深圳LNG码头应急调峰站取水口设计及施工关键技术分析

江伟 谢华娟

摘  要：本文依托深圳LNG接收站取水口工程，根据该工程取水口布置方案，重点分析取水口在設计以及施工过程中的难点并给出解决方案。同时利用国际通用有限元软件对取水口构件从预制、出运、使用到检修阶段各种工况下的内力进行计算，取得了较好效果，可为同类工程提供借鉴。

关键词：取水口 设计 施工

LNG接收站取水口是为液化天然气供应升温气化海水结构设施的重要组成部分，为保证取水口在低潮位时水源依旧能够进入，取水口的高程确定应在当地最低低潮位以下至少2～3 m，因此取水口一般选在海水水深较深、海水流动性好的开敞区域。深圳LNG码头应急调峰站陆域由填海形成，取水口结构采用与护岸同步施工方案，由于取水口构件自重大、外海风浪条件较为恶劣等因素，使工程设计及施工均面临着较大困难。因此如何安全、有效地对取水口主体结构设计及施工成为了关键技术。本文结合该工程重点分析取水口在设计以及施工过程中的难点并给出解决方案，希望能为类似工程提供参考。

1.取水口平面布置

取水口由过滤涵、泵房前池及泵房基础三部分组成。取水口平面尺度为58m×29.2m，均采用钢筋混凝土结构。过滤涵平面尺寸为19.2m×27m，每条流道净宽为3.4m。前池进水端宽19.2m，与泵房基础连接端宽29.2m，前池单侧扩散角为20?。泵房基础平面尺寸29.2m×17m。平面布置详见图1、图2。

（1）过滤涵引水段。引水段按照应急调峰站最终规模需要的海水量一次建成，进水口按最终水量53400m3/h进行设计。4个引水流道并列布置，每个引水流道可通过流量13350m3/h，其底部进水口断面尺寸为2.50m×3.40m （高×宽），另外当有一条引水流道检修或发生故障时，剩余3个进水口负担整个流量。进水口顶高程根据外海波浪情况确定为-4.70m，底高程为-7.20m。引水段底高程为-8.2m。

（2）前池。前池布置在清污设备与泵室之间，根据《火力发电厂循环水泵房进水流道及其布置设计技术规定》确定前池尺寸，前池长度为14m，前池扩散角为20?。不会产生旋涡，水流顺畅、流速均匀。前池在多泵运行条件下只起调节水流，减小水位波动的作用。前池底高程为-9.2m。

（3）泵室。本工程泵组较多，远期工程要延长到若干年后才能实施。在前池之后设置7个泵室。泵室沿水流方向的长度为17.0m，泵室宽度按海水泵要求为3.20m，泵室底高程为-8.2m。

2.设计难点与解决方案

2.1取水口与护岸同步施工，国内尚属首次

本工程陆域由填海形成，取水口位于陆域西侧，原泥面高程约-10m。根据本工程地质情况，护岸采用抛填堤心石的斜坡式结构，若取水口结构通过应急调峰站成陆后采用沉井或地连墙形成基坑围护结构进行开挖干地施工方案，一方面工程成本将大大增加，另一方面工期将延长。

解决方案：为了解决工期和成本问题，取水口结构采用与护岸同步施工方案。过滤涵及泵房基础利用施工单位现成的预制场进行预制。结合半潜驳起重能力以及预制场码头的出运能力，构件采用预制安装、分期浇筑的方案。该方案较干地施工方案具有以下优势：首先，可以利用施工单位现有的预制场地因而无需额外支付场地费，其次，省去了干地施工所需要的基坑围护结构相应的一系列费用。

采用与护岸同步施工方案虽然陆域形成受取水口结构施工的影响，但由于护岸总长度较长，护岸开始施工到合拢工期约10个月，该工期能满足取水口结构的基槽开挖、抛石基床施工和箱涵预制、运输及安装的要求，工程造价较低，总工期也明显缩短。

2.2 取水口构建单件重量大

由于工艺布置需要，过滤涵和泵房基础尺寸均较大，长×宽×高分别为27m×20.2m×16.2m，17m×30.2m×16.2m，单件整体重量达到9550t和8143t。一次浇筑自重过大，远超过施工单位施工设备浮运能力。因此，取水口结构在预制部分设计时，一方面预制重量既不能超过施工单位半潜驳最大起重能力（约5500t），另一方面又要保证安装时抗浮所需的自重。

解决方案：在构件预制过程中，为了最大限度的增加预制部分比重，设计与施工方进行了多次交流，最终采用的预制部分结构型式详见图3。由于构件尺寸较大，为满足重量限制要求，空腔隔墙仅能浇筑1m高度，在出运及安装过程中，构件四壁所受弯矩非常大，常规做法是在施工时增加临时钢支撑措施。考虑到在二次现浇过程中，临时钢支撑会给施工带来一定的不便，最后决定取消临时钢支撑措施，通过调整施工方案，来减小壁墙所受弯矩。

调整的施工方案为：过滤涵和泵房基础先行预制高度12.4m（顶部高于设计高水位），预制安装完成后，进行二次现浇工作，二次现浇内墙时需提供干施工工作面，为确保箱内抽水时构件不上浮，需先浇筑外墙，增加构件自身重力。待外墙浇筑到一定高度（满足自身抗浮要求）后，再行抽水，浇筑隔墙。四周先行回填4m高回填料，待墙体与顶板浇筑成整体结构后，再回填至顶部。

2.3 结构计算复杂

取水口结构设计计算工况的选取，以及计算模式的确定，需要从构件预制、使用到检修，并紧密结合现场施工进行分析，计算过程复杂。根据不同阶段选取以下工况：

浮运安装工况：自重+浮拖力+静水压力

安放完成工况（预制结构）：自重+土压力+浮拖力+静水压力

使用期：自重+浮拖力+土压力+水压力+均载+波浪力（过滤涵前墙）

检修期：（流道检修，内部无水情况）自重+浮拖力+土压力+水压力+均载

地震工况：自重+浮拖力+地震土压力+地震水压力+均载

利用ANSYS有限元软件建立泵房、过滤涵结构模型，顶板、底板、隔墙、侧壁等采用shell43单元模型，地基土采用combin14单元模拟，施工期隔墙认为是嵌入前后墙的梁，采用beam188单元模拟。shell43单元与combin14单元连接处设置为铰接约束，泵房两侧填土及上部均载等对其的作用，通过外荷载的方式施加在模型上。

通过内力云图，可以很直观的得到结构各部位内力情况。过滤涵、泵房结构内力具有相同的规律，内力最大值均发生在检修工况。

3.施工难点与解决方案

3.1预制构件浮游稳定计算结果需精确

取水口处需安装两件重量较大（包含1个约5154t过滤涵、1个约4880t泵房基础）且结构复杂的异形预制构件，不能采用常规沉箱计算方法计算浮游稳定。由于泵房基础干舷高度较小，基床顶标高较高，而泵房基础及过滤涵吃水关系到下潜坑及出运航道的开挖以及选择合适的出坞和安装时间，因此需精确计算泵房基础及过滤涵吃水。

解决方案：通过BIM技术建模，可以直接获得浮游稳定计算所需要的各种参数，简单易行，既省去了繁琐的计算过程，又保证结果的准确性。

3.2泵房基础及过滤涵重量重，预制场满足上驳要求的潮位天数较少

由于本工程过滤涵及泵房基础预制部分重量较大，施工现场附近不具备预制条件，因此选在甲湖湾预制场进行预制。泵房基础及过滤涵出运上驳采用“南海号”半潜驳，潮高需要满足1.3m以上。而甲湖湾预制场4-5月份满足1.3m以上潮水的时间极少。

解决方案：减少出运时泵房基础、过滤涵自身重量，选择合适的潮位使半潜驳与出运码头对接就位。就位時的水位要与本地区的潮汐情况及半潜驳的吃水、干舷、型深、性能、码头的标高等有关。要求选择潮水在上涨过程达到平均潮位时移驳就位，就位时必需有人专门指挥。

3.3 泵房基础、过滤涵设置止水措施

泵房基础、过滤涵与传统箱涵、沉箱结构不同，预制完成后其结构为不封闭，需设置止水措施方可进行水上浮运及安装工作。

解决方案：

①在构件预制时预埋拉紧螺栓便于后期钢封门安装加固;

②钢封门与混凝土之间增设弹性止水带，确保密封良好。

通过以上措施，很好的解决了取水口大型预制构件的出运、安装等问题。下图为取水口安装就位后图片。

4.结语

1）取水口结构采用与护岸同步施工，大型构件分期预制、安装，逐步形成整体结构型式的方案，很好的解决了在水深浪大、工期紧张、干地施工造价高昂等带来的诸多问题。

2）取水口结构计算工况的选取，以及计算模式的确定，需要对构件从预制到使用运营、检修，并紧密结合施工过程进行分析。本工程采用国际通用有限元软件对取水口结构在各种工况下的内力进行计算，取得了较好效果，为类似工程设计提供借鉴。

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