气田井场高架平台防洪设计

刘长春 王金国

大庆油田设计院有限公司

大庆油田涝洲气田项目新建的18 座气井井场位于松花江干流涝洲江段行洪区，单座井场场区占地面积30 m×30 m，内设8 m×8 m 的工艺高架平台和5 m×4 m 的电控高架平台各一座，高架平台采用透空式钢筋混凝土框架结构，基础采用钢筋混凝土独立基础。各井场场区根据地势高程，随地势找平建设。工程防洪标准与行洪区两岸堤防防洪标准取为一致，为50 年一遇洪水，相应的设计洪水位为124.07 m。高架平台抗洪设计防御目标是主体结构不受损坏；非承重部分允许损坏，可后期修复。抗洪设计是在正常结构设计基础上，针对行洪区水流荷载及风浪荷载的一种验算性和补充性设计。

松花江干流涝洲江段行洪区所在河段属于松花江干流上游，地处松嫩平原的东南部，属于平原型宽滩性河段，具有坡降平缓、流速均匀、含砂量小等特点。江段河道主槽为“U”字形复式河槽，枯水水面宽约300～600 m，平槽水位河宽一般约700～900 m，水深4～7 m。江底表层为中砂、细砂，河水流速不大，低水位平均流速为0.6 m/s，中水位为0.9 m/s 左右，高水位达1.5 m/s 左右。洪水泛滥边界受两岸防洪堤的控制，堤距一般在6.1～9.2 km之间，其中滩地宽度一般在5 300～8 500 m之间，滩地高程一般在119.00～122.00 m 左右。设计洪峰流量15 140 m3/s。流域地面环流季风性明显，年平均风速以松嫩平原最大，可达4 m/s 以上，最大风速达40 m/s。

1 结构选型

井场高架平台结构类型和体系是根据行洪区设计水深、设计水流速度及洪水频度等因素确定。在平台受到洪水浸泡后，应保证其稳定性和使用功能[1-2]。涝洲气田项目新建的18 座气井井场平台采用透空式钢筋混凝土框架结构，框架柱采用圆形截面。井场平台水深以下部分，在行洪期淹没在水中的时间一般较长，采用耐水的钢筋混凝土框架结构，结构材料的物理及力学性能经水长期浸泡后无明显变化，有利于结构安全，并减少了退洪后的维修工作量。在漂浮物撞击及船只挤靠等偶然荷载作用下，结构整体稳定性好，构件的抗撞击能力强。采用透空式结构，框架柱采用圆形截面，有利于洪水的进退，并减少了行洪时作用在平台上的洪水推力及风浪压力。

2 波浪要素计算

行洪区的波浪要素由波高、波长和波浪周期组成，应根据当地环境条件由实测资料确定。当地无波浪要素实测资料时，在选定波浪要素计算方法后，可根据行洪区的风区长度、计算风速和计算水深，通过计算确定[3]。

18 座气井井场防洪设计计算的波浪要素包括：平均波高、平均周期及平均波长，计算公式如（1）～（4）所示。

式中：Hm为平均波高，m；Tm为平均周期，s；lw为风区长度，m；d0为蓄洪区计算水深，m；VW为计算风速，m/s；W0为基本风压，kN/m2。

在进行承载力和稳定性验算时，计算波高的波列累积频率应取1%，1%累积频率波高H如公式（5）所示。

在封闭水域中，风给水面施加水平剪力，使水体顺风向移动，形成上风水面降低、下风水面升高的水面线，即风增减水现象，计算波高风增减水高度ds；如公式（6）所示。

式中：H为波高，m；ds为风增减水高度，m；ks为风区长度，m；l为平均水域长度，m。

井场1～18 所在行洪区背风岸至迎风岸的平均水域长度在6 100～9 200 m 之间，风区长度取井场平台主风向至防洪堤边界的距离，风区长度取值范围在2 000～3 100 m 之间。井场1～18 平台的波浪要素计算结果见表1。

表1 井场1～18平台的波浪要素Tab.1 Wave elements for platform 1～18 of well site m

3 架设高度计算

按结构抗洪设计要求井场高架平台架设高度要避开波浪对平台水平结构的上托与下冲荷载，架设高度根据行洪区淹没水深加一定的安全超高确定。考虑必要的安全超高是保证井场平台不受水淹和水平结构不受破坏的重要安全措施，安全超高的计算应考虑波浪波峰在静水面以上的高度、风增减水高度等因素，并预留一定的安全高度。波峰在静水面以上的高度hmax应根据计算波高H和建筑设计水深d确定，其中d取建筑淹没水深df与风增减水高度ds之和。

井场平台架设高度hs应按公式（7）～（8）验算。

井场1～18 平台的计算架设高度及设计架设高度hsj、hss见表2。

表2 井场1～18平台架设高度Tab.2 Installation heights for platform 1～18 of well site m

式中：df为建筑淹没水深，m；hmax为波峰在静水面以上的高度，m；hj为平台水平结构层高度，m。

18 座井场波浪波峰在静水面以上的计算高度为0.81～1.06 m，风增减水计算高度为0.17～0.30 m，平台水平结构层高度为0.2 m，计算安全超高为1.81～1.92 m。结合工艺生产运行要求，井场平台顶面标高定为126.0 m，设计洪水位为124.07 m，设计安全超高为1.93 m，大于结构计算安全超高，井场平台架设高度满足规范要求。

4 结构抗洪设计

行洪区洪水从开始到退去分进入、停留和退出三个阶段，洪水荷载包括水流荷载、波浪荷载及漂浮物撞击荷载。井场平台结构抗洪设计包括洪水期间的结构承载力和结构整体稳定性计算，以及退洪后的地基承载力验算[4-6]。

4.1 水流荷载计算

井场1～18 所在行洪区漫滩地形平坦，滩地宽度一般在5 300～8 500 m 之间，滩地高程一般在119.00～122.00 m 左右，地面坡降＜0.001。井场平台架设高度4.5～6.7 m，洪水淹没水深2.6～4.8 m。洪水进入及退出阶段，需验算水流荷载作用下的平台整体稳定性。作用于平台迎流面上的水流荷载包括迎流面的正压力和背流面的负压力之和，如公式（9）所示。

式中：Fwk为水流荷载标准值，kN；Kw为水流阻力影响系数，透空式取1.0；V为水流设计流速，m/s；A为框架柱的迎水面积，m2。

主流区水流设计流速V可根据井场范围行洪区河段的坡度，查取相应的流速。井场1～18 所在行洪区河段坡度＜0.001，设计流速取值V=2.1 m/s，由主流区向两侧，水流速度逐步减小。井场1～18平台单柱水流荷载标准值如表3所示。

表3 井场1～8平台单柱水流荷载标准值Tab.3 Standard value of single column flow load for platform 1～8 of well site kN

4.2 波浪荷载计算

洪水停留阶段水位最高、时间长，遇大风的机会最多，需验算波浪荷载作用下的平台整体稳定性，影响波浪荷载的主要因素是行洪区的风速及水深，因此需对风速和水深计算。风沿行洪区某一方向吹过时，在背风岸水域水位降低；在迎风岸水域水位增高，从而形成稳定状态的水面线，即风增减水现象。这种现象使位于迎风岸水域中的建筑加大淹没水深，同时增加波浪荷载，处在背风岸水域中的建筑，由于水深减小、风区长度短、风浪不大，有利于建筑抗洪。因此，蓄滞洪区建筑抗洪设计和波浪荷载计算所依据的建筑设计水深，应计及风增水高的影响，建筑设计水深取建筑淹没水深及与其相对应位置处的风增水高两者之和。

波浪荷载要素包括速度荷载分量和惯性荷载分量，波浪荷载在竖向构件上的分布形式如图1所示。

图1 波浪荷载在竖向构件上的分布Fig.1 Distribution of wave loads on vertical components

作用于平台圆形截面竖向构件波浪荷载速度分量分布荷载qxV和惯性分量分布荷载qxI公式如（10）～（13）所示。

式中：qxV为图形截面竖向构件波浪荷载速度分量分布荷载，kN/m；γ为水的的重度，kN/m3；ηxV为速度荷载系数，圆形截面取1.2；ηxI为惯性荷载系数，圆形截面取2.0；b为构件垂直于波线，m；qxI为惯性分量分布荷载，kN/m；Ax为构件截面面积，m2；Vx为水质点水平速度，m/s；T为波浪周期，s。

作用于圆形截面竖向构件上的集中力最大速度荷载分量QxVmax按公式（14）计算，最大惯性荷载分量Qxlmax按公式（15）计算。

作用于整个竖向构件上的集中力最大水平总波浪荷载Qxmax按下列两种情况计算。

当QxVmax≤0.5Qxlmax时：

当QxVmax＞0.5Qxlmax时：

4.3 洪水荷载作用下的整体稳定性验算

与常规平台相比，要重视平台在洪水荷载作用下的整体稳定性计算，内容包括抗倾覆、抗滑移和抗漂浮等验算。计算整体稳定性时，应考虑上部结构自重、基础部分（包括其上的土重）的自重、侧向地基土对基础的抗力，以上是结构整体稳定性的有利因素，计算时其分项系数取0.9。结构在洪水期间的倾覆、漂浮等整体稳定性按公式（18）验算。

式中：CG为永久荷载效应系数；Gk为永久荷载标准值，kN；CW为风荷载效应系数；Wk为风荷载标准值，kN；CWa为波浪或水流荷载效应系数；Qak为波浪或水流荷标准值，kN；Cep为基础侧向被动土压力效应系数；Fep为基础侧向被动土压力，kN。

在进行波浪荷载验算时，静水面以上部分所受的风荷载，是计算波浪荷载所用的风，波浪与风相伴生。波浪与风两种荷载，一个作用在水下和波浪所及的水面以上结构部分，一个作用在水面以上结构部分，都是由一种外因所产生。因此，都应算作第一个可变荷载，按规定不必乘以可变荷载组合值系数。在水流荷载及波浪荷载作用下的整体稳定性均满足要求。

5 基础抗洪设计

基础型式根据场地工程地质条件、结构类型、抗洪设计要求、材料来源和施工条件，经技术经济对比确定[7]。洪水期间，应考虑上部结构受水流荷载、波浪荷载及漂浮物撞击荷载等水平荷载对基础的影响[8]。本工程场地地层共分3 层，分别为：素填土层，由建筑垃圾和粉土组成，厚度为1.20～1.40 m；细砂层，冲积成因，厚度为4.60～5.20 m；中砂层，冲、淤积成因，该层在勘察揭示深度范围内未钻穿[9]。洪水期将产生冲刷，50年一遇洪水总冲刷深度为0.73 m[10]。平台框架采用钢筋混凝土独立基础，并沿两个主轴方向设置基础系梁，基础埋深3.0 m，持力层为细砂层。基础埋深及底面积的确定考虑了洪水期间最大冲刷深度和地基稳定性，并满足结构整体抗倾覆、抗滑移稳定性的要求。

6 结束语

井场高架平台抗洪设计是在正常设计基础上，针对行洪区水流荷载或风浪荷载的一种验算性设计，荷载性质具有特殊性，计算参数较多且复杂，计算难度较大，在设计过程中应重视。尤其是风浪荷载还具有动力特性和反复作用的特点，且以水平分量为主，结构设计时可参考抗震设计的方法，加强结构措施（包括构造措施），避免井场平台出现短梁、短柱，以及在波浪荷载作用下梁、柱的剪切破坏先于弯曲破坏的可能。