王佳佳，張 靜

（1.煙臺港集團有限公司，山東 煙臺 264000；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

1 項目概況

煙臺港西港區(qū)30萬t級原油碼頭位于煙臺港西港區(qū)原油作業(yè)區(qū)，在已建一期30萬t級原油碼頭北側(cè)。新建30萬t級碼頭長401 m，碼頭前沿至陸域約390 m。碼頭設(shè)40 m×30 m工作平臺1座，20.65 m×20.65 m靠船墩2座，前沿底高程為-26.0 m；直徑均為16.0 m系纜墩6座（其中艏纜墩利用已建一期30萬t級原油碼頭艉纜墩）；350 m×13 m引橋1座，分4跨；16.0 m×16.0 m引橋墩2座；50 m×32 m消控平臺1座。

圖1 工程碼頭布置

2 研究內(nèi)容及工程方案

2.1 研究內(nèi)容

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)方案，通過局部整體物理模型試驗，測定波浪對群墩及其上部結(jié)構(gòu)的作用情況。

1）測定設(shè)計高水位和極端高水位時的波峰面高程。

2）觀測在設(shè)計高水位、設(shè)計低水位、極端高水位、極端低水位及不利水位時，在港區(qū)外側(cè)重現(xiàn)期為50年一遇的波浪作用下工作平臺墩及靠船墩各部分的穩(wěn)定性。

3）分析本工程平面布置方案的群墩系數(shù)，為碼頭方案設(shè)計提供參考。

2.2 工程方案

本次波浪物理模型試驗擬針對30萬t級碼頭工作平臺及靠船墩進行。30萬t級碼頭工作平臺及靠船墩擬采用雙柱消浪塊體上部結(jié)構(gòu)方案。

工作平臺基礎(chǔ)由2座方沉箱構(gòu)成，每座沉箱寬為20.35 m，長為30.85 m，高度為29 m，內(nèi)分為24個隔倉，單座沉箱預制重量約為7 850 t。基礎(chǔ)需開挖上部土層并炸巖至設(shè)計高程，形成基槽后拋填10～100 kg拋石基床，上部安放預制沉箱，沉箱頂高程2.0 m，其內(nèi)拋填石碴。平臺海側(cè)采用柵欄板護底，其余采用200～300 kg塊石護底。沉箱頂安放預制蓋板，現(xiàn)澆疊合板至設(shè)計高程后，四周分別安放雙柱消浪塊體，并在平臺四角現(xiàn)澆胸墻，中間封閉區(qū)域根據(jù)上部設(shè)備管線分布需求設(shè)墩柱基礎(chǔ)，其間拋填10～50 kg塊石，并對其做密實處理，其上現(xiàn)澆混凝土頂板至設(shè)計高程。工作平臺兩側(cè)設(shè)雙鉤1 500 kN快速脫纜鉤。

靠船墩基礎(chǔ)采用21.55 m×21.55 m的方沉箱，高度為29 m，內(nèi)分為16個隔倉，單座沉箱預制重量約為5 613 t?；A(chǔ)需開挖上部土層并炸巖至設(shè)計高程，形成基槽后拋填10～100 kg拋石基床，上部安放預制沉箱，沉箱頂高程2.0 m，其內(nèi)拋填石碴。靠船墩海側(cè)采用柵欄板護底，其余采用200～300 kg塊石護底。沉箱頂安放預制蓋板，現(xiàn)澆疊合板至設(shè)計高程后，其上現(xiàn)澆胸墻，背側(cè)安放雙柱消浪塊體，其上現(xiàn)澆混凝土頂板至設(shè)計高程。每個靠船墩分別安裝一套兩鼓一板SC3000H Ro型護舷，系泊設(shè)施設(shè)置一套雙鉤1 500 kN快速脫纜鉤。

在NE向試驗中，進行了2種碼頭面高程（10.0 m和11.0 m）和2種沉箱結(jié)構(gòu)（實體沉箱和透空沉箱）等結(jié)構(gòu)方案組合的試驗，其中：

方案一為開孔沉箱、雙柱塊體胸墻結(jié)構(gòu)、碼頭面高程11.0 m；

方案二為開孔沉箱、雙柱塊體胸墻結(jié)構(gòu)、碼頭面高程10.0 m；

方案三為實體沉箱、雙柱塊體胸墻結(jié)構(gòu)、碼頭面高程11.0 m；

方案四為實體沉箱、雙柱塊體胸墻結(jié)構(gòu)、碼頭面高程10.0 m。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)局部立面示意

3 研究方法

3.1 波浪模擬

試驗采用不規(guī)則波，波譜為JONSWAP譜，為了提高模擬精度和造波工作效率，在模型擺放之前，首先率定原始波要素，以達到試驗波要素滿足目標值的要求[1]。

不規(guī)則波采用頻譜模擬，將給定的有效波高及周期送入計算機進行波譜模擬，經(jīng)過修正后，使峰頻附近譜密度、峰頻、譜能量、有效波高等滿足試驗規(guī)程要求，即：

1）波能譜總能量的允許偏差為±10 %；

2）峰頻模擬值的允許偏差為±5 %；

3）在譜密度大于或等于0.5倍譜密度的范圍內(nèi)，譜密度分布的允許偏差為±15 %；

4）有效波高、有效波周期或譜峰周期的允許偏差為±5 %；

5）模擬的波列中1 %累積頻率波高、有效波與平均波高比值的允許偏差為±15 %。

每組波要素的波列都保持波個數(shù)在100以上，根據(jù)試驗要求，針對不同斷面，在各個水位依據(jù)給定的波浪要素進行率定，將最后得到的造波參數(shù)存儲在計算機中。試驗時，依據(jù)對應率定好的造波信號進行造波。

3.2 穩(wěn)定性判斷

進行穩(wěn)定性試驗時，每個水位條件下模擬原體波浪作用時間取4 h，以便觀察斷面在波浪累積作用下的變化情況。護面塊體的穩(wěn)定性試驗，根據(jù)波浪試驗規(guī)程規(guī)定，每組至少重復3次。當3次試驗現(xiàn)象差別較大時，增加重復次數(shù)。每次試驗護面塊體均重新擺放。

護底塊體穩(wěn)定性判斷，其穩(wěn)定性主要依據(jù)試驗人員觀察到的位移情況進行判斷。試驗中當累積位移超過塊體最大幾何尺度一半、塊體滑落或跳出時，即判斷為失穩(wěn)；當波浪累計作用下塊體位移后產(chǎn)生的縫隙寬度超過最大幾何尺度一半時，也判斷為失穩(wěn)；沒有位移即判斷為穩(wěn)定。失穩(wěn)的斷面要進行重復試驗，重復試驗也失穩(wěn)的，判斷為斷面失穩(wěn)；重復試驗不失穩(wěn)，加大重復試驗次數(shù)，分析失穩(wěn)原因，綜合分析情況給出穩(wěn)定性結(jié)論。

4 試驗結(jié)果

4.1 波高試驗結(jié)果

圖3 NE向波高傳感器位置

根據(jù)波高結(jié)果分析：不同碼頭面高程對波高分布基本無明顯影響，僅在極端高水位工作平臺及靠船墩附近測點有較小的不同；兩種沉箱結(jié)構(gòu)相比，透空沉箱可減小迎浪側(cè)波高，且由于其透浪性較強，在極端高水位、設(shè)計高水位和設(shè)計低水位條件下碼頭結(jié)構(gòu)后波浪大于實體沉箱結(jié)構(gòu)。此處，我們選取不規(guī)則波H13%在設(shè)計高水位情況下進行比較分析，不同方案波高結(jié)果如表1所示。

表1 NE向設(shè)計高水位波高（H13%）

4.2 工作平臺、靠船墩附近波鋒面和上水結(jié)果

從波鋒面和上水結(jié)果可知：碼頭面高程為11.0 m時，上水情況明顯好于10.0 m情況；此外雙柱塊體結(jié)構(gòu)胸墻和透空沉箱可有效降低碼頭前沿波鋒面高度，改善上水情況；此外，在試驗中觀察靠船墩背浪側(cè)采用雙柱塊體結(jié)構(gòu)可有效降低饒射波浪在后方平臺上的匯聚，減少碼頭面上水。

圖4 波鋒面測點位置

表2 NE向設(shè)計高水位波鋒面高程

表3 NE向設(shè)計高水位上水結(jié)果

4.3 透空沉箱結(jié)構(gòu)群墩系數(shù)結(jié)果

根據(jù)規(guī)范公式計算工作平臺和靠船墩單墩所受波浪水平總力[2]，結(jié)果見表4，結(jié)合斷面試驗中實測NE向波浪水平總力（折合到結(jié)構(gòu)整體寬度）見表5，整體模型試驗中工作平臺和靠船墩所受波浪總力見表6，根據(jù)上述波浪總力計算透空沉箱方案各工況條件下群墩系數(shù)Kx結(jié)果見表7。

表4 規(guī)范公式計算工作平臺和靠船墩波浪力

表5 斷面試驗工作平臺和靠船墩

表6 整體試驗工作平臺和靠船墩波浪力

表7 工作平臺和靠船墩群墩系數(shù)

5 結(jié) 語

通過波浪局部整體物理模型試驗，針對碼頭結(jié)構(gòu)方案穩(wěn)定性及越浪情況進行試驗，主要得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)波浪分布結(jié)果可知，不同碼頭面高程對波高分布基本無明顯影響，僅在極端高水位工作平臺及靠船墩附近測點有較小的不同；兩種沉箱結(jié)構(gòu)相比，透空沉箱可減小迎浪側(cè)波高，且由于其透浪性較強，在極端高水位、設(shè)計高水位和設(shè)計低水位條件下碼頭結(jié)構(gòu)后波浪大于實體沉箱結(jié)構(gòu)，因此從波浪分布角度來講，建議胸墻和沉箱均選用開孔式結(jié)構(gòu)。

2）從波鋒面和上水結(jié)果可知：碼頭面高程為11.0 m時，上水情況明顯好于10.0 m情況；此外雙柱塊體結(jié)構(gòu)胸墻和透空沉箱可有效降低碼頭前沿波鋒面高度，改善上水情況；此外，在試驗中觀察靠船墩背浪側(cè)采用雙柱塊體結(jié)構(gòu)可有效降低饒射波浪在后方平臺上的匯聚，減少碼頭面上水。因此建議碼頭面高程采用11.0 m。

根據(jù)試驗結(jié)果，計算群墩系數(shù)為：工作平臺0.85～1.02（NE向）；靠船墩0.75～0.94（NE向）。

根據(jù)試驗中觀察，碼頭結(jié)構(gòu)前水深波高較大，波浪作用與結(jié)構(gòu)物上發(fā)生破碎，破波沖擊較大，由于物理模型縮尺效應影響，其破波作用由于夾氣量的不同，模型破波沖擊會弱于原型，而時間比尺又會造成模型的受力時間長于原型使結(jié)構(gòu)響應偏于保守，建議對受力沖擊的取值予以關(guān)注；試驗中對人行橋和棧橋的觀察顯示波浪對敲地板的沖擊呈現(xiàn)出一定的隨機性。