國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程總體布置研究

唐洲，何小林

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

1 工程背景

國投湄洲灣煤炭碼頭擬選址于福建省湄洲灣北岸，該項目建設(shè)是國家“加快建設(shè)海峽西岸經(jīng)濟區(qū)”的一項重要舉措，項目建設(shè)一方面將有助于緩解福建沿海公共煤炭碼頭運能不足的困境；另一方面，依托湄洲灣深水岸線資源及向莆鐵路的建設(shè)，發(fā)展煤炭海鐵聯(lián)運，可為江西等中部地區(qū)提供一條新的能源供應(yīng)通道；因此項目建設(shè)對于保障海峽西岸經(jīng)濟區(qū)、江西省等中部地區(qū)的能源供應(yīng)、經(jīng)濟快速、健康的發(fā)展具有十分重要的意義。

作為項目的起步工程，其總體布置是設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容，除了必須考慮自然條件因素以外，還應(yīng)考慮其平面布置與后續(xù)工程整體相協(xié)調(diào)，工藝流程應(yīng)滿足一、二期的裝、卸船設(shè)施和皮帶機系統(tǒng)的互通、后續(xù)工程的實施不能影響一期的正常營運等因素。因此，本文主要從工程的建設(shè)環(huán)境條件和要求出發(fā)，通過分析影響一期工程總平面布置的主要因素以及研究港區(qū)總體設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出相應(yīng)的解決方案。

2 一期工程總體布置影響因素

2.1 港區(qū)地處湄洲灣灣內(nèi)，水文氣象條件較復(fù)雜

國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程選址于湄洲灣北岸莆田市秀嶼區(qū)東埔鎮(zhèn)，地理位置坐標(biāo)為北緯25°09′05″，東經(jīng) 119°00′19″，見圖 1。

1）風(fēng)：湄洲灣地區(qū)多年平均風(fēng)速為5.6～6.6 m/s，全年常風(fēng)向為NE—NNE向，強風(fēng)向為N—NE向，實測最大風(fēng)速為27 m/s。本地區(qū)風(fēng)向季節(jié)變化為：夏季（6—8月）以西南風(fēng)為主；其它月份則以NE或NNE向為主。

2）波浪：本海區(qū)以風(fēng)浪為主，常浪向NE向，頻率26%；次常浪向ENE向，頻率17%。強浪向為NE向，實測最大波高1.4 m；次強浪向為ENE向，實測最大波高1.2 m，實測各向平均波高0.2 m。

圖1 工程區(qū)域位置及規(guī)劃圖

3）潮流：湄洲灣為強潮海區(qū)，潮流動力較強，潮流為規(guī)則半日潮；受地形控制，灣內(nèi)基本上是往復(fù)流，漲、落急出現(xiàn)在中潮位附近，轉(zhuǎn)流出現(xiàn)在高低潮位附近。根據(jù)2009年工程區(qū)實測潮流資料：工程區(qū)漲急流向346°～353°，表層最大流速0.80 m/s，垂線平均流速0.74 m/s；落急流向162°～171°，表層最大流速 0.79 m/s，垂線平均流速0.66 m/s。

4）水位：擬建工程海域的潮汐性質(zhì)屬于正規(guī)半日潮，潮差較大，平均潮差5.11 m。設(shè)計水位：設(shè)計高水位7.35 m（秀嶼理論最低潮面，下同），設(shè)計低水位0.78 m，50 a一遇極端高水位8.52 m，50 a一遇極端低水位-0.15 m，100 a一遇極端高水位8.72 m。乘潮保證率90%時，歷時1～3 h的水位分別為：5.88 m、5.66 m、5.34 m。

工程海域較復(fù)雜的水文氣象條件是本工程總體布置考慮的關(guān)鍵因素，必須通過必要的技術(shù)手段確定港區(qū)水域布置，以滿足船舶安全操縱、碼頭安全高效裝卸作業(yè)、降低工程投資等要求。

2.2 港區(qū)水域地形起伏較大，地質(zhì)條件復(fù)雜

根據(jù)港區(qū)水域地形測量資料，水下地形起伏較大，離岸1 km左右有淺灘存在，淺灘頂面高程在-1 m左右；淺灘總體呈元寶形，中部最寬處寬約500 m（-2 m等深線），淺灘外側(cè)水深逐漸加深，至-10 m水深處變化較快；至主航道邊水深逐步增加至-19 m左右。

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，工程區(qū)域巖面起伏較大，強風(fēng)化層頂板起伏較大，水域部分砂礫狀強風(fēng)化巖頂板標(biāo)高為-1.6～-29.5 m，碎塊狀強風(fēng)化巖頂板標(biāo)高-15.6～-37.1 m，覆蓋層主要為砂混淤泥、中粗砂、黏土、殘積土、全風(fēng)化層等；強風(fēng)化層巖性為花崗巖，標(biāo)貫擊數(shù)＞50擊。水域部分強風(fēng)化巖下臥中風(fēng)化巖，頂板標(biāo)高一般為-22.8～-42.9 m，該層屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級，局部巖芯較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，給港區(qū)的總體布置和碼頭結(jié)構(gòu)選型帶來了較大的難度，直接影響工程的建設(shè)投資以及建設(shè)工期。

2.3 與相鄰工程及后續(xù)工程的關(guān)系

國投湄洲灣煤炭碼頭總體規(guī)劃規(guī)模是3 000萬t煤炭接卸能力：一期工程建設(shè)規(guī)模為年接卸煤炭1 500萬t，主要用于周邊電廠（680萬t）、鐵路裝車（720萬t）以及汽車裝車（100萬t），一期工程擬建設(shè)7萬噸級、10萬噸級卸船泊位各1個；二期工程建設(shè)規(guī)模為年接卸煤炭1 500萬t，主要為鐵路裝車（900萬t）、裝船（600萬t）。

一方面，本工程總平面布置需考慮周邊相鄰工程（如主航道、規(guī)劃作業(yè)區(qū)）對本工程總平面布置的影響，同時更要考慮相鄰電廠、鐵路進線等因素（見圖1）。

另一方面，本工程是國投湄洲灣煤炭碼頭的起步工程，總平面布置及工藝方案設(shè)計還需要考慮后續(xù)工程，應(yīng)當(dāng)遵循一次規(guī)劃、分期實施的原則，同時后續(xù)工程實施還應(yīng)不影響一期工程運營。

3 總體布置

3.1 一期工程總體布置原則

分析國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程總體布置的影響因素，確定港區(qū)總體布置的主要原則如下：

1）充分考慮整個國投湄洲灣煤炭碼頭建設(shè)要求，統(tǒng)籌進行總平面布置及分期實施方案，為遠期發(fā)展留有空間和技術(shù)接口，減少后續(xù)工程建設(shè)對一期工程營運的影響；

2）與后方鐵路運輸、湄洲灣電廠等布置合理銜接；

3）碼頭水域布置應(yīng)在一期工程的基礎(chǔ)上，根據(jù)二期工程的建設(shè)規(guī)模和擬采用的工藝流程以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)、浪、流、地形、地質(zhì)等特點進行卸船碼頭的水域布置，滿足船舶靠離泊安全操作、裝卸作業(yè)以及降低工程造價的要求。

3.2 碼頭前沿線位置的確定

碼頭布置形式及前沿線位置的確定一般受當(dāng)?shù)夭ɡ?、潮流、工程泥沙、工程地質(zhì)等一系列因素影響，本工程主要考慮了以下幾點因素：

1）項目總體建設(shè)規(guī)模。本工程是國投湄洲灣煤炭碼頭工程起步工程，碼頭總體建設(shè)規(guī)模為3 000萬t接卸能力，600萬t裝船能力；而煤炭碼頭工程占用規(guī)劃岸線總長度為1 200 m，可布置4個7萬～10萬噸級泊位，僅可滿足項目接卸碼頭的布置要求。若采用岸壁式布置形式，則未來裝船將面臨無岸線可用的尷尬境地；若采用棧橋式布置形式，則大碼頭內(nèi)側(cè)可布置裝船泊位；裝船碼頭等級較小，碼頭基槽底高程相對較高，可避免炸礁，同時裝船碼頭回旋水域布置于離岸淺灘位置，利用湄洲灣潮差大的特點，最大乘潮水位可達5.88 m（1 h乘潮保證率90%），可有效減少基建挖泥量及日后回淤維護工程量。

2）工程區(qū)水下地質(zhì)、土方平衡與工程泥沙。工程區(qū)水下地形變化較大，總體由岸向海水深逐漸變深，然而受羅嶼島及羅嶼水道的影響，離岸1 km左右有淺灘存在，淺灘頂面高程在-1 m左右；淺灘總體呈元寶形，中部最寬處寬約500 m（-2 m等深線）；淺灘內(nèi)側(cè)與已建西山圍堤間有一潮流通道，天然泥面在-6～-7 m；淺灘外側(cè)水深逐漸加深，至-10 m水深處變化較快；至主航道邊水深逐步增加至-19 m左右。若碼頭采用岸壁式布置形式，則碼頭至堆場的輸送距離短，有利于項目營運期節(jié)能減排、節(jié)約營運成本；然而工程區(qū)規(guī)劃駁岸處天然水深僅0～-6 m，根據(jù)項目地質(zhì)勘察資料，淺灘處強風(fēng)化巖面相對較淺，炸礁工程量較大，不利于工程實施。而碼頭采用棧橋式布置形式，雖然一定程度上增加了物料輸送距離，但是可將碼頭布置于水深較深的位置，從而避免了大規(guī)模炸礁工作。

本工程后方陸域需吹填成陸，回填土方約620萬m3，工程區(qū)域無穩(wěn)定的砂源或開山取土區(qū)，而本工程水域除表層為淤泥外，其他土層物理力學(xué)指標(biāo)均較好，比較適合作為陸域回填料。因此本工程碼頭前沿線位置選擇需考慮土方平衡因素，需要為本工程陸域形成提供適量的回填料；但另一方面，淺水深用必將面臨回淤問題，工程建成后的日常水深維護工程量將會增加營運成本。

經(jīng)綜合分析，碼頭采用棧橋式布置形式，前沿布置于淺灘前沿-10 m等深線附近，①避開了強風(fēng)化巖面埋藏較淺的區(qū)域，避免炸礁；②為項目陸域形成提供了約290萬m3的回填料，減少了工程外購砂方量；③碼頭建成后港池及回旋水域回淤強度在合理范圍，據(jù)工程數(shù)學(xué)模型試驗研究結(jié)果，港池平均年淤強為31.8～41.2 cm/a，回旋水域開挖區(qū)平均年淤強為5.6～33.3 cm/a。

3）環(huán)境影響及投資。若采用岸壁式布置形式，工程炸礁工作量巨大，本工程北側(cè)羅嶼島水域是湄洲灣內(nèi)比較集中的鮑魚等高檔水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，水下爆破對水產(chǎn)養(yǎng)殖影響極大；而采用棧橋式布置形式可有效避免水下爆破施工，將對工程區(qū)附件水域的不利影響降至最低。同時，經(jīng)工程造價比較，岸壁式碼頭由于炸礁工程量巨大、沉箱數(shù)量多等因素，工程造價要比棧橋式碼頭高較多。

綜上分析，本工程碼頭確定采用棧橋式布置形式，碼頭前沿線布置于-10 m等深線附近；碼頭至已建西山圍堤約1.5 km，至規(guī)劃駁岸線位置約1 km；碼頭前沿距離主航道邊線距離約750 m，可滿足設(shè)計船型回旋不占用主航道的要求。

如果有一份菜，一點都沒吃，份量又很多，可以考慮分好幾份來保存，這樣下次吃的時候，按人數(shù)，拿適當(dāng)?shù)姆輸?shù)加熱就好了，可以避免反復(fù)加熱的問題。而且，分裝成小份保存，更有利于降溫，保存食物。

3.3 碼頭高程確定

根據(jù)工程所在區(qū)域的水文、氣象條件分析，擬建碼頭區(qū)為半掩護水域，考慮本碼頭對于卸煤的穩(wěn)定性具有較高的要求，因此，設(shè)計擬按保證碼頭面不被波浪淹沒的要求以及碼頭上部結(jié)構(gòu)部分承受波浪力的作用確定碼頭面標(biāo)高，根據(jù)重力墩式結(jié)構(gòu)的碼頭結(jié)構(gòu)選型，碼頭面標(biāo)高確定如下：

式中：HWL為設(shè)計高水位，m，為7.35 m；η0為設(shè)計高水位時重現(xiàn)期為50 a一遇H1%靜水面以上的波峰面高度，m，η0=0.62×4.54=2.81 m；h為碼頭上部結(jié)構(gòu)高度，m，取1.0 m；Δ為波峰面以上至上部結(jié)構(gòu)底面的富裕高度，m，取0～0.5 m。

則 E=7.35+2.81+1.0+（0～0.5）=11.16～11.66 m；

碼頭面設(shè)計高程初步確定為11.2 m。由于工程區(qū)處于半掩護水域，對于重力墩式結(jié)構(gòu)碼頭面高程確定無明確的規(guī)范，為驗證碼頭面高程確定的合理性，委托河海大學(xué)進行了整體波浪物理模型試驗，對本工程碼頭面高程的確定進行了驗證。

模型按重力相似率及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進行模擬，模型的幾何比例為1∶50。試驗結(jié)果表明：對于S向波浪，煤炭碼頭在極端高水位及設(shè)計高水位50 a一遇波浪作用下上水，最大上水高度約57 cm，其他重現(xiàn)期波浪基本不上水；SSW向波浪，在極端高水位50 a一遇波浪作用下，煤炭碼頭上水，上水高度5 cm，其他重現(xiàn)期波浪基本不上水。試驗表明，碼頭高程選擇比較合理，上水主要在邊墩迎浪面，上水高度最大為57 cm?？紤]到護輪坎等設(shè)施的防浪效果，本工程最大上水高度不到30 cm，對碼頭生產(chǎn)及作業(yè)安全基本沒有影響。

3.4 與二期工程的關(guān)系

3.4.1 碼頭平面布置形式

本工程擬建設(shè)7～10萬噸級煤炭卸船泊位2個，二期工程將續(xù)建10萬噸級泊位2個，本工程碼頭和引橋采用棧橋式布置，由于引橋設(shè)置位置的不同，總體布置上有兩大方案：一是引橋設(shè)在碼頭的中間，平面上呈“T”形布置；二是引橋設(shè)在碼頭的北端，平面上呈“L”形布置。

從該水域的地形條件和水流條件分析，碼頭和引橋采用“T”形或“L”形布置都是可行的，但考慮到①一期碼頭需要為二期預(yù)留2條皮帶機位置，碼頭寬度較大，一期工程建設(shè)投資相應(yīng)加大；②二期的2個10萬噸級卸船泊位其水平運輸距離相應(yīng)加長，今后碼頭營運成本相應(yīng)加大；二期碼頭建設(shè)時，需在一期碼頭上建設(shè)皮帶機廊道，對一期碼頭作業(yè)會產(chǎn)生一定的影響。

圖2 工程總體布置圖

3.4.2 一、二期工程堆場位置選擇

根據(jù)項目擬建位置現(xiàn)狀條件看，已建西山圍堤內(nèi)水域長寬均達1 km以上，西山圍堤至規(guī)劃駁岸線亦有500 m左右距離，上述區(qū)域共可布置3塊南北向長1 km、東西向?qū)?00 m左右的堆場，基于以下原因，設(shè)計選擇了緊鄰西山圍堤內(nèi)側(cè)位置布置了一期工程堆場，一期堆場西側(cè)至規(guī)劃駁岸位置布置二期工程堆場，一期堆場東側(cè)作為遠期發(fā)展用地預(yù)留。

3.5 裝卸工藝

本工程煤炭卸船碼頭選用橋式抓斗卸船機，額定能力1 800 t/h，每泊位配置2臺；水平運輸采用帶寬2 m、帶速3.15 m/s的帶式輸送機，額定能力為3 600 t/h，碼頭及引橋布置2路皮帶機；煤炭堆場采用堆、取料分開布置的工藝，共布置3條堆料線、4條取料線，堆、取料機額定能力均為3 600 t/h；鐵路裝車采用裝車樓，額定能力為3 600 t/h；至擬建電廠采用皮帶機直送模式。

為滿足項目后續(xù)發(fā)展要求，一期工程預(yù)留有二期工程卸船、裝船、裝船直取、裝火車、去電廠、煤炭篩分等工藝接口。

3.6 水工建筑物

從工程勘探情況來看，工程區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，風(fēng)化巖面埋深較淺，巖面起伏大；重力式及樁基基礎(chǔ)均具有技術(shù)可行性，經(jīng)經(jīng)濟、技術(shù)比較后，碼頭采用重力墩式結(jié)構(gòu)，引橋采用樁基結(jié)構(gòu)，引堤采用全清淤拋石堤結(jié)構(gòu)。

3.6.1 碼頭

碼頭結(jié)構(gòu)方案確定中，選擇全直樁嵌巖方案和重力墩式結(jié)構(gòu)方案進行對比，重力墩式結(jié)構(gòu)的沉箱設(shè)計又分為單個大型矩形截面沉箱和2個圓形小沉箱并排布置兩種結(jié)構(gòu)形式。最終選擇了重力墩式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)沉箱采用單個大型矩形截面沉箱（見圖3），該方案結(jié)構(gòu)施工方便、工程造價省，后期無不均勻沉降問題。標(biāo)準(zhǔn)沉箱寬13m，長27 m，高22.3 m，沉箱預(yù)制重量為3 663 t；由于碼頭南側(cè)端頭所受波浪力較大，布置2個較寬沉箱，沉箱寬15 m，長27 m，高22.3 m，沉箱預(yù)制重量為4 133 t。重力墩的布置結(jié)合設(shè)計船型尺寸，沉箱基礎(chǔ)采用不連續(xù)布置方式，沉箱中心距離標(biāo)準(zhǔn)跨為29 m（局部沉箱根據(jù)工藝的布置，沉箱中心距調(diào)整為26 m），基床開挖至全風(fēng)化或強風(fēng)化巖面，拋石基床設(shè)計厚度為3.5～8 m。

一期碼頭北側(cè)端部布置有1號轉(zhuǎn)運站，因預(yù)留有二期卸船碼頭接口，1號轉(zhuǎn)運站尺度較大，無法布置在1個沉箱上，為消除后期結(jié)構(gòu)不均勻沉降對工藝系統(tǒng)的影響，1號轉(zhuǎn)運站采用高樁墩臺結(jié)構(gòu)，樁基采用直徑1.8 m的嵌巖樁。

由于湄洲灣地區(qū)潮差大，而碼頭面頂高程較高為11.2 m。為改善泊位系纜條件，在泊位前沿設(shè)置下沉式系纜平臺，系纜平臺頂標(biāo)高9.2 m。

圖3 碼頭斷面圖

3.6.2 引橋

引橋長1 076 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬15 m、頂面標(biāo)高12.20 m，設(shè)計方案采用24 m跨預(yù)應(yīng)力空心大板方案和40 m跨預(yù)應(yīng)力T形梁方案對比，最終選擇采用了施工方便、工程造價較低的24 m跨預(yù)應(yīng)力空心大板結(jié)構(gòu)方案：采用高樁大板式結(jié)構(gòu)，橋墩中心距為24 m，引橋標(biāo)準(zhǔn)跨墩臺基礎(chǔ)布置8根600 mm×600 mm預(yù)應(yīng)力方樁，在方樁樁尖設(shè)置1.5 m長鋼樁靴；并在局部強風(fēng)化巖面埋深較淺，沉樁困難區(qū)域，采用φ1 000 mm灌注樁替代方樁。

3.6.3 引堤

引堤連接引橋與西山圍堤，總長約520 m，考慮到引堤上工藝設(shè)備對后期沉降的要求，設(shè)計結(jié)構(gòu)采用全清淤拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)：堤頂寬度20 m，堤頂高程10.5～8.70 m，北側(cè)防浪墻頂標(biāo)高10.80 m，南側(cè)防浪墻頂標(biāo)高11.70 m，基礎(chǔ)開挖至黏土層，堤身采用10～100 kg塊石填筑，堤身邊坡采用H=500 mm柵欄板護面。

4 結(jié)語

本工程作為國投交通公司在海峽西岸經(jīng)濟區(qū)的重要布點，是其“煤、電、港、航”一體化綜合開發(fā)模式中的重要環(huán)節(jié)，為了給其提供科學(xué)決策依據(jù)，本工程在設(shè)計過程中除充分論證其建設(shè)必要性、經(jīng)濟合理性外，對工程技術(shù)方案也進行了多方案、多手段的論證工作，在充分吸取科研報告結(jié)論、專家意見的基礎(chǔ)上，最終確定了本工程技術(shù)方案；目前該項目已進入全面施工階段，計劃于2013年底投產(chǎn)，本工程必將在完善海峽西岸經(jīng)濟區(qū)能源基礎(chǔ)建設(shè)、保障江西省提供能源保障等方面發(fā)揮重要作用。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程工程可行性研究報告[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2009.

[2]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程初步設(shè)計[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2011.

[3]國家海洋局第一海洋研究所.國投湄洲灣煤炭碼頭工程波浪計算分析報告[R].青島：國家海洋局第一海洋研究所，2009.

[4]國家海洋局第一海洋研究所.國投湄洲灣煤炭碼頭工程方案調(diào)整后（一期工程）潮流數(shù)學(xué)模型試驗和泥沙沖淤分析專題報告[R].青島：國家海洋局第一海洋研究所，2009.

[5]河海大學(xué).國投湄洲灣煤炭碼頭一期工程波浪整體物理模型試驗報告[R].南京：河海大學(xué)，2011.