通出版社,1998.

[8]中华人民共和国交通部.JTJ/234-2004波浪模型试验规程[S].北京:人民交通出版社,2002.

(责任编辑:邢宝妹)

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。

李贵阳(1991—),男,湖南邵阳人,港口海岸及近海工程专业硕士研究生。

*通信作者:陈德春(1954—),男,江苏南京人,副教授,硕士生导师。主要从事港口海岸及近海工程研究。

Email:njxx146204@163.com