新型人工岛护坡抗冰结构的系统设计与应用＊

刘喜传

（中国海洋石油总公司）

0 引言

渤海湾冬季温度低，海冰厚度超过0.6 m，结冰期长达一个月以上，为强结冰海域。由于大型冰块受到环境的驱动冲击人工岛护坡，现有的护坡抗冰结构很难满足特殊环境的要求，护岸破坏严重，恶劣的情况下会出现崩堤和爬坡，危及油田工程和人身的安全。尽管常用的抛石结构具有很好的抗冰效果，但其用量大，经济性不合理，因此笔者根据渤海湾的环境特点提出了一种新型人工岛抗冰结构，即伞型块体。与我国常用的扭工块体、四脚空心块、四脚锥体等相比［1－3］，伞型块体具有如下几方面的优点：①专门为消冰力、断冰设计，效果好；②形状尺寸合理，且连接部位既厚又粗，不易断裂，相邻块体之间彼此嵌固，护面稳定性好；③这种新型块体只放一层，混凝土用量少。在冰力冲击相同的情况下，它与扭工块体护面相比，其混凝土量可节省40%，经济性好。本文主要介绍这种新型抗冰块体结构的系统设计与试验安装。

1 新型人工岛护坡抗冰结构系统设计

1.1 块体参数的确定

图1为新型人工岛护坡抗冰结构块体参数计算图。根据设计的基本原理，人工岛护坡块体参数可按公式（1）进行计算

式（1）中：h为人工岛护坡的总高度；h（1）～h（n）为护坡分成n段后每段的高度，其值大小与坡角α和倾角b有关；坡角α根据文献［3］进行选取；倾角b根据水位深度的不同选取。

图1 新型人工岛护坡抗冰结构块体参数计算图

图2为新型人工岛护坡抗冰结构块体三维效果图和结构示意图。H为工作面上的边，直接接触冰块，也是重要的一条边，取值正确与否直接影响护面整体形状和抗冰效果。参考国内外同类型异性块体设计，经过反复试验得到一般情况下水深、块体倾角b和工作面边长H的关系：水深在15～20 m时，b取值为2～4°，H在2 m左右；水深在10～15 m时，b取值为4～7°，H 在1.5～2 m；水深在5～10 m时，b取值为7～10°，H 在1～1.5 m；水深在5 m以下时，b取值为10～11°，最大不超过12°，H 在1 m左右。以上取值仅为参考值，H值大小需要根据新型块体具体的长宽不同而变化，应根据具体情况进行具体分析。

图2 新型人工岛护坡抗冰结构块体三维效果图和结构示意图

新型抗冰结构块体的边分上下两边，两边不在同一水平面上；两边中间有一直通孔，l为新型块体互相连接的边，此边长应根据计算和经验得出，一般取2/5 H；R为新型块体的工作面上的长边，此边一般情况下取值为1.5 H。

新型抗冰结构块体的体积V分别为

1.2 块体结构形状设计

基于砂石人工岛的结构和直立式防波堤结构，新型抗冰结构的形状设计为伞型，整个人工岛护坡抗冰结构由n个新型块体组成，护面有坡角α和倾角b两个角度参数。由于新型抗冰结构块体上下两边有b的角度差，如果有n块新型块体互相这样连接，则最底部的块体的边与最顶部的块体的边之间的倾角为nb。我们将新型抗冰结构的形状设计为伞型，其目的是使nb最大为90°，根据设计需要可适当放大5°，这样可使冰板在护面上不断上爬和断裂，并不断坠入海中，从而使得冰块不能上爬到地面工作区，保护了工作人员的安全。

1.3 抗冰过程模拟

图3为新型拉冰结构的抗冰过程模拟图。抗冰过程共分6步：其中图3a、b为护面结构抗冰初接触的过程，图3c、d为护面结构抗冰爬坡接触和冰块断裂的过程，图3e、f为护面结构抗冰倾覆接触的过程。在图3a、b的模拟过程中，冰块刚接触结构，由于坡角α和环境驱动力的关系，冰板在结构上产生爬坡；在图3c、d的模拟过程中，冰板已经上爬到了一定高度，由于新型块体上下边之间有角度差以及坡角α的关系，冰块发生断裂，在后继冰的推动下，断裂后的冰块继续上爬；在图3e、f的模拟过程中，断裂后的冰块继续上爬，此时作用于断裂冰块上的力有其自身的重力、接触结构的摩擦力以及后继冰的驱动力，如果坡角α以及倾角b的值设计合理，冰板上爬到一定程度的时候，断裂冰块自身的重量和摩擦力的合力大于后继冰的驱动力，大的冰块发生倾覆坠入海底，达到了保护人工岛的作用。

图3 新型人工岛护坡抗冰结构抗冰过程摸拟

1.4 受力对比分析

图4为新型人工岛护坡与现有的砂石人工岛护坡抗冰结构受力对比图。图4中，新型人工岛护坡抗冰结构块体的受力只存在于点A、B，冰块与护面的接触面积小，摩擦力分别为fA和fB，且fA和fB的方向不在同一条直线上，摩擦力小；而砂石人工岛护坡抗冰结构中，冰块与护面块体接触面为整个接触面积，接触面积大，摩擦力大，且冰块易进入生活和工作区域。可见，新型人工岛护坡抗冰结构在抗冰受力和断裂冰块上优于现有的砂石人工岛护面结构。

图4 新型人工岛护坡与现有的砂石人工岛护坡抗冰受力对比图

2 安装工艺与应用效果

2.1 安装工艺

伞型块体预制质量很大程度上取决于模板工艺，其模板一般设计为单层定型钢模，分上下两块，上下连接缝内夹1 cm的橡胶条，防止漏浆。

伞型块体安装工艺一般分为陆上安装和水上安装2种，可根据现场施工条件（主要是海况）选择施工设备。对于水上安装伞型块体，首先要根据单个块体的重量及伞型块体护岸的最大水平距离合理选用施工机械（工程中一般长边为6.3 m的块体安装选用1500 k N履带吊机，长边为0.8 m可选用650 k N履带吊机），同时根据具体情况合理选用起重船；其次要确定安装吊机在每区安装作业时的中心坐标，并在现场做好桩号，安装前应模拟安装。对于陆上安装伞型块体，应根据上述选用施工机械的原则合理选用施工设备，安装前也应模拟安装。护坡的安装顺序必须从斜面坡脚处的第一排开始，并顺着已安装完的逐步向上推进安装，而且第一排安放质量的好坏对后来的各排安装块体的安放质量影响很大。根据工程情况，在渤海湾进行了模型试验安装，结果表明：伞型块体安放形态平整时消冰效果好，且安装方便，因此要求相邻两块伞型块体安放形态相同，且相差距离不超过10 cm，尽量让水面上的块体的边和底边的角度差为45°左右。为达到上述效果，可采用如下几种措施：①护坡的垫层应尽量平整，保证安装相邻伞型块体的嵌固更牢固；②安装时应尽可能使块体之间粘结紧密，防止出现过大缝隙。

2.2 应用效果

新型人工岛护坡抗冰结构在渤海湾垦东区块某工程得到应用，经过几年的运行表明，采用这种伞形体结构组成的护坡均达到了很好的预期效果。

垦东某区块面向海及整个进海路2边人工岛护坡共计2.8 km，均采用伞形体新型人工岛护坡抗冰结构，其结构的整体性和稳定性良好，抗冰能力效果明显，断面尺寸大，减少了外防护，且较大地提高了人工岛和进海路的稳定性，抗冲刷能力强，护坡多向变形能力强，与常规的抛石结构比较，降低了工程投资和维护成本，经济性明显，直接效益300万元，降低工程投资20%～30%。新型人工岛护坡抗冰结构的成功应用，对于与渤海湾类似的大港、辽河等环渤海滩海油田的开发也具有重要的应用价值。

3 结束语

新型人工岛护坡抗冰结构由单个块体组成，单个块体的坡角和倾角值大小直接影响整个护坡结构形状和抗冰效果，设计时应综合考虑。新型人工岛护坡抗冰结构块体是基于砂石人工岛的结构形式和直立式防波堤结构设计而成的，模型试验安装结果表明这种结构在抗冰受力和断裂冰块上优于现有的砂石人工岛护坡结构，而且已在垦东区块某工程应用实践中得到了证实。建议下一步针对这种新型块体结构开展抗波浪和海底海流冲刷的研究和分析，以扩大应用范围。

［1］ANGILN C D，SCOTT R D，TURCKE D L.The development of structural design Criterin for Breakwater Armour unite［J］.Seminar Stresses in Concrete Armor Unite，1998，2（12）：11－14.

［2］ XIANZHI S.Study on ice static pressure on ice Cover in reservoir［M］.IAHRICE Symposium（1988）.

［3］ 海洋石油工程专业标准化技术委员会.SY/T4097－95滩海斜坡式砂石人工岛结构设计与施工技术规范［S］.北京：石油工业出版社，1996.