外海開敞墩式碼頭的上水情況研究

李 斌，馬 旭

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

近年來，隨著水運(yùn)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，沿海各港口的天然岸線資源已基本被開發(fā)利用，越來越多的新建碼頭或泊位不得不選址在外海開敞海域。外海開敞式碼頭大多面臨水深、浪大等不利條件，在這種自然條件下，碼頭頂面的上水情況會(huì)較為嚴(yán)重，因而很多工程碼頭前沿頂高程的確定是由碼頭上水控制的。碼頭前沿頂高程與船舶系纜、裝卸作業(yè)、結(jié)構(gòu)安全、周邊銜接等息息相關(guān)，對(duì)工程投資造價(jià)有直接影響，因此從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，在保持碼頭前沿頂高程不變的情況下，通過研究結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來達(dá)到降低碼頭面上水高度的目的，是十分必要且意義重大的。

本文以某港30萬t級(jí)原油泊位為例，分析外海開敞墩式碼頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)方案對(duì)碼頭上水的影響效果，為今后類似工程提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 工程概述

某港30萬t級(jí)原油泊位長(zhǎng)度為401 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程為-26.0 m，頂高程11.0 m。工程區(qū)域地質(zhì)較好且分布規(guī)律，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖，可作為良好的持力層。該原油泊位采用蝶形布置的重力式沉箱墩式結(jié)構(gòu)，中間布置工作平臺(tái)1座，平臺(tái)兩側(cè)各布置靠船墩1座和系纜墩3座，后方通過1座4跨引橋與陸域銜接，引橋下方布置消控平臺(tái)墩1座和引橋墩2座，泊位效果見圖1。

圖1 某港30萬t級(jí)原油泊位效果

1.2 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位：2.46 m

設(shè)計(jì)低水位：0.25 m

極端高水位：3.56 m

極端低水位：-0.95 m

1.3 設(shè)計(jì)波浪要素

表1 設(shè)計(jì)波浪要素

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于原油泊位工作平臺(tái)的碼頭面上需布置大量油工藝、消防的設(shè)備、管線和控制閥門等，對(duì)碼頭頂面的上水情況較為敏感，因此主要針對(duì)工作平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究。根據(jù)平面布置和工藝需求，工作平臺(tái)平面尺度為43.4 m×30 m，基礎(chǔ)由2座方沉箱構(gòu)成，沉箱頂高程為2.0 m，高度為29 m，單個(gè)沉箱長(zhǎng)31.45 m×寬22.15 m。沉箱頂安放預(yù)制蓋板后現(xiàn)澆疊合板，其上為現(xiàn)澆胸墻結(jié)構(gòu)。

對(duì)于墩式碼頭而言，在不改變碼頭前沿頂高程和碼頭平面尺度的情況下，為改善碼頭上水情況，需采用具有透浪或消浪效果的結(jié)構(gòu)，使部分入射波浪透過碼頭結(jié)構(gòu)或消能，進(jìn)而降低其波峰面高度，減少碼頭面上水高度。具體優(yōu)化思路可分為兩種：對(duì)上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)沉箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

已有部分工程進(jìn)行了胸墻開孔或透空式上部結(jié)構(gòu)的研究和實(shí)踐，其中透浪效果最好的設(shè)計(jì)方案為在沉箱蓋板上現(xiàn)澆一定數(shù)量的墩柱結(jié)構(gòu)，其上現(xiàn)澆鋼筋混凝土頂板形成碼頭面。這種上部結(jié)構(gòu)能在較大程度上使入射波浪透過墩式碼頭，有效降低波浪反射和波峰面高度，然而，對(duì)于外海開敞式碼頭，由于缺少有效的掩護(hù)，施工過程中需面對(duì)外海較大的波浪條件，采用大量透空式的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)會(huì)極大地增加施工難度，對(duì)工程進(jìn)度和施工費(fèi)用均有較大影響。曾有外海開敞墩式碼頭在上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工過程中遭遇極端天氣導(dǎo)致大量鋼模板和未到齡期的混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，遭受經(jīng)濟(jì)損失的案例。因此，如能采用自重較輕、可以預(yù)制安裝的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)透浪或消浪效果最為理想。

雙柱消浪塊體[1]（如圖 2）具有形狀特殊、外觀優(yōu)美、消浪性能極佳的特點(diǎn)，透空率約為50 %，對(duì)長(zhǎng)周期波的反射率與其它類型塊體相比較低。主要由開孔的水平板和前端為橢圓形壁面的豎板組成，上下交錯(cuò)安放，不但能形成波流的橢圓形消能通道，而且形成弧面與孔道上下左右交替的優(yōu)美外觀（如圖3）。其消浪原理[2]為將波浪水體的上下運(yùn)動(dòng)改變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng)，波浪導(dǎo)入橢圓形消浪室內(nèi)，產(chǎn)生摩擦、沖擊，達(dá)到消浪和減少墻前反射波的目的。雙柱消浪塊體已在廈門環(huán)島路、煙臺(tái)濱海路、威海金線頂?shù)染坝^護(hù)岸工程中得到應(yīng)用，作為直立式護(hù)岸岸壁的一部分，其消能和降低波浪反射的效果已經(jīng)過了模型試驗(yàn)和實(shí)際工程的檢驗(yàn)。

圖2 雙柱消浪塊體三維結(jié)構(gòu)

圖3 雙柱消浪塊體吊裝完成后

基于以上特點(diǎn)，擬將雙柱消浪塊體創(chuàng)新性地應(yīng)用到墩式碼頭的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。將兩層預(yù)制的雙柱塊體疊砌安放于沉箱蓋板四周，并在平臺(tái)四角現(xiàn)澆胸墻，進(jìn)而對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工形成掩護(hù)，使其形成干施工條件，能很好地適應(yīng)外海及冬季施工。在形成墩式碼頭上部結(jié)構(gòu)的同時(shí)兼?zhèn)湎芎兔烙^的效果，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)立面如圖4所示。

圖4 工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)立面（上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)）

2）沉箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

開孔沉箱作為一種較成熟的重力式結(jié)構(gòu)型式，已有許多實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，也有應(yīng)用在外海開敞海域的工程案例。研究表明[3,4]，相比于實(shí)體沉箱，開孔沉箱能起到一定的透浪效果，有利于減小波浪反射作用。因此，對(duì)沉箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)采取外壁和隔墻均開孔的沉箱結(jié)構(gòu)，保持沉箱主體尺度不變，在沉箱外壁設(shè)矩形孔3排，單個(gè)孔寬2.5 m×高1.2 m，在沉箱隔墻設(shè)矩形孔1排，單個(gè)孔寬2.2 m×高3.5 m，開孔沉箱模型見圖5。

圖5 開孔沉箱模型

3 物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能否達(dá)到預(yù)想的降低碼頭面上水高度的效果，需進(jìn)行波浪局部整體物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)水池尺度為12 m×50 m，深度為 1.5 m，造波機(jī)為電機(jī)伺服推板式，可生成規(guī)則波和不規(guī)則波。

根據(jù)結(jié)構(gòu)方案，本次物理模型試驗(yàn)主要驗(yàn)證 2組對(duì)比因素對(duì)波峰面高度和碼頭面上水的影響，在NE向波浪作用下，進(jìn)行2種胸墻結(jié)構(gòu)（雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)和實(shí)體胸墻結(jié)構(gòu)）和2種沉箱結(jié)構(gòu)（實(shí)體沉箱和開孔沉箱）相互組合的模型試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如下：

方案1為實(shí)體沉箱、雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)；

方案2為實(shí)體沉箱、實(shí)體胸墻結(jié)構(gòu)（試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D6）；

方案3為開孔沉箱、雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)（試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D7）；

方案4為開孔沉箱、實(shí)體胸墻結(jié)構(gòu)。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿[放（方案2）

圖7 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿[放（方案3）

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在工作平臺(tái)和靠船墩前布置波高傳感器，測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示，測(cè)定NE向不規(guī)則波H13%作用下各方案的波峰面高程，試驗(yàn)結(jié)果匯總見表2。

圖8 波峰面測(cè)點(diǎn)布置

表2 波峰面高程試驗(yàn)結(jié)果（單位：m）

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)波高傳感器布置情況，S1～S3測(cè)點(diǎn)位于左側(cè)靠船墩前沿，S4～S6測(cè)點(diǎn)位于工作平臺(tái)前沿，S7～S9測(cè)點(diǎn)位于右側(cè)靠船墩前沿。由試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)低水位和極端低水位時(shí)，測(cè)得的波峰面高程均低于碼頭結(jié)構(gòu)頂高程11.0 m，即低水位情況碼頭頂面沒有上水，因此針對(duì)高水位情況（極端高水位和設(shè)計(jì)高水位）分析碼頭面上水情況，每個(gè)墩臺(tái)上的最大上水高度為試驗(yàn)測(cè)得的最大波峰面高程與墩臺(tái)結(jié)構(gòu)頂高程的差值。

將方案1和方案2的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如圖9）可以發(fā)現(xiàn)，在沉箱均為實(shí)體沉箱時(shí)，采用雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)實(shí)體胸墻結(jié)構(gòu)，能明顯改善碼頭面上水情況，在高水位情況，每個(gè)墩臺(tái)的最大上水高度降低了0.6～0.7 m。將方案3和方案4的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在沉箱均為開孔沉箱時(shí)，也能得到類似的結(jié)論。由此可見，對(duì)胸墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用具有一定透空效果的雙柱消浪塊體上部結(jié)構(gòu)對(duì)降低波峰面高程，改善上水情況具有較為顯著的效果。

圖9 方案1和方案2上水結(jié)果對(duì)比

將方案1和方案3的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如圖10）可以發(fā)現(xiàn)，在上部結(jié)構(gòu)均為雙柱消浪塊體時(shí)，采用開孔沉箱相比實(shí)體沉箱，能略微改善碼頭面上水情況，但效果非常微弱，在高水位情況，每個(gè)墩臺(tái)的最大上水高度降低的幅度均小于 0.1 m。這主要是由于本工程前沿水深較深，受單個(gè)沉箱預(yù)制總重量和現(xiàn)場(chǎng)施工水位等因素制約，工作平臺(tái)沉箱頂高程定為 2.0 m，因此沉箱開孔的位置處于水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)開孔，雖能起到一定的透浪效果，但對(duì)于高水位而言，開孔位置明顯低于入射波浪的平衡位置，對(duì)波能的消散作用十分有限，對(duì)碼頭面上水情況的影響較小。

圖10 方案1和方案3上水結(jié)果對(duì)比

綜上，經(jīng)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，采用透空結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)降低高水位情況下波峰面高程，減少碼頭面上水的目的。采用雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)，即對(duì)胸墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行透空設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)改善碼頭面上水情況影響較大，而采用開孔沉箱，即對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行透空設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)改善碼頭面上水情況影響較小，這主要是因?yàn)橥缚战Y(jié)構(gòu)所處位置的不同導(dǎo)致的。由于碼頭面上水主要發(fā)生在高水位情況，高水位以上的結(jié)構(gòu)高度為波能集中的主要位置，在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行透空設(shè)計(jì)，使波浪透過結(jié)構(gòu)消能、破碎，方能有效降低碼頭面上水高度；在高水位以下的位置進(jìn)行透空設(shè)計(jì)，即使透空效果更好、透空率更高，對(duì)碼頭面上水高度的影響也微乎其微，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)想的設(shè)計(jì)意圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，研究如何通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)降低碼頭面上水高度的目的，以某港30萬t級(jí)原油泊位為例，分析外海開敞墩式碼頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并開展不同對(duì)比因素的波浪局部整體物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)方案對(duì)碼頭面上水的影響效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用透空結(jié)構(gòu)（如雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)、開孔沉箱）來替代傳統(tǒng)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，能降低高水位情況下碼頭面上水高度，而透空結(jié)構(gòu)所處的位置決定了其對(duì)上水高度影響的大小，透空結(jié)構(gòu)位于波能集中區(qū)域時(shí)對(duì)上水高度的影響最為顯著。后續(xù)進(jìn)行類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可加以借鑒。

雙柱消浪塊體以其優(yōu)美的外觀和良好的消浪效果已在多個(gè)景觀護(hù)岸工程中得到應(yīng)用，本文創(chuàng)新性地將雙柱消浪塊體應(yīng)用到墩式碼頭上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，與傳統(tǒng)實(shí)體胸墻結(jié)構(gòu)相比，雙柱塊體上部結(jié)構(gòu)在高水位情況下能有效降低碼頭前沿波峰面高度，對(duì)上水控制也較為明顯；同時(shí)由于雙柱塊體結(jié)構(gòu)自重輕，施工方便，其預(yù)制安裝施工后，可對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工形成掩護(hù)，使其形成干施工條件，適應(yīng)外海及冬季施工。為改善外海開敞墩式碼頭的上水情況提供了新的解決辦法，對(duì)雙柱消浪塊體的應(yīng)用進(jìn)行了拓展和豐富，為今后類似工程建設(shè)積累了理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。