連云港港25萬噸級礦石接卸碼頭工程總體設(shè)計

蘭加智

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

1 工程概況

連云港腹地鋼廠對外貿(mào)進口鐵礦石的需求巨大，而該地區(qū)沿海港口接卸能力不足，根據(jù)我國外貿(mào)鐵礦石接卸港口的總體布局，本項目將通過鐵路為腹地隴海沿線鋼廠每年提供3 000萬t的鐵礦石，采用水水中轉(zhuǎn)的方式每年為長江下游鋼廠提供600萬t的鐵礦石，以滿足江蘇省經(jīng)濟發(fā)展的需要，工程年設(shè)計吞吐量為4 200萬t。連云港港外貿(mào)進口鐵礦石主要來自印度、澳大利亞、巴西以及南非等國家，考慮到近年來連云港港鐵礦石運輸船舶大型化的客觀情況，和世界航運市場運輸船型的發(fā)展趨勢，本項目設(shè)計代表船型選用25萬噸級散貨船，水工結(jié)構(gòu)兼靠30萬噸級散貨船，以提高泊位對靠泊船型的適應(yīng)性[1]。

擬選位置：按照大型散貨碼頭建設(shè)需具備的基本條件、港口和城市總體規(guī)劃的要求，本工程選址在連云港港區(qū)旗臺作業(yè)區(qū)海軍基地東側(cè)。

本工程是我國目前一次性建設(shè)規(guī)模最大的礦石碼頭，是連云港港旗臺作業(yè)區(qū)的起步工程，工程總體設(shè)計的要點主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）碼頭布置形式的選擇。連云港港區(qū)現(xiàn)有碼頭基本采用滿堂式布置形式，港口習慣了該種碼頭營運管理。本工程碼頭布置形式是沿襲傳統(tǒng)，還是在旗臺作業(yè)區(qū)首次采用棧橋式形式，是工程總體設(shè)計首先要解決的問題。

2）碼頭前沿線位置的選擇。碼頭前沿線位置與工程水域面積、陸域面積密切相關(guān)，對旗臺作業(yè)區(qū)所有后續(xù)工程的港區(qū)面積有直接影響。在邊界條件受限的條件下，既要考慮船舶進出碼頭對水域的需求，又要盡可能增加陸域面積，碼頭前沿線位置的選擇成為工程總體設(shè)計是否合理的關(guān)鍵因素之一。

3）碼頭、陸域高程的確定。作為起步工程，碼頭面高程、陸域高程的設(shè)計既要安全可靠，又要經(jīng)濟合理；既要滿足港口現(xiàn)狀條件，又要適應(yīng)港口不斷發(fā)展帶來的邊界條件的變化；既要滿足本工程需要，又要兼顧后續(xù)工程建設(shè)。因此，高程設(shè)計是本工程總體設(shè)計的主要問題之一。

2 工程總體設(shè)計考慮的主要因素

2.1 工程規(guī)模與使用要求

1）工程規(guī)模大。本工程年設(shè)計吞吐量4 200萬t，其中卸船量為3 600萬t/a，裝船量為600萬t/a，火車出運能力3 000萬t/a。2個泊位總長755m，最大兼顧靠泊船型為30萬噸級散貨船。

2）使用要求高。按照港區(qū)功能要求，碼頭設(shè)計可同時?？?艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè)，或者同時進行1艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè)與1艘5萬噸級散貨船裝船作業(yè)，后方還可以進行火車的裝車作業(yè)；根據(jù)使用要求，堆場荷載大，使用期堆載達到320 kN/m2。

2.2 工程選址

連云港港區(qū)有旗臺、馬腰、廟嶺、墟溝和大堤作業(yè)區(qū)，根據(jù)總體規(guī)劃，旗臺作業(yè)區(qū)規(guī)劃為散貨作業(yè)區(qū)[2]；馬腰作業(yè)區(qū)是已建成的老港區(qū)，為散雜貨作業(yè)區(qū)；廟嶺作業(yè)區(qū)已基本建成，為集裝箱、散貨作業(yè)區(qū)；墟溝作業(yè)區(qū)為散雜貨作業(yè)區(qū)，除預(yù)留的2個10萬噸級泊位尚未建設(shè)外，其余岸線已建設(shè)完畢；大堤作業(yè)區(qū)規(guī)劃為集裝箱作業(yè)區(qū)，尚未開發(fā)建設(shè)。按照港口規(guī)劃和城市總體規(guī)劃的要求，本工程選址在連云港港區(qū)的旗臺作業(yè)區(qū)。

2.3 作業(yè)區(qū)起步工程

本工程是旗臺作業(yè)區(qū)的起步工程，其碼頭布置形式、碼頭前沿線位置和碼頭、陸域高程的選取直接影響后續(xù)工程的建設(shè)。

2.4 水文條件

1）波浪：工程主要受NE向、N向波浪作用。工程建設(shè)時，碼頭前沿NE向50 a一遇波浪在設(shè)計高水位5.40m時，H1%=4.7m，L=88.8m，T=8.0 s；駁岸前 H1%=3.29 m，L=70.9m，T=8.0 s。旗臺作業(yè)區(qū)防波堤建成后，碼頭前沿N向50 a一遇波浪在設(shè)計高水位時，H1%=4.1m，L=66.9m，T=6.7 s；駁岸前 H1%=2.87m，L=56.4m，T=6.7 s。

2）潮流：為正規(guī)半日潮，潮流流速方向基本與岸線走向或等深線走向平行，工程區(qū)域最大流速0.65m/s。

3）泥沙：連云港海灣東口海域由淤泥質(zhì)淺灘構(gòu)成，近岸水體年平均含沙量一般在0.21～0.24 kg/m3左右。

2.5 地質(zhì)條件

工程區(qū)域水下地形平坦，天然泥面標高一般在－2.0～-3.2m。地質(zhì)條件復(fù)雜，上部淤泥層底標高-23.00～-13.55 m；下面夾有一層軟弱黏土，厚1.6～9.1m，含水量47.7%，層底標高-38.27～-34.06m。

3 總體布置

3.1 技術(shù)思路

總體布置的主要技術(shù)思路是：

1）根據(jù)自然條件，結(jié)合工程特點，考慮當?shù)乩?、流、工程泥沙等綜合作用，選擇碼頭布置形式；

2）根據(jù)工程用地需求，結(jié)合水域條件，考慮當?shù)乩?、流、工程泥沙等綜合作用，選擇碼頭前沿線位置；

3）根據(jù)“投資節(jié)省、結(jié)構(gòu)可靠、使用安全”的原則，確定碼頭、陸域高程。

3.2 碼頭布置形式的選擇

碼頭接岸形式通常要結(jié)合工程區(qū)域地形地質(zhì)條件、泊位性質(zhì)、建設(shè)規(guī)模、工程投資、施工周期和風險等多種因素綜合考慮。通常采用兩種形式，即①滿堂式，通過簡支跨將碼頭與陸域連成一體，連云港港區(qū)已建碼頭絕大多數(shù)采用這種形式；②棧橋式，通過引橋?qū)⒋a頭與后方陸域連接，長江下游深水碼頭大多采用這種連接方式，沿海地區(qū)港口很多碼頭也采用這種形式。本工程比選考慮下列因素：

1）工程地質(zhì)條件。擬建工程所處位置表層淤泥厚達20m，下面還夾有一層厚達9.1m、含水量47.7%的軟弱黏土層。表層淤泥可以采取工程措施進行處理，對下部黏土夾心層，既使采取工程處理措施，一般來說效果不好，且費用昂貴。在使用期，黏土夾心層在回填土和使用荷載的作用下將產(chǎn)生沉降。由于土體受力后運動機理非常復(fù)雜，目前科技條件還不能完全定量分析。從已有工程經(jīng)驗來看，除垂直沉降外，駁岸還可能出現(xiàn)水平側(cè)移現(xiàn)象，這種情況對駁岸附近的樁基是不利的，其工程危害是：一方面樁基將產(chǎn)生負摩擦力，另一方面在土體的側(cè)向推擠下樁基有可能發(fā)生破損。棧橋式接岸方案，可以通過增加引橋排架跨度、減少駁岸附近樁基數(shù)量等措施，最大限度地降低工程風險，同時由于接岸樁基數(shù)量較少，即使出現(xiàn)樁基受損情況，工程修復(fù)也比較容易實現(xiàn)。滿堂式方案接岸樁基較密、數(shù)量多，樁基受損的概率相對要高，碼頭修復(fù)方案實施難度大，風險較高。

2）泊位性質(zhì)。作為專業(yè)化散貨泊位，碼頭上卸船時采用橋式抓斗卸船機，裝船時采用專用裝船機，貨物的水平運輸全部通過皮帶機輸送，除少量的維修車輛、參觀車輛等需要上碼頭外，其它車輛一般不需要進入碼頭區(qū)域。因此，滿堂式和棧橋式碼頭都能夠滿足專業(yè)化散貨泊位的這種需要。

3）建設(shè)規(guī)模。本工程設(shè)計吞吐量達到4 200萬t/a，后方堆場需要的面積大。滿堂式布置能夠增加碼頭區(qū)面積，但受岸坡穩(wěn)定的制約，并不能增加陸域面積，因而增加的碼頭面積不能有效地轉(zhuǎn)化為專業(yè)化散貨堆場，只能部分地作為臨時堆場使用，因此，這種布置實質(zhì)上不能提高專業(yè)化散貨碼頭的堆存能力，反而增加了水工建筑物的工程投資。棧橋式與滿堂式的后方陸域布置相同，可以滿足工程用地需要。

4）工程投資。 滿堂式布置增加了一部分作用不大的碼頭面積，接岸處采用的沖孔樁數(shù)量較多，工程投資增加。采用棧橋式布置，碼頭面積相對較小，接岸處沖孔樁數(shù)量也少，工程投資較低。

5）施工周期。與棧橋式相比，滿堂式增加了水工建筑物的建設(shè)面積，增加了沖孔樁數(shù)量，施工難度也提高了，碼頭建設(shè)的施工周期必將相應(yīng)增加。

我國現(xiàn)有的大型礦石碼頭，如寶鋼馬跡山礦石碼頭、曹妃甸25萬噸級礦石碼頭、大連港礦石碼頭、天津港南疆專業(yè)化礦石碼頭等均采用棧橋式布置，建成后使用效果非常好。通過上述因素綜合比選，結(jié)合已建工程的成功經(jīng)驗，本工程碼頭布置形式選擇棧橋式。

3.3 碼頭前沿線位置的選擇

一般來說，要結(jié)合地形、地質(zhì)、浪、流、工程泥沙等自然條件以及工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)型式、航道狀況等因素綜合分析，選擇碼頭前沿線走向和位置。工程區(qū)域水下地形平坦，土層分布比較均勻，波浪方向明確，水流較為平緩，自然條件對碼頭前沿線位置的影響較小。本工程規(guī)模大，對陸域面積的需求也大，工程陸域主要通過圍海造陸形成，因此，碼頭前沿線與航道之間保持多大距離直接關(guān)系到陸域面積和水域布置。碼頭前水域需求與選定的代表船型尺度密切相關(guān)，如果選取的代表船型尺度較大，則船舶回旋需要的水域尺度必然較大，陸域縱深將會相應(yīng)地減小。由于連云港港區(qū)陸域狹窄，適度控制水域尺度、盡量增加陸域縱深是本工程總體布置設(shè)計的主要指導(dǎo)思想。

考慮到作業(yè)區(qū)起步工程的屬性，選擇本工程碼頭前沿線位置時，應(yīng)分析旗臺作業(yè)區(qū)散貨碼頭靠泊船型的分布狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)狀航道、規(guī)劃航道等因素綜合確定。旗臺作業(yè)區(qū)規(guī)劃的靠泊船型以10萬～15萬噸級散貨船為主，兼顧25萬噸級泊位的需要，統(tǒng)籌考慮起步工程和后續(xù)工程的利益，設(shè)計選取15萬噸級散貨船作為碼頭前沿水域?qū)挾仍O(shè)計的控制船型。按照海港總平面設(shè)計規(guī)范，碼頭前港池寬度以15萬噸級散貨船1.5倍船長（433.5m）作為基本控制尺度，確定：碼頭前沿線走向與航道中心線平行；碼頭前沿線位置距現(xiàn)狀7萬噸級單向航道南邊線487m，距當時正在實施的15萬噸級單向航道南邊線480m[3]，距規(guī)劃30萬噸級航道南邊線432m（見圖1）。經(jīng)選取的碼頭前沿線位置兼顧了港池水域?qū)挾?、陸域縱深的需要，適應(yīng)了航道近期營運和遠期發(fā)展的需要，同時很好地照顧到了25萬噸級散貨船船舶回旋水域的需要，因而實現(xiàn)了本工程與旗臺作業(yè)區(qū)后續(xù)工程的合理銜接。

圖1 碼頭前沿線與航道關(guān)系圖

3.4 碼頭與陸域高程的確定

受東西連島、西大堤和東防波堤的掩護，灣內(nèi)波浪一般不超過1.6m，連云港港區(qū)已建港口工程碼頭、陸域高程通常為7.0m。本工程位于旗臺作業(yè)區(qū)，灣內(nèi)原有掩護條件不足以提供N向、NE向的有效掩護，因此，本工程包括旗臺作業(yè)區(qū)的后續(xù)工程受外海風浪的影響較大。

港區(qū)高程設(shè)計與水位、波浪條件密切相關(guān)，還與水工建筑物結(jié)構(gòu)型式、承受波浪的能力相關(guān)。本工程高程設(shè)計綜合考慮了以下因素：

1）選擇合適的波浪標準作為計算前提。在港區(qū)碼頭、陸域高程的選擇上，設(shè)計綜合考慮了水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全和工程投資的控制因素。在本工程建設(shè)的同時，旗臺作業(yè)區(qū)防波堤工程的前期工作正在進行中?？紤]到2個工程的建成時間相差不會太長，設(shè)計選擇防波堤建成后的波要素來計算港區(qū)高程，這樣可適當降低碼頭面高程和陸域高程，節(jié)省工程投資，并可以部分提高碼頭裝卸作業(yè)效率；選擇防波堤建成前的波要素來對水工建筑物的結(jié)構(gòu)以及碼頭面高程進行復(fù)核，一方面確保結(jié)構(gòu)安全，另一方面避免在這種設(shè)計工況下碼頭面上水，確保碼頭的正常營運。

2）選擇合適的上部結(jié)構(gòu)高度?？紤]到本工程碼頭剛度大、整體性好、結(jié)構(gòu)抵抗浪、流的能力較強，設(shè)計選擇上部面板高度作為碼頭上部結(jié)構(gòu)的高度，既充分利用了結(jié)構(gòu)的強度，又降低了碼頭面高程。

3）碼頭面高程的確定。碼頭面高程計算式：

式中：E為碼頭面高程，m；HWL為設(shè)計高水位，m；η0為設(shè)計高水位時重現(xiàn)期為50 a一遇的H1%（波列累積頻率為1%的波高）靜水面以上波峰面高度，m；h為碼頭上部結(jié)構(gòu)高度，m；Δ為波峰面以上至上部結(jié)構(gòu)底面的富裕高度，m，可取0～1.0m。

碼頭面與引橋面高程的計算見表1。

表1 碼頭面與引橋面高程計算與復(fù)核 m

通過計算，確定碼頭面、引橋面高程為8.5m，兼顧了碼頭的使用要求和結(jié)構(gòu)安全。

4）陸域高程的確定。工程區(qū)域設(shè)計高潮位為5.40m，極端高潮位為6.53m，由于陸域圍堰為透水結(jié)構(gòu)，選擇陸域設(shè)計高程為7.0m，與引橋連接的北圍堤處陸域高程為8.5m?？紤]到后期陸域的沉降問題，設(shè)計預(yù)留了部分沉降量，近期陸域高程取7.3m，前方陸域通過4%坡度過渡到后方陸域。

4 平面布置

港區(qū)功能要求，碼頭可同時停靠2艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè)，或者同時進行1艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè)與1艘5萬噸級散貨船裝船作業(yè)，后方還可進行火車的裝車作業(yè)。為滿足功能要求，對港區(qū)平面布置進行設(shè)計。

4.1 總平面布置

為滿足船舶同時作業(yè)的需要，碼頭長755m；考慮到碼頭上皮帶機棧橋布置、抓斗落地、清艙機吊運和車輛通行，大機軌距30m，碼頭寬38m。碼頭前沿停泊區(qū)取2倍設(shè)計船寬（25萬噸級散貨船），為108m，設(shè)計底標高－24.3m；調(diào)頭區(qū)回旋圓直徑采用2倍設(shè)計船長（25萬噸級散貨船），為655m，近期設(shè)計底標高-16.5m，遠期隨著30萬噸級航道工程的建設(shè)同步浚深調(diào)頭區(qū)水深。碼頭與陸域通過3座引橋連接，引橋?qū)?2～19m。陸域縱深862 m，寬937m，前方陸域自北圍堤處8.5m高程通過4%坡度過渡到后方陸域7.3m高程；后方陸域平行碼頭方向布置7條斗輪堆取料機作業(yè)線和4條火車裝車線（見圖2）。

圖2 連云港港旗臺作業(yè)區(qū)25萬噸級礦石接卸碼頭工程效果圖

4.2 碼頭裝卸工藝

碼頭卸船采用4臺抓斗卸船機，額定生產(chǎn)能力為3 000 t/h；卸船接運采用軌內(nèi)高架棧橋上海側(cè)的2條帶式輸送機，正常卸船作業(yè)以2臺卸船機對1條卸船輸送機，2條輸送機BC1在碼頭東端的1號轉(zhuǎn)運站內(nèi)將礦石轉(zhuǎn)卸至引橋上的2條輸送機BC2上。裝船機布置在卸船機東側(cè)，額定能力為6 000 t/h，其停機位置不影響2個泊位的正常卸船作業(yè)，裝船集運采用棧橋上陸側(cè)的1條輸送機。

4.3 火車裝車工藝

大宗散貨的火車裝車有兩種方案：一是采用定點裝車的倉式火車裝車樓，通過火車的移動實現(xiàn)每節(jié)車皮的礦石裝料任務(wù)，該方案需要的裝車線大于2倍整列車皮的長度；二是采用移動式裝車機，火車不動，通過裝車機的移動對每節(jié)車皮逐一給料，該方案需要的裝車線大于1倍整列車皮的長度。受陸域條件制約，設(shè)計選擇移動式裝車機方案，裝車機4臺，額定生產(chǎn)能力為3 000 t/h，軌距9m。

4.4 堆場裝卸工藝

根據(jù)本工程礦石運量大、礦石品種多、貨物堆存期長、工藝流程要求靈活切換特點，結(jié)合陸域條件，在滿足卸船進場、裝船出場、裝火車出場的流程作業(yè)線數(shù)的基本要求前提下，堆場料堆走向按東西向平行碼頭布置，東進西出，全部采用堆、取合一的寬料堆斗輪堆取料機的布局方案，實現(xiàn)堆場容量的最大化。后方陸域布置8條礦石堆場，設(shè)置堆、取合一的斗輪堆取料機7臺，額定堆料能力為6 000 t/h，額定取料能力為3 000 t/h，軌距10m。

4.5 水平輸送工藝

卸船水平輸送工藝系統(tǒng)：為適應(yīng)25萬噸級礦石船的卸船作業(yè)，并配合額定生產(chǎn)能力3 000 t/h橋式抓斗卸船機的作業(yè)，礦石卸船進場采用雙路額定生產(chǎn)能力為6 000 t/h的帶式輸送機輸送線進入7條堆取料機線的任意2條進場堆垛。進場帶式輸送機帶寬1.8m，帶速3.15m/s。

裝船水平輸送工藝系統(tǒng)：裝船系統(tǒng)采用移動式裝船機裝船，堆場出場裝船水平輸送系統(tǒng)選用1路額定生產(chǎn)能力為6 000 t/h的帶式輸送機，可視船型大小采用2條堆場斗輪堆取料機同時或單一堆場取料向該條帶寬1.8m，帶速3.15m/s出場裝船帶式輸送機線供料。

裝車水平輸送工藝系統(tǒng)：裝車系統(tǒng)采用4臺軌道式移動火車裝車機，堆場出料供料可通過堆場7條斗輪堆取料機線中的4條分別向4條火車裝車輸送機線供料，裝車水平輸送機采用額定生產(chǎn)能力為3 000 t/h的帶式輸送機，其帶寬1.4m，帶速3.15m/s。

5 結(jié)語

本工程碼頭于2008年底建成，后方堆場的主要部分于2009年底建成，但由于海軍基地尚未遷走，進線鐵路未能建設(shè)。工程投產(chǎn)后主要進行水水中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)，2010年完成吞吐量810萬t（截至11月底），從投產(chǎn)運行情況來看，工程總體運轉(zhuǎn)正常。本工程的建設(shè)，提高了我國大型專業(yè)化散貨碼頭的工藝水平，體現(xiàn)了我國港口工程的技術(shù)進步，為我國港口建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗。工程總體布置設(shè)計具有以下技術(shù)特點：

1）連云港港25萬噸級礦石接卸碼頭是我國目前一次性建設(shè)規(guī)模最大的礦石碼頭，是國內(nèi)首次采用3 000 t/h橋式抓斗卸船機進行卸船作業(yè)的散貨碼頭，卸船、裝船、裝火車等工藝系統(tǒng)較為復(fù)雜；

2）碼頭前沿線位置適度外推，基本解決了旗臺作業(yè)區(qū)陸域縱深不足的狀況；

3）合理確定碼頭布置形式、碼頭前沿線位置以及碼頭面高程、陸域高程，為旗臺作業(yè)區(qū)后續(xù)工程的建設(shè)打下了堅實基礎(chǔ)；

4）前方圍堰的東、西兩端向外適度延伸，方便相鄰工程的建設(shè)；

5）考慮到工程區(qū)域軟基較厚，設(shè)計綜合采用了3種技術(shù)措施以應(yīng)對沉降：①在高程設(shè)計上預(yù)留部分沉降量；②地面皮帶機、軌道的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下填道渣，部分土建結(jié)構(gòu)設(shè)置沉降調(diào)節(jié)點；③皮帶機鋼支腿上預(yù)留沉降調(diào)節(jié)孔。

[1] 連云港港旗臺港區(qū)25萬噸級礦石接卸碼頭工程初步設(shè)計[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2008.

[2] 連云港港總體規(guī)劃[R].北京：交通部規(guī)劃研究院，2007.

[3] 連云港港15萬噸級航道擴建工程初步設(shè)計[R].上海：中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，2006.