某LNG项目海域排水口结构研究

宋文涛，姚 迪

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

1 工程概况

某 LNG项目海域排水口结构布置于接收站陆域场地东侧，穿过陆域东侧预留地和防波堤向海域排水，排水口结构的位置见图1，从图中可以看出在陆域接收站东侧围墙外由西往东规划建设分别为一条20 m宽的道路和一条20～30 m宽的排洪沟，海水排水管自接收站东侧围墙穿出后向东侧海域排水，总长度约170 m，需经过规划建设的道路、排洪沟及已建防潮堤和防波堤等外部复杂环境条件，对排水口的设计和施工产生较大影响[1]。

图1 排水口位置示意

2 基础条件分析

2.1 自然条件

1）工程地质

工程地勘揭示项目场区为全新统地层由第一海相沉积层和第二陆相沉积层组成：上段海相层厚度约10 m左右，以灰色淤泥、淤泥质粘土为主，局部间砂或夹砂；下段陆相河流沉积层厚度约 20 m，上部为松散～稍密状态的灰色粉土或粉细砂、中下部为中密～密实状态的灰色、灰黄粉细砂。排水管经过区域的上部土层为较厚软土层，地基承载力差；海水排放口防波堤外侧的地质表层为流塑状态和易冲刷的淤泥、淤泥质粘土。因此，需研究排水管的基础，保证基础承载力的要求，减小排水管的沉降；研究可靠的消能防冲措施和防冲范围[2]，用以保证防波堤外侧的海床稳定。

2）水文波浪

工程所在地设计水位为：200年一遇高潮位6.30 m（当地理论最低潮面，下同）、100年一遇高潮位6.11 m、极端高水位5.93 m、设计高水位4.37 m、平均潮位2.56 m、设计低水位0.79 m。排水口穿过防潮堤和防波堤后进行海水排放，其端部结构将承受防波堤外侧的波浪作用，设计波浪与防潮堤、防波堤的设计波浪标准相同，按照200年一遇高潮位和100年一遇波浪组合。

各设计波浪要素为：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。排水口的端部结构承受的波浪荷载作用较强，同时由于海水排放口端部的海床基础较薄弱，端部结构若采用重力式等浅基础结构坐落在海床基础上，抵抗波浪荷载作用的效果较差，因此，需研究如何加强海水排放口端部结构的基础，采用桩基等深基础结构方案，用以增强其抵抗波浪荷载的作用；同时考虑适当降低海水排放口的高程，使其顶部低于平均潮位，可减小其承受的波浪荷载。

3）气象冰况

工程所在地冬季极端最低气温-13.4 ℃，常年冰期3个月，1月中至2月中为盛冰期区，沿岸固定冰宽度在500 m以内，冰厚10～25 cm，50年重现期的设计冰厚约为0.39 m。海水排放口为敞开式的结构，冬季流冰期易产生大量暗冰、底冰和水内冰，经常堵塞海水排放口，威胁到排水口的安全[3]，因此需研究适当降低排放口结构的高程，避开冰水混合段，设在冰水分层明显的位置，使其顶部低于平均潮位设计冰厚以下，可减小冰塞和冰块撞击等冰荷载作用的不利影响。

2.2 现场条件

由图1可以看出，现场陆域接收站围墙东侧10 m外规划建设一条20 m的道路，规划道路再向东16 m外建设一条20～30 m的排洪沟。

防波堤为半圆型结构，后方回填10～100 kg块石及倒滤结构。防波堤内侧设置港区防潮堤，结构利用半圆形防波堤，后方设置挡墙和道路形成斜坡式结构，斜坡上设置栅栏板护面，堤心采用大型充填袋。防潮堤、防波堤断面详见图2。

图2 防潮堤和防波堤结构断面示意

海水排海管道如何经过防潮堤和东防波堤是排水口结构设计的重要部分，从不影响围墙外侧规划道路和排洪沟建设的角度考虑，较好的方案为深埋排水管措施，使其从规划道路和排洪沟底部穿过。但是，深埋排水管方案导致陆域和已建防潮堤及防波堤的开挖量很大，并且会破坏防潮堤和防波堤的堤心主体结构，关系到 LNG接收站的安全运营，因此，采用不破坏已建防潮堤和防波堤主体结构的工程方案。根据已建防潮堤和防波堤的结构型式分析，防波堤半圆体为预制结构，是防波堤的主要结构，尺寸截面大、重量大，拆除难度大，可适当抬高排水管，使其从防波堤半圆体结构顶部跨越，经过防潮堤时仅在防潮堤顶部进行局部开挖，开挖量较小。排水管抬高对规划的道路和排洪沟建设产生一定影响，需对管底的设计高程进行研究；排水口在防波堤外侧的出水点高程较高，排水落差和排水量均较大，需研究可靠的消能措施保证防波堤结构的安全，并防止防波堤外侧的海床冲刷。

2.3 排水工艺条件

排水工艺为采用两根DN2200玻璃钢管从接收站陆域内向东敷设，到陆域东侧围墙处接入排水口结构，然后排海。要求在围墙处的剩余水头压力不小于外海水位压力与水头损失之和，实际运行流量按8 500～42 000 m3/h考虑，最大流速为3.1 m/s，最小流速为0.7 m/s。因此，需研究在排水口结构中采取相应的加压措施，以满足压力排水方式对排水量和排水流速的要求。

3 排水口结构方案研究

3.1 研究思路

根据自然条件、现场条件和排水工艺条件的研究分析，排水口结构方案从陆域围墙处往海侧方向沿线主要解决的问题和达到效果主要包括：设置加压措施形成压力排水方式满足排水量和排水流速的要求；设置可靠的排水管基础结构，减小或防止排水管发生沉降位移；抬高排水管道高程，减小对规划道路和排洪沟的影响；减小排水管穿越防潮堤时的开挖量，尽量减少对防潮堤主体结构的影响；排水管从防波堤顶部跨越，不影响防波堤结构；末端排放口基础采用桩基结构，增加其抵抗波浪荷载的作用；降低末端结构排放口高程至平均潮位以下，减小其承受的波浪荷载和冰荷载，同时先通过淹没流进行部分消能；防波堤外侧海床设置消能防冲措施，保证防波堤结构安全。

3.2 结构方案

结合围墙处接入的两根DN2200玻璃钢管（中心高程4.00 m）的排水条件，排水口结构的设计方案为：在围墙处设置两个相互独立的钢筋混凝土承压集水池（每个集水池对应一个排水通道）将场地内的两条DN2200玻璃钢管接入，将水体加压抬升后通过两根预制箱涵（箱涵中心高程7.45 m）进行压力排水；抬高防潮堤岸侧陆域的排水管高程，排水箱涵底高程为6.70 m，可以跨越规划的道路和排洪沟，穿越防潮堤时，仅在防波堤顶部进行局部开挖，并能从半圆体防波堤结构顶部跨越；排水箱涵的基础为桩基墩台和桩基横梁；海水排放口端部采用现浇异形墩台，墩台内预留排水通道，现浇墩台下设置钢管桩；海水排放口采用跌入式沉箱结构，与现浇异形墩台排水通道连接，并设置排水孔，排放口顶高程位于平均潮位以下，排水水流通过淹没流进行消能，海侧消能防冲措施采用2 t扭王字块和护底块石，结构方案如图3所示。

图3 排水口结构断面示意

3.3 结构方案优势分析

1）根据排水口各结构经过的不同位置，考虑下卧土层和桩基施工条件，采用不同的桩基型式：集水池基础采用Φ1 000钻孔灌注桩；防潮堤岸侧排水箱涵满足陆上施工条件，基础采用Φ600 PHC桩；防潮堤海侧排水箱涵下部因存在较厚的块石，基础采用Φ1 200冲孔灌注桩；排放口位于防波堤海侧，满足水上施工条件，基础采用Φ1 200钢管桩。桩基结构稳定、承载力可靠，排水管沿线沉降位移较小，不易发生不均匀沉降，保证排水口的可靠运行。

2）目前接收站围墙东侧陆域已吹填形成至5.0 m高程，抬高排水箱涵底高程至 6.2 m，高于现状陆域顶部 1.2 m，岸侧陆域无开挖量，仅在防潮堤顶部进行小范围开挖，施工开挖费用少，节省工程费用。防潮堤顶部结构恢复防渗处理简单，开挖部分恢复采用回填粘土进行分层碾压，为防止防潮堤内的水土流失，回填粘土采用土工膜包裹，不影响对LNG接收站的掩护作用。

3）抬高排水管高程对后续规划建筑物影响小：排洪沟位于陆域顶部以下，排水箱涵高于现陆域顶高程，不占用排洪沟的排洪面积，不影响后续工程施工；排水箱涵底部高于陆域 1.7 m，顶部高于陆域4.2 m，下部墩台和桩基占用了规划的20 m宽道路，排水箱涵已考虑其上部的覆土和车辆荷载，对规划道路的设计、施工和使用影响较小。

4）钢筋混凝土承压集水池结构简单，工程费用低，两个相互独立的集水池可以单个进行检修，可保证排水口不间断工作；海水排放口处现浇异形墩台下设置钢管桩，高桩墩台结构抵抗波浪荷载的作用较强，结构可靠度高，异形墩台中的排水通道与跌入式沉箱连接，排出的海水先在沉箱内进行相互冲击消能，再通过位于沉箱侧面、低于平均潮位约1 m处（位于50年重现期设计冰厚层下方约0.6 m）的开口，消能效果较好，同时可以减小波浪荷载和冰荷载对排放口的不利影响。

3.4 消能防冲设施分析

排放口端部采用异形墩台和跌入式沉箱先进行相互冲击消能，再通过淹没流二次消能，并设置2 t扭王字块和护底块石的综合消能防冲措施保护海侧基床稳定，为验证综合消能方式的可靠性和海侧基床的防护范围，通过数学模型对排水口工程建成前后的潮流场进行研究。潮流数学模型采用大小模型嵌套的方法进行计算，小范围数学模型为更好地考虑排水口处的垂向流速分布特征，使用三维自由表面流的软件包MIKE 3对排水工况进行计算分析，垂向分为6层。大模型数学模型用于为小范围数学模型提供开边界水位过程，使用二维表面流动模拟软件包MIKE 21建立[4]。

根据排海水口的结构方案，通过数学模型进行研究分析：排水口建成后，主要造成工程水域潮流流速增大，对潮流流场的影响主要在港区口门防波堤以南，排水口东侧2 km以内水域。在距拟建排水口50 m时，大潮涨潮最大流速增加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；小潮涨潮最大流速增加 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见4。

排水口剖面最大流速分布可见图5。由图可见，1 m/s流速包络线东西相距53 m，南北相距16 m，即出水口流速衰减至1.0 m/s需要53 m距离。同时统计可得出海床 1 m/s最大流速包络线面积约为760 m2。基于排水口建成后的流场研究分析，对海水排放口端部跌入式沉箱的海侧基床60 m范围内进行防护：前10 m范围内设置2 t扭王字块体，其它范围采用抛石防护，重量分别为 100～200 kg和10～100 kg，抛石两侧扩散角为30°。

图4 海床表面最大流速分布

图5 排水口剖面最大流速分布示意

4 结 语

排水口工程是 LNG项目的重要组成部分，关系到大量用于LNG气化冷却海水如何排放的问题，甚至关系到 LNG项目成败和安全运行的关键。根据某 LNG项目工程的特定条件及排水口结构的特殊形式，综合考虑结构安全，结合工程地质、水文和气象等自然条件、现场施工条件、对后续规划建筑物的影响及消能防冲措施等因素，进行了针对性的研究分析，确定较为合理的方案为项目使用。排水口结构方案已于2016年6月通过当地管理部门审查认可批准建设，并于 2017年底投产运营，运行至今效果良好，不仅满足了排水工艺条件的要求，而且对海水排放口处的海侧基床起到了很好的防护作用，可供类似工程参考。