陳春升，李?yuàn)櫍瑥埾炔?/p>

（1.中海油粵東液化天然氣有限責(zé)任公司，廣東 揭陽(yáng) 515200；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

粵東地區(qū)(含汕頭市、潮州市、揭陽(yáng)市、梅州市和汕尾市)以煤、油為主要能源，能源自給率低，主要依賴(lài)外省調(diào)入和從國(guó)外進(jìn)口。以煤、油為主的能源結(jié)構(gòu)，加之遠(yuǎn)離能源供應(yīng)地的現(xiàn)狀，阻礙了粵東地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，并給環(huán)保和交通運(yùn)輸造成巨大壓力，因此該地區(qū)對(duì)天然氣的引進(jìn)有著更加迫切的需要。中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司擬于該地區(qū)投資建設(shè)LNG接收站，引進(jìn)國(guó)外LNG資源作為粵東的工業(yè)燃料和城市燃?xì)?，以充分利用?guó)際市場(chǎng)和LNG可供資源。

1 研究目的

粵東LNG項(xiàng)目位于粵東惠來(lái)縣神泉鎮(zhèn)以東溝疏村附近沿海。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為：一期200萬(wàn)t/a，二期規(guī)劃擴(kuò)建到400萬(wàn)t/a。根據(jù)國(guó)際LNG船隊(duì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)和整體規(guī)劃的要求，并計(jì)算分析泊位通過(guò)能力，確定碼頭工程建設(shè)規(guī)模為新建1個(gè)可靠泊艙容介于8萬(wàn)～26.7萬(wàn)m3的LNG船的接卸泊位，及1座3 000噸級(jí)重件碼頭(兼工作船碼頭）。

該區(qū)域天然水深較好，人工航道較短，碼頭地質(zhì)條件較好，但海區(qū)的風(fēng)、浪較大，面向南海，涌浪較多，且有長(zhǎng)周期波出現(xiàn)的可能性，因此為了綜合考慮工程整體布局的合理性，以及工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)研究各設(shè)計(jì)方案的工程施工難度以及合理控制工程預(yù)算，首先采用三維物理模型試驗(yàn)對(duì)港口整體布局進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上通過(guò)二維水槽試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以期達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。

2 碼頭工程總平面布置試驗(yàn)研究

2.1 基礎(chǔ)資料

2.1.1 港口平面布局設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)波浪資料，SE向?yàn)槌＠讼蚝蛷?qiáng)浪向[2]，為有效掩護(hù)SE向波浪，減少對(duì)碼頭作業(yè)的影響，由接收站東南端頭向SSW向海域延伸建設(shè)1 254 m防波堤，再向西北偏轉(zhuǎn)建300 m南側(cè)防波堤以掩護(hù)S向浪，整個(gè)防波堤呈“L”形布置。

在防波堤內(nèi)側(cè)平行于防波堤布置LNG泊位，泊位由1個(gè)工作平臺(tái)，4個(gè)靠船墩和6個(gè)系纜墩組成。接岸引橋平行于防波堤布置，通過(guò)重件碼頭后方場(chǎng)地與接收站陸域連接，重件碼頭布置在LNG碼頭的北側(cè)與接收站陸域通過(guò)引堤相接。平面布置方案見(jiàn)圖1。

圖1 粵東LNG項(xiàng)目平面布置方案圖

2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

為了驗(yàn)證總平面布置的合理性，確保船舶的正常作業(yè)，進(jìn)行工程建成后2 a一遇波浪作用下港域內(nèi)泊穩(wěn)情況的試驗(yàn)，以?xún)?yōu)化防波堤布置方案，最終優(yōu)化方案確定后，在100 a一遇波浪作用下測(cè)定建筑物前波高，觀測(cè)碼頭上水及防波堤越浪情況，表1為試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的波要素組合工況。

表1 -13 m水深處波浪要素

整體模型試驗(yàn)在60 m×40 m×1.0 m的大型水池中進(jìn)行，模型的幾何比尺為λ=100[3]，采用不規(guī)則波試驗(yàn)方法，模擬的波浪頻譜為JONSWAP譜，其表達(dá)式為：

式中：H1/3為有效波高，m；Tp為譜峰值周期，s；fp為譜峰值頻率，Hz；f為譜頻率，Hz；γ為譜峰值參數(shù)，γ=3.3。

波譜模擬時(shí)，總能量偏差控制在±10%，有效波高的偏差控制在±5%，平均周期偏差也控制在±5%之內(nèi)。

在碼頭前半倍船寬處設(shè)置波高傳感器，同步測(cè)定各泊位測(cè)點(diǎn)位置的泊穩(wěn)波高，在波浪平穩(wěn)條件下，不規(guī)則波每次采集100個(gè)以上的波浪進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次，取其平均值作為該組試驗(yàn)的結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在建筑物全部建成，航道、港池開(kāi)挖完畢，防波堤頂高程8.45 m，LNG碼頭工作平臺(tái)頂高程7.7 m，3 000噸級(jí)重件碼頭頂高程6.5 m情況下，分別對(duì)給定不同方向波浪組合進(jìn)行泊穩(wěn)試驗(yàn)[2]，LNG碼頭前泊穩(wěn)波高試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 LNG碼頭前泊穩(wěn)波高試驗(yàn)結(jié)果

為使防波堤的走向?qū)ν夂２ɡ说淖钃踝饔酶貌⒔档凸こ淘靸r(jià)，對(duì)平面布置原方案防波堤走向及高程進(jìn)行了調(diào)整，表3、表4分別為修改方案與原方案的不同之處及不同方案泊穩(wěn)波高試驗(yàn)結(jié)果。

表3 修改方案與原方案

表4 不同方案泊穩(wěn)波高H1/10試驗(yàn)結(jié)果

同原設(shè)計(jì)方案相比，由于防波堤主要掩護(hù)強(qiáng)浪向即SE向波浪，因此SW向浪作用下，防波堤的扭轉(zhuǎn)對(duì)外海波浪的阻擋作用影響不大，LNG碼頭未處在防波堤堤頭段的掩護(hù)下，但泊位波高仍較原方案略有改善，重件碼頭由重力式改為透空式結(jié)構(gòu)，使得碼頭前反射減小。

SSW向浪作用下，由于防波堤順時(shí)針扭轉(zhuǎn)8°，對(duì)LNG碼頭的掩護(hù)效果略好，但由于防波堤堤頂高程由8.45 m降低為7.086～7.443 m，使得堤頭段越浪比原方案更加明顯，越過(guò)堤頂?shù)乃w產(chǎn)生的次生波與堤頭繞射波浪疊加，使LNG碼頭位置處波高有所增加。對(duì)于重件碼頭由于結(jié)構(gòu)形式的變化，反射減小，波高值也相應(yīng)減小。

S向浪作用下，300 m堤頭段主要是阻擋S向波浪，加之防波堤的扭轉(zhuǎn)，對(duì)LNG碼頭的掩護(hù)效果更好，碼頭前主要受堤頭繞射波浪影響，S向浪對(duì)于堤頭段為正向入射，作用強(qiáng)烈，而防波堤堤頂高程的降低，使得堤頭段越浪比原方案更加明顯，越過(guò)堤頂?shù)乃w產(chǎn)生的次生波與堤頭繞射波浪疊加，使LNG碼頭位置處波高較原方案有所增加，重件碼頭前波高由于透空式結(jié)構(gòu)反射小，波高較原方案減小。

SE向浪作用下，LNG碼頭及重件碼頭均處在防波堤掩護(hù)下，但由于防波堤頂高程降低導(dǎo)致越浪明顯，越浪水體在堤后產(chǎn)生的次生波較大。LNG碼頭泊位處的波高與原方案時(shí)相當(dāng)。

根據(jù)平面試驗(yàn)結(jié)果可知，盡管頂高程降低后修改方案越浪量及其所產(chǎn)生的次生波高較原方案有所加強(qiáng)，但港內(nèi)波高仍滿(mǎn)足LNG碼頭的泊穩(wěn)要求，且降低了工程造價(jià)，修改方案更優(yōu)于原方案，確定修改方案為最終平面布置方案。確定港口整體布置形式后，為了確保水工結(jié)構(gòu)的安全性，又進(jìn)行了防波堤斷面模型試驗(yàn)。

3 水工結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)斷面

根據(jù)總體平面布置優(yōu)化結(jié)果，對(duì)防波堤堤頭段及堤身段共3個(gè)斷面進(jìn)行試驗(yàn)。其中堤頭段為一個(gè)斷面，堤身段由于不同位置頂高程有所變化，取不同位置的斷面一和斷面二作為試驗(yàn)斷面。

防波堤堤頭斷面不設(shè)防浪墻，斜坡護(hù)面坡度為1∶1.5，內(nèi)、外坡均采用24 t扭王字塊體護(hù)面。堤內(nèi)、外側(cè)塊石護(hù)底的設(shè)計(jì)厚度為1.7 m，寬度為20.0 m，采用1 500～2 000 kg塊石鋪設(shè)。

堤身斷面一堤頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為7.086 m，坡面及堤頂采用18 t扭王字塊體防護(hù)。堤內(nèi)側(cè)為戧臺(tái)式護(hù)面，戧臺(tái)頂標(biāo)高為-2.0 m，戧臺(tái)上部護(hù)面坡度1∶1.5，扭王字塊體的重量18 t；戧臺(tái)下部護(hù)面坡度1∶2，護(hù)面塊石的重量為1 200～1 500 kg。內(nèi)、外側(cè)塊石護(hù)底均采用1 200～1 500 kg塊石鋪設(shè)。防波堤堤身段斷面一見(jiàn)圖2。

圖2 防波堤堤身段斷面一

堤身斷面二堤頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為6.783 m，頂寬為8.95 m。防波堤外側(cè)為斜坡式設(shè)計(jì)，坡度1∶1.5，坡面及堤頂采用14 t扭王字塊體護(hù)面。堤內(nèi)側(cè)為塊石棱體，棱體上部護(hù)面坡度1∶1.5，扭王字塊體的重量14 t；棱體下部護(hù)面坡度1∶2，棱體塊石的重量為1 000～1 200 kg。內(nèi)、外側(cè)塊石護(hù)底坡度1∶2，均采用1 000～1 200 kg塊石鋪設(shè)。

3.2 試驗(yàn)條件

根據(jù)試驗(yàn)要求分別對(duì)不同試驗(yàn)斷面在不同水位、設(shè)計(jì)波要素組合條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)確定堤頭段、堤身段防波堤斷面合理的頂高程，并測(cè)定其越浪水舌厚度，波浪爬高以及堤后不同位置處的波高；驗(yàn)證防波堤斷面各部位的穩(wěn)定性；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出防波堤斷面優(yōu)化建議。

斷面波浪物理模型試驗(yàn)是在長(zhǎng)、寬、高分別為68.0 m、1.0 m、1.6 m無(wú)反射造波機(jī)波浪水槽中進(jìn)行的，為了與整體模型試驗(yàn)相一致，斷面模型試驗(yàn)不規(guī)則波的頻譜亦采用JONSWAP譜，根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》的要求，防波堤模型選用的幾何比尺為1∶37，一次波浪采集數(shù)據(jù)控制在200～300個(gè)波。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)整體布置及穩(wěn)定性的需要，分別進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，以及測(cè)定了各斷面堤頂前端及后端的最大越浪水舌厚度以及堤后不同位置處的再生波高[4-5]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，堤身斷面一由于在低水位時(shí)越浪水體濺落在堤后的堆石棱體上，使棱體塊石大量滾落，以致堤后扭王字塊體失穩(wěn)，據(jù)此對(duì)原斷面進(jìn)行修改，堆石棱體頂高程由-2.0 m降至-5.0 m，其他各部位不變。堤頭斷面、堤身斷面一及修改方案、堤身斷面二試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 防波堤斷面試驗(yàn)波浪要素組次及結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)合理的港口整體布置，安全可靠的水工結(jié)構(gòu)，是港口建設(shè)的關(guān)鍵。在工程項(xiàng)目規(guī)劃期間，采用正確的模型試驗(yàn)手段，可以科學(xué)地論證港口整體布置合理性，并優(yōu)化總體布置方案，確定經(jīng)濟(jì)合理的整體布置形式。同時(shí)通過(guò)水工結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，以保證工程的安全穩(wěn)定。

通過(guò)整體試驗(yàn)，對(duì)原港口整體布置方案進(jìn)行了修改，試驗(yàn)結(jié)果表明整體布置修改方案不僅滿(mǎn)足碼頭泊穩(wěn)條件，而且降低了堤頂高程，減少了工程造價(jià)，所以更為經(jīng)濟(jì)合理；通過(guò)斷面試驗(yàn)，對(duì)堤身斷面一進(jìn)行了修改，試驗(yàn)結(jié)果證明，堤頭斷面、堤身斷面一修改方案、堤身斷面二各部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果為港口平面布置及水工建筑物的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù)。

[1]陳長(zhǎng)泰.祥芝漁港擋浪墻頂高程與港內(nèi)泊穩(wěn)條件的研究[J].水運(yùn)工程，2007（5）:43-45.

[2]張先波.粵東LNG一體化項(xiàng)目碼頭工程整體波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.

[3]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4]李玉成，滕斌.波浪對(duì)海上建筑物的作用[M].北京.海洋出版社，2002.

[5]曲淑媛，李?yuàn)?粵東LNG一體化項(xiàng)目碼頭工程防波堤斷面波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.