架空斜坡式碼頭在大水位差山區(qū)河流碼頭中的應(yīng)用

鄧 旭

(云南水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計研究院，昆明 云南 650051)

1 前 言

我國西部河流具有典型的山區(qū)河流特性，流速急、水面坡降陡、水位變化大。以重慶主城段長江為例，年內(nèi)最大水位差可達(dá)20～30 m。傳統(tǒng)的直立式碼頭無法正常運(yùn)營作業(yè)。為適應(yīng)大水位差碼頭的裝卸作業(yè)，同時結(jié)合長江上游重慶段特殊地質(zhì)、水文、泥沙等相關(guān)條件。通常采用斜坡式碼頭來滿足正常運(yùn)營。

根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計，目前四川、重慶現(xiàn)有的碼頭中，有71.5%的碼頭型式采用斜碼頭。主要型式有實(shí)體斜坡和架空斜坡兩種?？紤]到長江上游段水位變化大、水流沖擊作用強(qiáng)。若采用實(shí)體斜坡碼頭，坡底容易產(chǎn)生大范圍掏刷，嚴(yán)重影響岸坡穩(wěn)定性。因此，長江上游段約有88.2%的碼頭采用架空式斜坡碼頭。

為研究大水位差河段斜坡碼頭的邊坡穩(wěn)定規(guī)律，同時為實(shí)例工程—重慶江津區(qū)魚尾磧實(shí)例碼頭提供穩(wěn)定性依據(jù)。本文以該碼頭為實(shí)例工程，采用三維數(shù)值模擬，分析實(shí)例工程的邊坡穩(wěn)定情況。

2 實(shí)例工程概況

本文以重慶江津區(qū)魚尾磧碼頭為實(shí)例工程。實(shí)例工程位于長江合川魚尾磧段。工程段距離重慶主城李家沱河段約75.5 km，地理坐標(biāo)為經(jīng)112°11′21″，北緯32°14′39″。實(shí)例工程碼頭設(shè)計噸位為3 000 t級，碼頭主要貨種為件雜貨和干散貨。斜坡坡比為1∶2.5，并采用實(shí)心六角塊進(jìn)行護(hù)面。同時，斜坡采用11根樁基進(jìn)行支撐。

根據(jù)實(shí)例工程上游22.5 km的水文站多年的水文實(shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，工程處的特征水文結(jié)果見表1。

表1 實(shí)例工程特征水文數(shù)據(jù)

3 數(shù)模計算及結(jié)果分析

3.1 碼頭樁基應(yīng)力分布云圖

對碼頭樁基進(jìn)行編號處理，令碼頭斜坡底部的樁基編號為1#，然后依次向上，編號分別為2#、3#，直至11#。

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果，實(shí)例工程碼頭的壓應(yīng)力分布和拉應(yīng)力分布云圖分析可知。

(1)實(shí)例工程最大壓應(yīng)力主要分布在8#樁基和9#樁基，最大壓應(yīng)力為9.85 MPa，小于C40混凝土20 MPa的抗壓要求，符合規(guī)范。

(2)實(shí)例工程的最大拉應(yīng)力分布區(qū)域與最大主壓應(yīng)力分布區(qū)域一致，也在8#樁基和9#樁基。經(jīng)計算，最大拉應(yīng)力為1.6 MPa。小于C40混凝土2.0 MPa的抗拉要求，符合規(guī)范。

進(jìn)一步分析可知，實(shí)例工程的主要拉應(yīng)力分布在T梁的跨中截面區(qū)域。建議對該區(qū)域進(jìn)行加筋防護(hù)。

3.2 碼頭樁基形變值分布分析

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果，在最高通航水位工況下，實(shí)例工程碼頭在X、Y、Z三個方向形變值分布云圖見圖1，分析可知：

(1)1#至3#墩臺結(jié)構(gòu)在X、Y、Z三個方向的變形值都非常小(0.01～0.05 cm)。而4#至11#樁基的變形值都相對較大(0.08～0.15 cm)。最大值出現(xiàn)在Y軸負(fù)方向，最大值為0.15 cm，小于規(guī)范要求的0.25 cm安全值，滿足規(guī)范。

(2)4#至11#樁基(尤其是Z軸方向)受到水流沖擊作用影響較大，在8#樁基和9#樁基，最大值為0.098 cm。因此，應(yīng)當(dāng)在上部橫梁布置時加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗橫向受力的加勁肋或橫隔梁，增加實(shí)力工程橫向受力穩(wěn)定，保證實(shí)例工程結(jié)構(gòu)安全。

(3)樁基的變形會傳遞、影響接觸的土體，從而使得土體產(chǎn)生被動土壓力，抵消一部分變形作用。在實(shí)例工程中，有土體覆蓋的區(qū)域，樁基底部變形值相對較小，安全穩(wěn)定性相對更高。

圖1 高水位計算工況下魚尾磧碼頭樁基形變值分布

3.3 岸坡土體形變值分析

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果，進(jìn)一步分析岸坡土體形變值。分析可知：

(1)總體來看，魚尾磧碼頭工程岸坡土體的形變值在0.02～0.17 cm范圍內(nèi)。

(2)1#至3#墩臺結(jié)構(gòu)接觸的土體部分形變值較小。基本分布在0.02～0.08 cm范圍內(nèi)。

(3)4#至11#樁基接觸的土體變形值相對較大，基本分布在0.05～0.17 cm范圍內(nèi)，且基本在表層土體區(qū)域。在中深層土體，變形值基本趨近于0。

(4)變形值最大的土體為與8#樁基和9#樁基接觸的土體部分。產(chǎn)生較大變形值的原因主要有陸域后方土體滑坡推力的影響，以及受水流力的作用效應(yīng)影響。

4 結(jié) 論

本文選擇重慶江津區(qū)魚尾磧碼頭作為實(shí)例工程。借助ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件，分析了實(shí)例工程最最不利工況(最高通航水位下)，碼頭自身的應(yīng)力分布情況，以及碼頭范圍內(nèi)的形變分布情況。研究結(jié)果顯示，在最不利工況下，魚尾磧架空式斜坡碼頭的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力最大值均滿足規(guī)范要求，碼頭整體的形變值較小，且岸坡基本保持穩(wěn)定。因此，實(shí)例工程結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，符合規(guī)范要求。