氣田井場(chǎng)高架平臺(tái)防洪設(shè)計(jì)

劉長(zhǎng)春 王金國(guó)

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

大慶油田澇洲氣田項(xiàng)目新建的18 座氣井井場(chǎng)位于松花江干流澇洲江段行洪區(qū)，單座井場(chǎng)場(chǎng)區(qū)占地面積30 m×30 m，內(nèi)設(shè)8 m×8 m 的工藝高架平臺(tái)和5 m×4 m 的電控高架平臺(tái)各一座，高架平臺(tái)采用透空式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。各井場(chǎng)場(chǎng)區(qū)根據(jù)地勢(shì)高程，隨地勢(shì)找平建設(shè)。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)與行洪區(qū)兩岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)取為一致，為50 年一遇洪水，相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水位為124.07 m。高架平臺(tái)抗洪設(shè)計(jì)防御目標(biāo)是主體結(jié)構(gòu)不受損壞；非承重部分允許損壞，可后期修復(fù)?？购樵O(shè)計(jì)是在正常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，針對(duì)行洪區(qū)水流荷載及風(fēng)浪荷載的一種驗(yàn)算性和補(bǔ)充性設(shè)計(jì)。

松花江干流澇洲江段行洪區(qū)所在河段屬于松花江干流上游，地處松嫩平原的東南部，屬于平原型寬灘性河段，具有坡降平緩、流速均勻、含砂量小等特點(diǎn)。江段河道主槽為“U”字形復(fù)式河槽，枯水水面寬約300～600 m，平槽水位河寬一般約700～900 m，水深4～7 m。江底表層為中砂、細(xì)砂，河水流速不大，低水位平均流速為0.6 m/s，中水位為0.9 m/s 左右，高水位達(dá)1.5 m/s 左右。洪水泛濫邊界受兩岸防洪堤的控制，堤距一般在6.1～9.2 km之間，其中灘地寬度一般在5 300～8 500 m之間，灘地高程一般在119.00～122.00 m 左右。設(shè)計(jì)洪峰流量15 140 m3/s。流域地面環(huán)流季風(fēng)性明顯，年平均風(fēng)速以松嫩平原最大，可達(dá)4 m/s 以上，最大風(fēng)速達(dá)40 m/s。

1 結(jié)構(gòu)選型

井場(chǎng)高架平臺(tái)結(jié)構(gòu)類(lèi)型和體系是根據(jù)行洪區(qū)設(shè)計(jì)水深、設(shè)計(jì)水流速度及洪水頻度等因素確定。在平臺(tái)受到洪水浸泡后，應(yīng)保證其穩(wěn)定性和使用功能[1-2]。澇洲氣田項(xiàng)目新建的18 座氣井井場(chǎng)平臺(tái)采用透空式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱采用圓形截面。井場(chǎng)平臺(tái)水深以下部分，在行洪期淹沒(méi)在水中的時(shí)間一般較長(zhǎng)，采用耐水的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)材料的物理及力學(xué)性能經(jīng)水長(zhǎng)期浸泡后無(wú)明顯變化，有利于結(jié)構(gòu)安全，并減少了退洪后的維修工作量。在漂浮物撞擊及船只擠靠等偶然荷載作用下，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，構(gòu)件的抗撞擊能力強(qiáng)。采用透空式結(jié)構(gòu)，框架柱采用圓形截面，有利于洪水的進(jìn)退，并減少了行洪時(shí)作用在平臺(tái)上的洪水推力及風(fēng)浪壓力。

2 波浪要素計(jì)算

行洪區(qū)的波浪要素由波高、波長(zhǎng)和波浪周期組成，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件由實(shí)測(cè)資料確定。當(dāng)?shù)責(zé)o波浪要素實(shí)測(cè)資料時(shí)，在選定波浪要素計(jì)算方法后，可根據(jù)行洪區(qū)的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度、計(jì)算風(fēng)速和計(jì)算水深，通過(guò)計(jì)算確定[3]。

18 座氣井井場(chǎng)防洪設(shè)計(jì)計(jì)算的波浪要素包括：平均波高、平均周期及平均波長(zhǎng)，計(jì)算公式如（1）～（4）所示。

式中：Hm為平均波高，m；Tm為平均周期，s；lw為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；d0為蓄洪區(qū)計(jì)算水深，m；VW為計(jì)算風(fēng)速，m/s；W0為基本風(fēng)壓，kN/m2。

在進(jìn)行承載力和穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，計(jì)算波高的波列累積頻率應(yīng)取1%，1%累積頻率波高H如公式（5）所示。

在封閉水域中，風(fēng)給水面施加水平剪力，使水體順風(fēng)向移動(dòng)，形成上風(fēng)水面降低、下風(fēng)水面升高的水面線(xiàn)，即風(fēng)增減水現(xiàn)象，計(jì)算波高風(fēng)增減水高度ds；如公式（6）所示。

式中：H為波高，m；ds為風(fēng)增減水高度，m；ks為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；l為平均水域長(zhǎng)度，m。

井場(chǎng)1～18 所在行洪區(qū)背風(fēng)岸至迎風(fēng)岸的平均水域長(zhǎng)度在6 100～9 200 m 之間，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度取井場(chǎng)平臺(tái)主風(fēng)向至防洪堤邊界的距離，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度取值范圍在2 000～3 100 m 之間。井場(chǎng)1～18 平臺(tái)的波浪要素計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 井場(chǎng)1～18平臺(tái)的波浪要素Tab.1 Wave elements for platform 1～18 of well site m

3 架設(shè)高度計(jì)算

按結(jié)構(gòu)抗洪設(shè)計(jì)要求井場(chǎng)高架平臺(tái)架設(shè)高度要避開(kāi)波浪對(duì)平臺(tái)水平結(jié)構(gòu)的上托與下沖荷載，架設(shè)高度根據(jù)行洪區(qū)淹沒(méi)水深加一定的安全超高確定?？紤]必要的安全超高是保證井場(chǎng)平臺(tái)不受水淹和水平結(jié)構(gòu)不受破壞的重要安全措施，安全超高的計(jì)算應(yīng)考慮波浪波峰在靜水面以上的高度、風(fēng)增減水高度等因素，并預(yù)留一定的安全高度。波峰在靜水面以上的高度hmax應(yīng)根據(jù)計(jì)算波高H和建筑設(shè)計(jì)水深d確定，其中d取建筑淹沒(méi)水深df與風(fēng)增減水高度ds之和。

井場(chǎng)平臺(tái)架設(shè)高度hs應(yīng)按公式（7）～（8）驗(yàn)算。

井場(chǎng)1～18 平臺(tái)的計(jì)算架設(shè)高度及設(shè)計(jì)架設(shè)高度hsj、hss見(jiàn)表2。

表2 井場(chǎng)1～18平臺(tái)架設(shè)高度Tab.2 Installation heights for platform 1～18 of well site m

式中：df為建筑淹沒(méi)水深，m；hmax為波峰在靜水面以上的高度，m；hj為平臺(tái)水平結(jié)構(gòu)層高度，m。

18 座井場(chǎng)波浪波峰在靜水面以上的計(jì)算高度為0.81～1.06 m，風(fēng)增減水計(jì)算高度為0.17～0.30 m，平臺(tái)水平結(jié)構(gòu)層高度為0.2 m，計(jì)算安全超高為1.81～1.92 m。結(jié)合工藝生產(chǎn)運(yùn)行要求，井場(chǎng)平臺(tái)頂面標(biāo)高定為126.0 m，設(shè)計(jì)洪水位為124.07 m，設(shè)計(jì)安全超高為1.93 m，大于結(jié)構(gòu)計(jì)算安全超高，井場(chǎng)平臺(tái)架設(shè)高度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)抗洪設(shè)計(jì)

行洪區(qū)洪水從開(kāi)始到退去分進(jìn)入、停留和退出三個(gè)階段，洪水荷載包括水流荷載、波浪荷載及漂浮物撞擊荷載。井場(chǎng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗洪設(shè)計(jì)包括洪水期間的結(jié)構(gòu)承載力和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計(jì)算，以及退洪后的地基承載力驗(yàn)算[4-6]。

4.1 水流荷載計(jì)算

井場(chǎng)1～18 所在行洪區(qū)漫灘地形平坦，灘地寬度一般在5 300～8 500 m 之間，灘地高程一般在119.00～122.00 m 左右，地面坡降＜0.001。井場(chǎng)平臺(tái)架設(shè)高度4.5～6.7 m，洪水淹沒(méi)水深2.6～4.8 m。洪水進(jìn)入及退出階段，需驗(yàn)算水流荷載作用下的平臺(tái)整體穩(wěn)定性。作用于平臺(tái)迎流面上的水流荷載包括迎流面的正壓力和背流面的負(fù)壓力之和，如公式（9）所示。

式中：Fwk為水流荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Kw為水流阻力影響系數(shù)，透空式取1.0；V為水流設(shè)計(jì)流速，m/s；A為框架柱的迎水面積，m2。

主流區(qū)水流設(shè)計(jì)流速V可根據(jù)井場(chǎng)范圍行洪區(qū)河段的坡度，查取相應(yīng)的流速。井場(chǎng)1～18 所在行洪區(qū)河段坡度＜0.001，設(shè)計(jì)流速取值V=2.1 m/s，由主流區(qū)向兩側(cè)，水流速度逐步減小。井場(chǎng)1～18平臺(tái)單柱水流荷載標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示。

表3 井場(chǎng)1～8平臺(tái)單柱水流荷載標(biāo)準(zhǔn)值Tab.3 Standard value of single column flow load for platform 1～8 of well site kN

4.2 波浪荷載計(jì)算

洪水停留階段水位最高、時(shí)間長(zhǎng)，遇大風(fēng)的機(jī)會(huì)最多，需驗(yàn)算波浪荷載作用下的平臺(tái)整體穩(wěn)定性，影響波浪荷載的主要因素是行洪區(qū)的風(fēng)速及水深，因此需對(duì)風(fēng)速和水深計(jì)算。風(fēng)沿行洪區(qū)某一方向吹過(guò)時(shí)，在背風(fēng)岸水域水位降低；在迎風(fēng)岸水域水位增高，從而形成穩(wěn)定狀態(tài)的水面線(xiàn)，即風(fēng)增減水現(xiàn)象。這種現(xiàn)象使位于迎風(fēng)岸水域中的建筑加大淹沒(méi)水深，同時(shí)增加波浪荷載，處在背風(fēng)岸水域中的建筑，由于水深減小、風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度短、風(fēng)浪不大，有利于建筑抗洪。因此，蓄滯洪區(qū)建筑抗洪設(shè)計(jì)和波浪荷載計(jì)算所依據(jù)的建筑設(shè)計(jì)水深，應(yīng)計(jì)及風(fēng)增水高的影響，建筑設(shè)計(jì)水深取建筑淹沒(méi)水深及與其相對(duì)應(yīng)位置處的風(fēng)增水高兩者之和。

波浪荷載要素包括速度荷載分量和慣性荷載分量，波浪荷載在豎向構(gòu)件上的分布形式如圖1所示。

圖1 波浪荷載在豎向構(gòu)件上的分布Fig.1 Distribution of wave loads on vertical components

作用于平臺(tái)圓形截面豎向構(gòu)件波浪荷載速度分量分布荷載qxV和慣性分量分布荷載qxI公式如（10）～（13）所示。

式中：qxV為圖形截面豎向構(gòu)件波浪荷載速度分量分布荷載，kN/m；γ為水的的重度，kN/m3；ηxV為速度荷載系數(shù)，圓形截面取1.2；ηxI為慣性荷載系數(shù)，圓形截面取2.0；b為構(gòu)件垂直于波線(xiàn)，m；qxI為慣性分量分布荷載，kN/m；Ax為構(gòu)件截面面積，m2；Vx為水質(zhì)點(diǎn)水平速度，m/s；T為波浪周期，s。

作用于圓形截面豎向構(gòu)件上的集中力最大速度荷載分量QxVmax按公式（14）計(jì)算，最大慣性荷載分量Qxlmax按公式（15）計(jì)算。

作用于整個(gè)豎向構(gòu)件上的集中力最大水平總波浪荷載Qxmax按下列兩種情況計(jì)算。

當(dāng)QxVmax≤0.5Qxlmax時(shí)：

當(dāng)QxVmax＞0.5Qxlmax時(shí)：

4.3 洪水荷載作用下的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

與常規(guī)平臺(tái)相比，要重視平臺(tái)在洪水荷載作用下的整體穩(wěn)定性計(jì)算，內(nèi)容包括抗傾覆、抗滑移和抗漂浮等驗(yàn)算。計(jì)算整體穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)自重、基礎(chǔ)部分（包括其上的土重）的自重、側(cè)向地基土對(duì)基礎(chǔ)的抗力，以上是結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的有利因素，計(jì)算時(shí)其分項(xiàng)系數(shù)取0.9。結(jié)構(gòu)在洪水期間的傾覆、漂浮等整體穩(wěn)定性按公式（18）驗(yàn)算。

式中：CG為永久荷載效應(yīng)系數(shù)；Gk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；CW為風(fēng)荷載效應(yīng)系數(shù)；Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；CWa為波浪或水流荷載效應(yīng)系數(shù)；Qak為波浪或水流荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Cep為基礎(chǔ)側(cè)向被動(dòng)土壓力效應(yīng)系數(shù)；Fep為基礎(chǔ)側(cè)向被動(dòng)土壓力，kN。

在進(jìn)行波浪荷載驗(yàn)算時(shí)，靜水面以上部分所受的風(fēng)荷載，是計(jì)算波浪荷載所用的風(fēng)，波浪與風(fēng)相伴生。波浪與風(fēng)兩種荷載，一個(gè)作用在水下和波浪所及的水面以上結(jié)構(gòu)部分，一個(gè)作用在水面以上結(jié)構(gòu)部分，都是由一種外因所產(chǎn)生。因此，都應(yīng)算作第一個(gè)可變荷載，按規(guī)定不必乘以可變荷載組合值系數(shù)。在水流荷載及波浪荷載作用下的整體穩(wěn)定性均滿(mǎn)足要求。

5 基礎(chǔ)抗洪設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)型式根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、抗洪設(shè)計(jì)要求、材料來(lái)源和施工條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比確定[7]。洪水期間，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)受水流荷載、波浪荷載及漂浮物撞擊荷載等水平荷載對(duì)基礎(chǔ)的影響[8]。本工程場(chǎng)地地層共分3 層，分別為：素填土層，由建筑垃圾和粉土組成，厚度為1.20～1.40 m；細(xì)砂層，沖積成因，厚度為4.60～5.20 m；中砂層，沖、淤積成因，該層在勘察揭示深度范圍內(nèi)未鉆穿[9]。洪水期將產(chǎn)生沖刷，50年一遇洪水總沖刷深度為0.73 m[10]。平臺(tái)框架采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，并沿兩個(gè)主軸方向設(shè)置基礎(chǔ)系梁，基礎(chǔ)埋深3.0 m，持力層為細(xì)砂層?；A(chǔ)埋深及底面積的確定考慮了洪水期間最大沖刷深度和地基穩(wěn)定性，并滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)整體抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

井場(chǎng)高架平臺(tái)抗洪設(shè)計(jì)是在正常設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，針對(duì)行洪區(qū)水流荷載或風(fēng)浪荷載的一種驗(yàn)算性設(shè)計(jì)，荷載性質(zhì)具有特殊性，計(jì)算參數(shù)較多且復(fù)雜，計(jì)算難度較大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重視。尤其是風(fēng)浪荷載還具有動(dòng)力特性和反復(fù)作用的特點(diǎn)，且以水平分量為主，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可參考抗震設(shè)計(jì)的方法，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)措施（包括構(gòu)造措施），避免井場(chǎng)平臺(tái)出現(xiàn)短梁、短柱，以及在波浪荷載作用下梁、柱的剪切破壞先于彎曲破壞的可能。