极浅海_浅海人工岛设计与施工的几个问题.pdf

年第期石油工程建设的霉冬穷穷宝霉极浅海、浅海人工岛设计与施工的几个问题王柳君竺艳蓉天津大学海洋与船舶工程系天津市南开区孚穷穷霉霉匀霉吩摘要根据近年来取得的浅海石油开发人工岛的研究成果,通过对浅海、极浅海人工岛类型和充填岛护坡 方法 的归纳总结,推 荐一种经济可行的沉箱加阻滑桩的结构方案,并对浅水域人工岛设计与施工中至关重要 的波浪爬高、越浪量和冰荷载的计算方法予以阐述。主题词浅海人工岛结构设计施工由于人工岛有较强的抗环境荷载能 力和经左右。济性,近年来为开发浅海、极浅海的石油和天然气,国内外都在进行不 同型式人 工 岛的研究工作,但至今人工 岛的设计尚无一个可循的规范。从年以来,我们科研组曾参加 过各种型式人工 岛的设计和施工,并收集了许多资料。本文针对几个重要问题予以归纳阐述。人工 岛类型人 工 岛按用途主要分为两大类勘探人工岛和生产人 工 岛。勘探人工 岛的面积根据钻井所需设备和材料的摆放以 及住房面积 等确定,水线以上部分 一 般 为圆形,工 作 面直 径 多为一岛的使用年限主 要根据钻井工作周期确定,一般钻一口探井,使用不超过年。近年来勘探人工岛已由固定式逐渐向活动式发展。生产人 工岛的 面积主要根据油田开发方案所提供的井 网形式、油井和 水井数量、日产油量、日注水量、打井 用钻机数量、设备和材料的摆放、住房、采油和注水所需设备以及油气、水处理装置的规格和数量确定岛的形状上部为圆形或近 似圆 形 的八 角形,直径岛的使用寿命一年。浅水域适用的秃填人工岛以砂子和砾石作为主要材料用于油气勘探的人工岛,已在世界各地广泛应用,大多数建于垃以内水深中,参见表、表所列。国外以砂石充填的人工 岛作为生产人工岛的则不 多,在诺曼韦尔斯的马更河床中曾修建了一座砂石 充填的 生 产 人 工 岛,所 处 水深为充填人工岛的类型牺牲海滩式自然边坡式人工 岛在人工岛周围建成缓坡以经受海浪对人工岛的冲蚀,其特点是长而平缓,一般水线以下坡度为巧,水线以上坡度为一,以此消耗波浪的能量,减弱其对岛体的 冲击 力。在 冬季 这种缓坡还 可 促 使冰破裂,在人工 岛周 围形成一个保护性的碎冰区。岛是水深 较浅 的 一座,工作 水深为。最深的 一座是助岛,水深。这种岛最有效的施工方法是用吸扬式挖泥船从海底挖掘泥沙,通过浮式管线运到筑岛地点直接填筑。牺牲海滩式人工 岛如 图示一般是为钻一口探井 而建的,岛上 工作面积万左右,其工作寿命不超过年,属临时护擎一减弧顶表面堆放砂和砾石防止溢流的直桩底一海一砾石圈典型的充城人工岛石油工程建设年第期衰加东大波弗特海的充城人工岛岛岛名名建造时间间水深深岛体体施工方法法工期期干干干干干弦高尺寸体积一年夏夏挖泥船和管线线一年夏夏月抓斗斗一年春春冰上运输输一年春春冰上运输输一年夏夏驳船和抓斗斗一礴 礴礴年夏夏驳船和抓斗斗一年夏夏石抓斗斗一年冬冬,冰上卡车运输输一年夏夏驳船和抓斗斗一年春春冰上卡车运翰翰盆一年夏夏驳船和抓斗斗一年夏夏挖泥船和管线线一年夏夏驳船和抓斗斗一年夏夏乃抓斗斗一年夏夏抓斗斗哭年夏夏挖泥船和管线线年冬冬冰上运输输表美国阿拉斯加波弗特海的充坡人工岛岛岛名名经营者者建造时间间水深岛体体施工方法法边坡保护护尺尺尺尺尺尺寸体积,年与年冬冬,在冰道上上无无年与年冬冬在高程处冬季运输输无无年夏一月乃在冰上运翰翰,年夏一月在高程处处驳船运砾石石砂袋袋年与年冬冬石驳船运砾石石年与年冬冬在高程处处在冰上运输输砂袋袋年与年冬冬一在冰上运输输年与年冬冬在高程处处包括袋在冰上运输输砂袋袋一在冰上运输输一边半径为为包括袋砂袋袋乡的半圆砂袋袋砂袋袋性结构。根据实践经验,这种类型的人工 岛当材料质一较差、气候 条件恶劣时,常会造成填料大量流失,延误工期。砂袋护坡人工岛年第期极浅海、浅海人工岛设计与施工的几个问题为减少填 方,对较陡边坡人工 岛采用砂袋或石笼护坡,用砂袋填筑岛壁具有对内挡 土、对外 抗冲 刷 的 作用。一岛是该类型 岛 的典型,用的砂袋和的钢丝网“石笼”作护坡,“石笼”实际上是在钢丝 网内填砂袋以代替块石。经试验 证 明的 砂袋与的石 笼对水 深小于水域的波浪具有足够的短期防护能 力。该岛水上边坡坡 度,上压石笼在 迎 风 向或 砂袋在背风向,水 下 用,的砂袋堆成,如 图所示。其施工方法 是用开 底自卸驳泥船沿 岛周 向平 均海 平 面以下铺砾 石,再将砂袋铺在砾石形成的基床 上,直 至稍高于海平面。内部填料用挖泥船挖掘,用敞舱驳船运送,再用装于船上的抓斗和索铲填入 岛内。氨工岛表,圣多衬蔚子簧公护几户圈砂袋加泣布的护坡冲上护坡,受到防水堤的阻拦,靠近护坡的浮冰形成隆起和断裂的情景。断裂冰层又可起到保护 护坡 的作 用。图表示浮冰块冲上护坡越过防水堤在护坡内侧缓冲区形成堆积隆起的情景,这种隆起对后来的冰起阻碍作用。石人工岛的超负荷保护人工岛的护坡防冰图在处所建人工岛的剖面砂袋护坡的优点是最大限度地利用了当地现有材料,所填充的人工岛易扩大 和拆除,适应性强,工期短,成本低。其缺点是需要严格的维护,耐久性差,在施工期间易损坏。充填人工 岛的边坡保护在海况较恶劣的水域,砾石充填人工 岛的防冲蚀护坡非常重要,保护措施主要有种。砂袋加滤布护坡为防止波浪冲蚀,在护坡上铺合成透水滤布保证填料稳定,在滤布上面波浪冲击区再用砂袋覆盖保护,其排放如图所示,每个砂袋约一。碎石护坡在护坡上堆放一层乱石、混凝土块等,防止 冲蚀 滑坡。在岛的顶缘,可 设防 冰 或 防浪墙,如图所示。图表示浮冰块吩姚篇。纤才袋节公小卜一一一一刊浮冰块冲过护坡到缓冲区形成冰堆隆起图人工岛护坡巨砾和混凝土块护坡诺曼韦尔斯油田一生产人 工岛,其顶 面面积为,顶面高程为,水 面以上高度约。为了使生产人 工岛免遭冰块和水流的冲击,用巨砾和混凝土块砌成护面,如图所示。在原 来基石和沉积 物之上铺设滤布,滤布之上是两层 护 面石,以保护内部结构。再用巨型混凝土块嵌装在上游转弯处,以保护人工岛。这种倾斜的砌石护坡,可使流冰遇巨砾而破裂粉碎。多层塑料滤布护坡程建设年第期一一一一一一一一一一一、,一一一、川,、平面图口口沪沪狄块石环人一岛毕础断面图乡崖经岁断面圈一图诺韦尔斯生产人工岛设计图这种护坡 是由几层塑料滤布组成,如 图所示。滤布被放置在 从海平 面至岛顶端的边坡上坡度为,用数层钢索栅栏固定。斜坡底部和顶部装有木 制和钢 制绷绳锚,把滤层的各个端部紧紧固定住。在钢索栅栏上还放置了一或两层交叉的钢索网,该网起到附加保护塑料网的作用,使其不错位和破损。实践证明该设计效果比较理想。充填人工岛在波浪作用下的稳定性对于充填人工 岛应特别注意在波浪作用下出现的不稳定情况。出现不稳定情况的原因通常有两个一 是 由于波 产生 的瞬时 应 力场引起,当有效 应 力违反 了莫尔一库伦疲劳标准时,海底或人工岛护坡 将会产生疲劳或屈服应力。二是引起产生残余孔隙水压 力的波的累积所致,当这些 孔隙压 力达到了相 当于有效超 载压力时,土壤将会完全失去剪切强度,此时大部分松散的无粘性土壤将会变成重密度流体,图一峪护堤的设计即使孔隙水压力没有达 到使上壤液化的数值,它们也会减 小现场土 壤的有效应 力和剪切 阻力,以致 当大波浪通过时或在 岛本身重 力作用下容 易产生大规模的变形。除上述情况外,设计 中最复杂的问题是 岛的横 向稳定性,严重超载可以导致岛体局部边缘塌陷,其裂缝穿透 岛的回填上层及地基,引发剪切破坏。沉箱圈闭加阻滑桩的混合结构人工岛上述充填式人工岛,大多数只进行了较简单的土工设计,工 作年限一般均在几年以内。随着开发区域不断向深水扩展以及对生产平台安全性要求的不断提高,需要建造更为复杂的人工 岛。沉箱或沉井圈闭加桩基的混合结构人工岛是近期发展起来的一种最适于浅海或极浅海石油及天然气开采的人工 岛。混合结构人工岛的特点充填砂类材料建造人工岛,由于水面波浪的冲蚀妨碍 了护坡的形成,并增加了充填材料用量,因此,浅海域最适合的人工岛是水下 围堤、顶部预制岛壁结构。沉箱圈闭顶部结构是近期在我国得到发展的一种人工岛型式,在国外已广泛应用。它可以大大减少所需填料,岛体可在工厂预制,海上施工期短,岛体通过水线的速度快。如果需要,岛体 内还可储存石油或其它液体。岛体还可重复利用。在浅海应用钢质或混凝土沉箱或沉井结构年第期极浅海、浅海人工 岛设计与施工的几个问题时,设 计 的 关键是 保 证对 高侧 向 力的抗滑作用。其破坏面大致发生在结构基础和海底之间的交界面或接近此面处。增加抗滑阻 力的方法如附加压载、放大基础尺寸、设裙板等,都受到吃水、成本或地基超载的限制,在浅海域都不是最有效的解决方法。一种适于我国浅海石油开发的人工 岛我们经过 多年人工 岛项目的研究,认为沉箱加多根阻滑桩的混合结构是最适用于浅海的抗滑结构,巨大的侧向力可通过桩有效地传至地基,尤其在地震 区,在不增加惯性力的情况下,利用阻滑桩可提高剪切阻力。同时,根据土质及水平荷载的不 同,阻滑桩的数目和打入深度可增可减,而且阻滑桩还可用于人工岛岛壁临 时 定 位。阻滑 桩的直 径一般是一,打入海底以 下 深 度 不需按提 供 支承力设计,以能达到传递剪力的目的即可,一般为一。为保证 阻滑桩在横向 冲击 下的可 延性,阻滑桩 的钢材碳 含量 应 限 制在以内。为提高侧向承载能 力,在沉箱 内的桩孔处设置套筒,套筒周 围应用加筋和构造钢组件特别加强。为保证支配沉箱的土壤固结下沉,允许阻滑桩在垂直方向上自由移动。阻滑桩在沉箱结构的底部及上部甲板处必须有 侧 向支承。根据库克湾和河施 工 的成功 经验,在每根柱内预装一个喷水环,使桩 内上塞保持液化,减少 了打桩阻 力。沉箱加 多根阻滑桩的混合结构人工岛,在我国胜利、大港和辽河油田浅海、极浅海的石油开发中,将不失为一种较好而可行的方案。人工岛设计波浪爬高值和越浪的确定不 同结构型式人工 岛的干弦高度设计水位以上的岛顶高度主要 由设计风暴期间人工岛上波浪爬高或波浪越岛顶流量以下简称越浪量来确定,当不允许波浪越过岛顶时,人 工岛的干弦高度棍主 要由波浪爬高来确定。但若限 制在任何条件下都不发生越浪现象,往往是不经济的,此时除了按越浪量来确定干弦高度外,还应在岛顶 面设计相应的排水系统,免除因岛顶部进水所带来的操作困难,保证人工岛上各种设备正常运行。现行确定波浪爬高和越浪量的方法,大多根据规则波对光滑、不透水斜坡的护岸和防波堤等海岸构筑物的试验结果,而这些计算方法也仅仅表示二维问题。自然边坡式也称牺牲海滩式人工岛,多建于极浅海 中,具有非常平坦的边坡,坡度一 般为巧一。当波浪在斜坡 和 海滩上破碎时,大部分波能被消耗,故这种人工 岛的千弦不需要很高。如建于加拿大蒲弗特海水深处的岛,其干弦高仅。本文集 中讨论陡坡砾石 岛和沉箱挡土 岛上不规则波爬高和越浪量 的计算方法。砾石岛的波浪爬高和越浪量人 工 岛上波浪爬高和越浪量是个三维问题,它 取决于许 多参数,如岛壁斜坡角、斜坡 面的粗糙度、岛的形状、岛结构本身的 孔隙率、岛前水深和人射波 的特性以波高和波 周期为代表 等 见图。鉴 于浅海域人工岛的尺度一般接近于入射不规则波的波长,所以在人工岛周边有限宽度的局部范围内、其波浪爬高和越浪量仍可视为 二维问题。卜深水卜州图与波浪爬离有关参数的示意图波浪爬高一从理 论 上导出水深相 当大的风成 波的波高的概率分布符合瑞利分布,以 平均波高为参数来表示,则为兀兀,、母,任二一于 火诀动,一、石油工程建设依据观测资料的分析结果,指出水 深 相 当大 的风成 波其波 长的概率分布也符合瑞利分布。因尸劝,故 波 周期的 分布可用瑞利 分布来表 示,年第期在光滑和不透水斜波上 爬高,可按下列且口尸、。,尸、乙而一”,、一子叹,否一给出公式计算心蕊心式 中数式 中了平均波周期对于充分成长的风成波,波高和周期之间的相关系数接近于零,因此波高和周期的联合概率分布,可表示为,分析了大 量 关 于 光 滑和不透水斜坡 上波浪 爬 高的模型试验资料后指出在不 同的 岛前 相对水 深风成为未发生折射的深水波波高下,相对爬高瓦是入射深水波 的波 陡成。为深水 波波长。一尸和岛壁斜坡角的 函数。所以可 以认为不规则波的爬高,的概率分布 也近似于瑞利 分 布。一旦 有了,的概率分布函数,就可求得工程上需要的爬高的各种统计特征值,如爬高均值、爬 高有效值,等。由于波浪爬高问题的复杂性,目前从理论上导出并经观测资料进行验证的爬高概率分布尸的数学表达式是较困难的,所以 从研究爬高的概率分布规律出发来确定不规则波爬高的一些统计特征值这种方法实际上尚无工程应用。另外一种简便的方法就是特征波法,又称设计波法。在不规则波系列中选用某一特征波例如有效波作为入射设计波,该设计特征波在具有一般坡 面保护的斜坡上的爬高为,一,。二,式 中下修 正系数。对于 各种 类型 的护面,可 根据文献给 出的 数值予以确定,岛 前 水 深处,波高和周期的正 向入射设计波一。了。若已知岛前 设计 水深处 的设计波高和周期,则可按线性波理论求得相应的无折射的深水波波高成,即。,式 中波高的浅水系数凡、波数,二越浪量当岛的干弦高度,时,将发生波浪越顶现象。越量浪是人工 岛干弦 高度的 函数,它的计算仍可采用设计波法。在不规则波系列中选用某一特征波作为人射设计波,它所产生的越浪量可表示为,。,式中,口整个人工 岛在一个波周期内平均 的越 顶 流量岛顶 面直径,作为波浪越顶 的有效宽度,单位 宽 度的平 均越顶流量,可按下列经验公式计算,即。,。,一。丁。告。一旦 卫互“一优。,一式 中,、叮经验系数。对于一定 岛结构型年第期极浅海、浅海人工岛设计与施工的几个问题式和斜坡角,随 岛前 相 对 水深成和波 陡风厂而 变化。对于斜坡,可 取,。这样由式和可以得到在给定的设计波下,人 工 岛干 弦高度。与越浪量之间的关 系。沉箱圈闭人工岛的波浪爬高和越浪量沉 箱的 成本 占整 个 人 工 岛成本的 主要部分。为防止在设计风暴期 间波浪越顶而建造干弦高度足够大的沉箱是不经济的,通常是在低沉箱顶面上建造一个小平 台以防止波浪越顶或允许少量的越浪量。下面讨论低沉箱带斜坡小平台的人 工岛上 的 波浪爬高和越浪量的计算方法。首先假定人工 岛的沉箱有足够的高度,设计特征波正向行进达沉箱时不发生破碎,并被光滑、不透水 的直立 岛壁完全反射,此时在岛前形 成立波。为立波 的 波 浪中线超出设计水面的高度,简称超高,按 下列公式计算波浪中线立 波峰项沉箱项邵一入一设计水仁乙入生巴五图立波波压强的分布忽略沉箱的存在,假定设计水面与低沉箱顶面齐平,由式计算在斜坡上的波浪爬高万见图。一设计水一,牙忽略沉箱的存在兀丁图,忽略沉箱存在时的波浪爬高 考虑沉箱的存在,此时在沉箱 顶 面斜坡小平台上的波浪爬高扩见 图可近似为,一一,由此可得到低沉箱带斜坡小平台人工 岛上的波浪爬高为一由此可得高沉箱人工 岛上波浪爬高为。立波的波压强分布见 图。高沉箱所受的总波力面积可按一一方法 计算,高度为的低沉箱总 波 力面积为声式中互一一波力削减系数述与一一,一设计水位一尸乍二岁住沉箱牙、一牙夸、气二尸多、海底面以上立波峰顶高度其次根据直立 岛壁上波压强分布来计算低沉箱带斜坡小平台人工 岛上的波浪爬高,分两步进行图沉箱顶部小平台上的波浪爬高“若小平 台的高度“时,也 会发 生波 浪越 过小平 台顶的 现象,其越 浪 量仍 可按式进行计算。上述对沉箱圈闭人工岛上的波浪爬高和越浪量的计算方法是一种近似方法,仅适用于人工 岛的初步设计,必要时应通过模型试验对计算值进行修正。最后应该指出,在工程设计中一般选用有效波作为设计特征波,这是否完全合适应进一步探讨。可见,按设计波法确定各种类型人工岛的设计波浪爬高值和设计越浪量仍然存在人为选取设计标谁的问题。石油工程建设年第期作用于人工岛的冰力计算人工 岛的主要特征是结构尺度大,它主要依靠 自身重 力产生抵抗冰荷载的基础阻力。由于人工 岛的宽度比冰的最大预期特征厚度大得多,对 于这样宽的结构,在整个结构宽度内,可能 出现不止一个冰 的破坏区域。而依照具有代表 性的 挤 压 强 度 确 定 出 的 设计准 则冰力,只适用于相当窄小的结构,对人 工岛这样宽大的结构,则可 能是保守的,因为海冰 同时破坏 岛的 一个 侧 面的情况 是不 可能 发生 的,任意时刻的总荷载可能恰好 由几个高冰压 区域的冰 力合成。美国石油学会推荐冰对 岛结构挤压 产生的水平力,可 以按公式计算二式中厂一冰的水平力了一嵌入系数,户一接触系数冰的无侧限压缩强度结构与冰接触区域的直径或宽度王冰的厚度根据对位于库克湾的结构冰力的测量结果,建议对宽的结构,取和乘积的最大值为、嵌 入系数为、接触系数为确定近海人工岛冰荷载的可靠方法是进行模型试验和现场测量。利用模型定量试验,必须适当考虑实尺度的真实冰 与模型缩尺下的真实或模 型冰之间材料性能的不 同以 及与其它缩尺的关系。结束语由于人 工岛地基承载力极低,地貌复杂,又受潮汐、风暴潮、浅水波浪、冰冻及潮流等诸多动 力作用影响,设计与施工中存在许多问题,目前国内外又无现成的规范供参考。在这种情况 下,人工 岛的型式和结构一般由以下因素决定当地气象、水文、地理等环境条件。建 岛水域的工程地质条件。所建人工 岛的用途勘探还是生产及使用年限临时性还是相对永久性。当地材料来源,预制加工能力,施工运输手段。论证选用安全可行与节省投资统筹兼顾的人工 岛方案。无论何种型式的人工岛,都是处于复杂又特定的海洋环境中,岛上的安全、救援手段及通讯,消防设备必须齐全完善。在人工 岛建造和使用过程中,必须安装各种测试仪表和监测仪器,如倾斜仪、沉降测试仪等随时进行监测控制,以确保建造质量和正常生产。参考文献王柳君,边启光浅海钻采人 工岛几种 岛壁形式的研究石油工程建设,一讲一,一伴一,编辑赵尸七纽 玲泛卜片泛卜城七二比之宏收稿日期一一二一止二注 工二工二注二二定 丈饭器本刊飞卜司洲比片启事称二二卜卜二卜二二二召本刊主办单位中国天然气总公 司工程技术研究院的开户银行与帐号是天津建行塘沽分行。原在工商行的帐号已不再继续使用。请与本刊办理银行结算的订户和广告客户以及读者和作者 周知。,一血,州,砰户加功一址了 动,贻一一一