某碼頭工程水工建筑物結構方案設計和比選論證研究

■邵茂產

（1.寧德市交通運輸局；2.寧德市交通經濟發(fā)展中心，寧德 352100）

1 工程概況

某碼頭工程位于寧德市三都澳港區(qū)城澳作業(yè)區(qū)，工程主要建設內容：建設3.5萬噸級和5萬噸級通用泊位各一個及相應的水、電、通信等配套設施，碼頭水工結構按可靠泊15萬噸級散貨船預留。項目所在地區(qū)建筑材料供應充足，交通、通訊、供水、供電方便。工程建設場地利用灘涂和山丘地，不占農田，工程地質條件較好，具備了良好的建港條件。本文主要對該項目碼頭水工的建設自然條件、結構方案、結構方案論證和比選等方面進行介紹。

2 建設自然條件

2.1 水文、氣象

（1）風況

該區(qū)常風向為SE向，出現頻率18%，強風向為NW，多年平均風速1.4m/s，最大風速28m/s，極大風速40m/s，全年≥8級風日數為5.7天，年平均大風日為32.35天。本工程最大設計風速取55m/s。

（2）設計潮位（當地理論最低潮面，下同）

設計高水位：7.27m 設計低水位：0.57m

極端高水位：8.58m 極端低水位：-0.52m

（3）波浪

工程場區(qū)目前尚無實測資料，根據規(guī)范用小風區(qū)法推算的50年一遇波要素：H1%=2.31m，T=5.0s，波向為東向，本工程水工結構依此進行設計。

（4）水流

三都澳屬強潮海區(qū)，海區(qū)地形復雜，島嶼星羅棋布，水域多呈水道形式，潮流呈往復流，流向與水道走向基本一致，潮流流向與深槽走向基本一致，一般落潮流速大于漲潮流速。本工程最大設計水流速取1.48m/s，流向為東南向。

2.2 工程地質

根據鉆探揭露，本場地內地層結構自上而下依次為：淤泥層、粉質粘土層、淤泥質土層、碎石層、砂土狀強風化花崗巖層、碎塊狀強風化花崗巖層、中風化花崗巖層等。其中砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖及中風化花崗巖埋深深淺不一，巖面高程變化較大，工程性能較好。

2.3 抗震設防標準

擬建場地處于抗震設防烈度6度區(qū)，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組屬第一組，地震動反應譜特征周期為0.45s。

3 水工建筑物結構方案設計

3.1 結構選型

根據地質報告顯示，碼頭平臺區(qū)地質復雜，地勢由南往北傾斜，坡度較陡，覆蓋層主要由淤泥層、粉質粘土層、淤泥質土層組成，覆蓋層厚度分布不均勻，工程性能差?；鶐r埋藏深淺不一，西側基巖埋藏較深，東側基巖埋藏較淺，強風化花崗巖層面標高介于-20.66m～-44.55m之間，中風化花崗巖巖面標高介于-20.66m～-46.45m之間。綜合地質構造、工程造價、工期等因素，碼頭主體結構擬采用重力式沉箱結構方案和高樁梁板式結構方案進行比選。

3.2 結構方案設計

根據總平面布置方案，碼頭前沿線布置在等深線-18m～-40m之間，與規(guī)劃前沿線一致，建設碼頭泊位長483m，碼頭作業(yè)平臺寬32m，碼頭面高程+9.0m。碼頭前沿設計底高程為-18.7m，碼頭前沿停泊水域寬度取65m，停泊水域設計底高程兩個泊位分別取-12.0m和-13.6m；回旋水域長軸取669m，短軸取446m，回旋水域設計底高程為-14.5m。

3.2.1 重力式沉箱結構（方案一）

碼頭為連片式布置，碼頭水工結構采用大型重力式沉箱結構，基礎在基床頂面以下5m范圍內采用10～100kg拋石基床，基床頂面5m深度以下范圍拋填10～500kg塊石，地基持力層為強風化巖或中風化巖?；采习卜配摻罨炷链蟪料?，沉箱長×寬×高=15.8m×14.04m×21.2m，重量約2566t。沉箱隔倉內回填10～50kg塊石，沉箱后側回填10～100kg減壓棱體，沉箱上現澆C35鋼筋砼胸墻，胸墻高6.5m?，F澆胸墻后至碼頭后沿面層為10cm厚預制C50高強砼聯(lián)鎖塊，其下鋪設5cm厚的中粗砂墊層、30cm厚水泥碎石穩(wěn)定層及25cm厚級配碎石墊層。碼頭面布置2條軌道，軌道型號為QU120，前軌設在現澆砼胸墻上，門機后軌采用軌枕道渣結構；考慮今后發(fā)展，預留一條卸船機后軌，軌距26m。

3.2.2 高樁梁板式結構（方案二）

碼頭為離岸式布置，碼頭水工結構采用高樁梁板式結構，分7個分段，共計45跨52排，每個排架由4根直徑2.5m灌注樁或嵌巖樁組成，在水深較深處則回填10～100kg塊石至標高-31.3m進行拋石護樁。碼頭上部結構由橫梁、預制軌道梁、縱梁、鋼筋砼疊合板、現澆板及磨耗層構成。其中預制軌道梁、縱梁均為預應力砼結構。碼頭平臺上布置2條軌道，軌道型號為QU120，門機軌距為10.5m，其中海側軌距碼頭前沿3.5m?？紤]到遠期發(fā)展需要，在碼頭平臺后部預留一條橋式抓斗卸船機軌道，軌距為26m。

4 水工建筑物結構驗算和比選

4.1 水工建筑物結構驗算

4.1.1 碼頭平臺設計荷載

（1）恒載：建筑物自重；

（2）均布荷載：30kN/m2；

（3）流動機械荷載

①門座起重機軌距10.5m，基距10.5m，輪距0.75m，8輪/腿，兩機間最小輪距1.5m，工作狀態(tài)時最大支腿壓力400kN/輪×8輪/腿＝3200kN/腿；非工作狀態(tài)時最大支腿壓力 450kN/輪×8 輪/腿＝3600kN/腿。

②預留橋式抓斗卸船機軌道，軌距26m、基距18m，輪距1.05m，12輪/腿，海側軌與門機共用，相鄰兩臺卸船機最小輪距3m。工作狀態(tài)（風速25m/s）輪壓為650kN/輪，非工作狀態(tài)（風速55m/s，錨定位）輪壓為750kN/輪。

圖1 碼頭結構斷面圖（方案一）

圖2 碼頭結構斷面圖（方案二）

（4）運輸車輛：20t自卸汽車、25t平板車；

（5）船舶荷載：15萬噸級散貨船舶，根據《港口工程荷載規(guī)范》進行計算；

（6）水流、波浪力：根據《港口工程荷載規(guī)范》、《海港水文規(guī)范》進行計算。

4.1.2 主要外力計算

（1）船舶系纜力：作用在船舶上的風荷載與水流力共同合成的系纜力。按照相關公式，根據風和水流最不利工況進行組合計算，得出15萬噸級散貨船最大系纜力標準值N＝1040.6kN?？紤]風、流、波浪不利組合，碼頭前沿系纜設施選用1500kN系船柱。

（2）擠靠力：按照公式，經計算，15萬噸級散貨船擠靠力為 F′j=250kN。

（3）船舶靠泊撞擊力：船舶靠岸時，對碼頭的船舶撞擊能量按相關公式，經計算，15萬噸級散貨船最大有效撞擊能量為 E0＝648.75kJ。

（4）橫浪作用下船舶撞擊力：系泊船舶在橫浪作用下有效撞擊能量按相關公式，經計算，15萬噸級散貨船在橫浪作用下產生的有效撞擊能量（分配在每組護舷上）為198kJ。因此，船舶在橫浪作用下撞擊能小于船舶靠泊時的撞擊能，不起控制作用。

根據撞擊力、擠靠力、橫浪撞擊力計算成果，碼頭選用SUC1450H鼓型橡膠護舷（兩鼓一板，高反力型），單鼓設計吸能量E＝775kJ，設計反力R＝1217kN。15萬噸級散貨船滿載時干舷高度為6.4m，設計高水位時，考慮二鼓同時吸能和受力；設計低水位時，考慮一鼓吸能和受力。

（5）地震荷載：場地處于抗震設防烈度6度區(qū)，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組屬第一組，地震動反應譜特征周期為0.45s，可不考慮地震作用力。

4.1.3 作用分類與作用效應組合

（1）結構方案一（重力式沉箱結構）

①永久作用：自重力、墻后填料產生的土壓力。

②可變作用：均布荷載、門機荷載、卸船機荷載、流動運輸機械荷載、可變作用產生的土壓力、船舶荷載、波浪力、施工荷載。

（2）結構方案二（高樁梁板式結構）

①永久作用：自重力。

②可變作用：均布荷載、門機荷載、卸船機荷載、流動運輸機械荷載、船舶荷載、波浪力、施工荷載。

荷載組合時根據作用在碼頭結構上的作用性質 （永久作用、可變作用），按可能出現的最不利荷載結合設計水位進行組合。分為持久狀況的各種組合、短暫狀況和偶然狀況進行結構計算。

4.1.4 結構主要計算內容

（1）結構方案一（重力式沉箱結構）：碼頭主體水工結構主要計算內容包括對沉箱底面前趾的抗傾穩(wěn)定性、沿沉箱底面和拋石基床底面的抗滑穩(wěn)定性、基床頂面及基底應力，詳細計算結果見表1。

表1 重力式碼頭主體水工結構主要計算表

經計算，碼頭主體水工結構滿足規(guī)范要求。

（2）結構方案二（高樁梁板式結構）：碼頭主體水工結構主要計算內容包括碼頭排架計算、縱梁、軌道梁計算。

①碼頭樁力及橫梁內力計算結果，詳見表2～4。

表2 碼頭橫梁、軌道梁計算結果（承載能力極限狀態(tài)）

表3 碼頭樁力計算結果（承載能力極限狀態(tài)）

表4 碼頭樁頂及樁底彎矩計算結果（承載能力極限狀態(tài)）

②樁基承載力計算結果，根據現有地質資料，碼頭各鉆孔樁的單樁垂直極限承載力設計值計算結果見表5。

表5 碼頭單樁垂直極限承載力設計值

經驗算，兩個結構方案均可行。

4.2 結構方案比選

在結構方案均可行的前提下，對方案比選主要是從工程地質條件、施工工期、工程造價、使用要求、后期維護等方面進行綜合考慮。

4.2.1 工程地質條件方面

根據地質報告顯示，碼頭平臺區(qū)地質復雜，地勢由南往北傾斜，坡度較陡，覆蓋層厚度分布不均勻，基巖埋藏深淺不一，西側基巖埋藏較深，東側基巖埋藏較淺，強風化花崗巖層面標高介于-20.66m～-44.55m之間，中風化花崗巖巖面標高介于-20.66m～-46.45m之間，巖面高程變化較大，工程性能較好。

由于本工程區(qū)域覆蓋層厚度總體較薄，甚至部分岸段基本無軟土層覆蓋，采用打入樁困難較大，而且覆蓋層主要為淤泥、淤泥質土，采用高樁梁板式結構，基樁需采用沖鉆孔灌注樁或嵌巖樁，且在水深較深處還需回填10～100kg塊石進行拋石護樁。鑒于本工程地基為比較堅硬的風化花崗巖，具有很高的地基承載力，適合建造重力式結構，采用重力式沉箱結構，只需對基床頂面以下進行大量拋填塊石至標高即可。

4.2.2 施工工期方面

本工程屬大型水運工程項目，且為業(yè)主碼頭。為盡早發(fā)揮效益，業(yè)主對項目施工工期有比較嚴格的要求。根據工程地質條件，該水工建筑物若采用高樁梁板式結構，則樁基只能采用鉆孔灌注樁或嵌巖樁，無法采用預制鋼管樁進行沉樁，施工工期上受制約。若采用重力式沉箱結構，施工工藝較簡單，且沉箱可在碼頭后方陸域上進行批量預制。該結構具有水下工作量少，施工速度快等優(yōu)點，進一步節(jié)省施工工期，符合項目業(yè)主要求。

4.2.3 工程造價方面

重力式沉箱結構方案的主要工程量是岸壁結構的基床拋石、沉箱內回填塊石、后方回填開山石等所需的塊石，需要回填石方數量約278萬m3。但當地石料來源豐富，塊石可在工程場區(qū)陸域形成時開采、運輸、拋填，十分便捷，也進一步節(jié)省了工程造價。

經比對，重力式沉箱結構方案對應的總平面布置方案一，其工程總投資約61526萬元；高樁梁板式結構對應的總平面布置方案二，其工程總投資約69683萬元。重力式沉箱結構方案較高樁梁板式結構方案，工程造價上省8000多萬元。

4.2.4 使用要求方面

在使用上，重力式沉箱結構較高樁梁板式結構具有堅固耐久、可承受較大的碼頭地面荷載、對碼頭地面超荷載和裝卸工藝變化適應性強，結構整體性好、抗震性能強等優(yōu)點。同時，該碼頭工程所在城澳作業(yè)區(qū)盡管水深條件優(yōu)良，但后方高山貼岸，淺灘狹窄，可形成陸域空間十分有限。經計算，采用重力式沉箱結構方案形成的陸域總面積為167951m2;采用高樁梁板式結構方案形成的陸域總面積為119768m2。在同等情況下，重力式沉箱結構方案形成的陸域面積較高樁梁板式結構方案多近5萬m2。

4.2.5 后期維護方面

在后期維護方面，重力式沉箱結構堅固耐久，使用期維護工作量少；而高樁梁板式結構耐久性較差，防腐要求高，后期維護費用較高。

綜上所述，兩個方案優(yōu)缺點比較見表6。

表6 水工結構方案比選表

本項目地質情況較為復雜，為提高碼頭整體穩(wěn)定性，加快施工進度，減少工序，增加陸域使用面積，碼頭平臺結構推薦采用水工結構方案一，即重力式沉箱結構方案。

5 結束語

重力式沉箱結構和高樁梁板式結構是近年來碼頭工程中使用最多的兩種水工建筑物結構型式。在設計水工建筑物時，在結構驗算滿足規(guī)范要求的前提下，應充分結合項目所在區(qū)域的工程地質條件，綜合考慮施工工期要求、工程造價、使用要求等方面，對水工建筑物結構型式進行優(yōu)化比選，使水工建筑物設計具有良好的經濟性和實施性。