煙臺港西港區30萬t級原油碼頭工程物理模型試驗研究

王佳佳，張 靜

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

1 項目概況

煙臺港西港區30萬t級原油碼頭位于煙臺港西港區原油作業區，在已建一期30萬t級原油碼頭北側。新建30萬t級碼頭長401 m，碼頭前沿至陸域約390 m。碼頭設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 研究內容及工程方案

2.1 研究內容

根據不同結構方案，通過局部整體物理模型試驗，測定波浪對群墩及其上部結構的作用情況。

1）測定設計高水位和極端高水位時的波峰面高程。

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

3）分析本工程平面布置方案的群墩系數，為碼頭方案設計提供參考。

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構方案。

工作平臺基礎由2座方沉箱構成，每座沉箱寬為20.35 m，長為30.85 m，高度為29 m，內分為24個隔倉，單座沉箱預制重量約為7 850 t?；A需開挖上部土層并炸巖至設計高程，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，其內拋填石碴。平臺海側采用柵欄板護底，其余采用200～300 kg塊石護底。沉箱頂安放預制蓋板，現澆疊合板至設計高程后，四周分別安放雙柱消浪塊體，并在平臺四角現澆胸墻，中間封閉區域根據上部設備管線分布需求設墩柱基礎，其間拋填10～50 kg塊石，并對其做密實處理，其上現澆混凝土頂板至設計高程。工作平臺兩側設雙鉤1 500 kN快速脫纜鉤。

靠船墩基礎采用21.55 m×21.55 m的方沉箱，高度為29 m，內分為16個隔倉，單座沉箱預制重量約為5 613 t。基礎需開挖上部土層并炸巖至設計高程，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，其內拋填石碴?？看蘸炔捎脰艡诎遄o底，其余采用200～300 kg塊石護底。沉箱頂安放預制蓋板，現澆疊合板至設計高程后，其上現澆胸墻，背側安放雙柱消浪塊體，其上現澆混凝土頂板至設計高程。每個靠船墩分別安裝一套兩鼓一板SC3000H Ro型護舷，系泊設施設置一套雙鉤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種沉箱結構（實體沉箱和透空沉箱）等結構方案組合的試驗，其中：

方案一為開孔沉箱、雙柱塊體胸墻結構、碼頭面高程11.0 m；

方案二為開孔沉箱、雙柱塊體胸墻結構、碼頭面高程10.0 m；

方案三為實體沉箱、雙柱塊體胸墻結構、碼頭面高程11.0 m；

方案四為實體沉箱、雙柱塊體胸墻結構、碼頭面高程10.0 m。

圖2 碼頭結構局部立面示意

3 研究方法

3.1 波浪模擬

試驗采用不規則波，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，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在100以上，根據試驗要求，針對不同斷面，在各個水位依據給定的波浪要素進行率定，將最后得到的造波參數存儲在計算機中。試驗時，依據對應率定好的造波信號進行造波。

3.2 穩定性判斷

進行穩定性試驗時，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。護面塊體的穩定性試驗，根據波浪試驗規程規定，每組至少重復3次。當3次試驗現象差別較大時，增加重復次數。每次試驗護面塊體均重新擺放。

護底塊體穩定性判斷，其穩定性主要依據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；當波浪累計作用下塊體位移后產生的縫隙寬度超過最大幾何尺度一半時，也判斷為失穩；沒有位移即判斷為穩定。失穩的斷面要進行重復試驗，重復試驗也失穩的，判斷為斷面失穩；重復試驗不失穩，加大重復試驗次數，分析失穩原因，綜合分析情況給出穩定性結論。

4 試驗結果

4.1 波高試驗結果

圖3 NE向波高傳感器位置

根據波高結果分析：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；兩種沉箱結構相比，透空沉箱可減小迎浪側波高，且由于其透浪性較強，在極端高水位、設計高水位和設計低水位條件下碼頭結構后波浪大于實體沉箱結構。此處，我們選取不規則波H13%在設計高水位情況下進行比較分析，不同方案波高結果如表1所示。

表1 NE向設計高水位波高（H13%）

4.2 工作平臺、靠船墩附近波鋒面和上水結果

從波鋒面和上水結果可知：碼頭面高程為11.0 m時，上水情況明顯好于10.0 m情況；此外雙柱塊體結構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采用雙柱塊體結構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向設計高水位波鋒面高程

表3 NE向設計高水位上水結果

4.3 透空沉箱結構群墩系數結果

根據規范公式計算工作平臺和靠船墩單墩所受波浪水平總力[2]，結果見表4，結合斷面試驗中實測NE向波浪水平總力（折合到結構整體寬度）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，根據上述波浪總力計算透空沉箱方案各工況條件下群墩系數Kx結果見表7。

表4 規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

5 結 語

通過波浪局部整體物理模型試驗，針對碼頭結構方案穩定性及越浪情況進行試驗，主要得到以下結論：

1）根據波浪分布結果可知，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；兩種沉箱結構相比，透空沉箱可減小迎浪側波高，且由于其透浪性較強，在極端高水位、設計高水位和設計低水位條件下碼頭結構后波浪大于實體沉箱結構，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構。

2）從波鋒面和上水結果可知：碼頭面高程為11.0 m時，上水情況明顯好于10.0 m情況；此外雙柱塊體結構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采用雙柱塊體結構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。

根據試驗結果，計算群墩系數為：工作平臺0.85～1.02（NE向）；靠船墩0.75～0.94（NE向）。

根據試驗中觀察，碼頭結構前水深波高較大，波浪作用與結構物上發生破碎，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構響應偏于保守，建議對受力沖擊的取值予以關注；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出一定的隨機性。