宋文濤，姚 迪

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 工程概況

某 LNG項目海域排水口結構布置于接收站陸域場地東側，穿過陸域東側預留地和防波堤向海域排水，排水口結構的位置見圖1，從圖中可以看出在陸域接收站東側圍墻外由西往東規(guī)劃建設分別為一條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圍墻穿出后向東側海域排水，總長度約170 m，需經(jīng)過規(guī)劃建設的道路、排洪溝及已建防潮堤和防波堤等外部復雜環(huán)境條件，對排水口的設計和施工產(chǎn)生較大影響[1]。

圖1 排水口位置示意

2 基礎條件分析

2.1 自然條件

1）工程地質

工程地勘揭示項目場區(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)的灰色粉土或粉細砂、中下部為中密～密實狀態(tài)的灰色、灰黃粉細砂。排水管經(jīng)過區(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的地質表層為流塑狀態(tài)和易沖刷的淤泥、淤泥質粘土。因此，需研究排水管的基礎，保證基礎承載力的要求，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的海床穩(wěn)定。

2）水文波浪

工程所在地設計水位為：200年一遇高潮位6.30 m（當?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、設計高水位4.37 m、平均潮位2.56 m、設計低水位0.79 m。排水口穿過防潮堤和防波堤后進行海水排放，其端部結構將承受防波堤外側的波浪作用，設計波浪與防潮堤、防波堤的設計波浪標準相同，按照200年一遇高潮位和100年一遇波浪組合。

各設計波浪要素為：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。排水口的端部結構承受的波浪荷載作用較強，同時由于海水排放口端部的海床基礎較薄弱，端部結構若采用重力式等淺基礎結構坐落在海床基礎上，抵抗波浪荷載作用的效果較差，因此，需研究如何加強海水排放口端部結構的基礎，采用樁基等深基礎結構方案，用以增強其抵抗波浪荷載的作用；同時考慮適當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以內(nèi)，冰厚10～25 cm，50年重現(xiàn)期的設計冰厚約為0.39 m。海水排放口為敞開式的結構，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]，因此需研究適當降低排放口結構的高程，避開冰水混合段，設在冰水分層明顯的位置，使其頂部低于平均潮位設計冰厚以下，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)場條件

由圖1可以看出，現(xiàn)場陸域接收站圍墻東側10 m外規(guī)劃建設一條20 m的道路，規(guī)劃道路再向東16 m外建設一條20～30 m的排洪溝。

防波堤為半圓型結構，后方回填10～100 kg塊石及倒濾結構。防波堤內(nèi)側設置港區(qū)防潮堤，結構利用半圓形防波堤，后方設置擋墻和道路形成斜坡式結構，斜坡上設置柵欄板護面，堤心采用大型充填袋。防潮堤、防波堤斷面詳見圖2。

圖2 防潮堤和防波堤結構斷面示意

海水排海管道如何經(jīng)過防潮堤和東防波堤是排水口結構設計的重要部分，從不影響圍墻外側規(guī)劃道路和排洪溝建設的角度考慮，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。但是，深埋排水管方案導致陸域和已建防潮堤及防波堤的開挖量很大，并且會破壞防潮堤和防波堤的堤心主體結構，關系到 LNG接收站的安全運營，因此，采用不破壞已建防潮堤和防波堤主體結構的工程方案。根據(jù)已建防潮堤和防波堤的結構型式分析，防波堤半圓體為預制結構，是防波堤的主要結構，尺寸截面大、重量大，拆除難度大，可適當抬高排水管，使其從防波堤半圓體結構頂部跨越，經(jīng)過防潮堤時僅在防潮堤頂部進行局部開挖，開挖量較小。排水管抬高對規(guī)劃的道路和排洪溝建設產(chǎn)生一定影響，需對管底的設計高程進行研究；排水口在防波堤外側的出水點高程較高，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構的安全，并防止防波堤外側的海床沖刷。

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，到陸域東側圍墻處接入排水口結構，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，實際運行流量按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，需研究在排水口結構中采取相應的加壓措施，以滿足壓力排水方式對排水量和排水流速的要求。

3 排水口結構方案研究

3.1 研究思路

根據(jù)自然條件、現(xiàn)場條件和排水工藝條件的研究分析，排水口結構方案從陸域圍墻處往海側方向沿線主要解決的問題和達到效果主要包括：設置加壓措施形成壓力排水方式滿足排水量和排水流速的要求；設置可靠的排水管基礎結構，減小或防止排水管發(fā)生沉降位移；抬高排水管道高程，減小對規(guī)劃道路和排洪溝的影響；減小排水管穿越防潮堤時的開挖量，盡量減少對防潮堤主體結構的影響；排水管從防波堤頂部跨越，不影響防波堤結構；末端排放口基礎采用樁基結構，增加其抵抗波浪荷載的作用；降低末端結構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，同時先通過淹沒流進行部分消能；防波堤外側海床設置消能防沖措施，保證防波堤結構安全。

3.2 結構方案

結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，排水口結構的設計方案為：在圍墻處設置兩個相互獨立的鋼筋混凝土承壓集水池（每個集水池對應一個排水通道）將場地內(nèi)的兩條DN2200玻璃鋼管接入，將水體加壓抬升后通過兩根預制箱涵（箱涵中心高程7.45 m）進行壓力排水；抬高防潮堤岸側陸域的排水管高程，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，僅在防波堤頂部進行局部開挖，并能從半圓體防波堤結構頂部跨越；排水箱涵的基礎為樁基墩臺和樁基橫梁；海水排放口端部采用現(xiàn)澆異形墩臺，墩臺內(nèi)預留排水通道，現(xiàn)澆墩臺下設置鋼管樁；海水排放口采用跌入式沉箱結構，與現(xiàn)澆異形墩臺排水通道連接，并設置排水孔，排放口頂高程位于平均潮位以下，排水水流通過淹沒流進行消能，海側消能防沖措施采用2 t扭王字塊和護底塊石，結構方案如圖3所示。

圖3 排水口結構斷面示意

3.3 結構方案優(yōu)勢分析

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

2）目前接收站圍墻東側陸域已吹填形成至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，岸側陸域無開挖量，僅在防潮堤頂部進行小范圍開挖，施工開挖費用少，節(jié)省工程費用。防潮堤頂部結構恢復防滲處理簡單，開挖部分恢復采用回填粘土進行分層碾壓，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LNG接收站的掩護作用。

3）抬高排水管高程對后續(xù)規(guī)劃建筑物影響?。号藕闇衔挥陉懹蝽敳恳韵拢潘浜哂诂F(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輛荷載，對規(guī)劃道路的設計、施工和使用影響較小。

4）鋼筋混凝土承壓集水池結構簡單，工程費用低，兩個相互獨立的集水池可以單個進行檢修，可保證排水口不間斷工作；海水排放口處現(xiàn)澆異形墩臺下設置鋼管樁，高樁墩臺結構抵抗波浪荷載的作用較強，結構可靠度高，異形墩臺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)進行相互沖擊消能，再通過位于沉箱側面、低于平均潮位約1 m處（位于50年重現(xiàn)期設計冰厚層下方約0.6 m）的開口，消能效果較好，同時可以減小波浪荷載和冰荷載對排放口的不利影響。

3.4 消能防沖設施分析

排放口端部采用異形墩臺和跌入式沉箱先進行相互沖擊消能，再通過淹沒流二次消能，并設置2 t扭王字塊和護底塊石的綜合消能防沖措施保護海側基床穩(wěn)定，為驗證綜合消能方式的可靠性和海側基床的防護范圍，通過數(shù)學模型對排水口工程建成前后的潮流場進行研究。潮流數(shù)學模型采用大小模型嵌套的方法進行計算，小范圍數(shù)學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對排水工況進行計算分析，垂向分為6層。大模型數(shù)學模型用于為小范圍數(shù)學模型提供開邊界水位過程，使用二維表面流動模擬軟件包MIKE 21建立[4]。

根據(jù)排海水口的結構方案，通過數(shù)學模型進行研究分析：排水口建成后，主要造成工程水域潮流流速增大，對潮流流場的影響主要在港區(qū)口門防波堤以南，排水口東側2 km以內(nèi)水域。在距擬建排水口50 m時，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4。

排水口剖面最大流速分布可見圖5。由圖可見，1 m/s流速包絡線東西相距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。同時統(tǒng)計可得出海床 1 m/s最大流速包絡線面積約為760 m2。基于排水口建成后的流場研究分析，對海水排放口端部跌入式沉箱的海側基床60 m范圍內(nèi)進行防護：前10 m范圍內(nèi)設置2 t扭王字塊體，其它范圍采用拋石防護，重量分別為 100～200 kg和10～100 kg，拋石兩側擴散角為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 語

排水口工程是 LNG項目的重要組成部分，關系到大量用于LNG氣化冷卻海水如何排放的問題，甚至關系到 LNG項目成敗和安全運行的關鍵。根據(jù)某 LNG項目工程的特定條件及排水口結構的特殊形式，綜合考慮結構安全，結合工程地質、水文和氣象等自然條件、現(xiàn)場施工條件、對后續(xù)規(guī)劃建筑物的影響及消能防沖措施等因素，進行了針對性的研究分析，確定較為合理的方案為項目使用。排水口結構方案已于2016年6月通過當?shù)毓芾聿块T審查認可批準建設，并于 2017年底投產(chǎn)運營，運行至今效果良好，不僅滿足了排水工藝條件的要求，而且對海水排放口處的海側基床起到了很好的防護作用，可供類似工程參考。