湄洲灣港涵江作業(yè)區(qū)某泊位水工建筑物結(jié)構(gòu)方案探討

■鄒曉川

（福建省羅嶼港口開發(fā)有限公司，莆田 351100）

湄洲灣港涵江作業(yè)區(qū)某泊位水工建筑物為建設(shè)1 號(hào)、2 號(hào)泊位兩個(gè)3 萬(wàn)噸級(jí)通用泊位（碼頭水工結(jié)構(gòu)按5 萬(wàn)噸級(jí)散貨船設(shè)計(jì)預(yù)留）和3 號(hào)泊位1 個(gè)7 萬(wàn)噸級(jí)散貨泊位及相應(yīng)的配套設(shè)施， 同時(shí)1～3 號(hào)泊位兼顧1 艘5 萬(wàn)噸級(jí)和1 艘7 萬(wàn)噸級(jí)散貨船靠泊要求。 水工建筑物安全等級(jí)均為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.0，碼頭設(shè)計(jì)使用年限為50 年。 水工建筑物采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，本研究詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)需要考慮的要素、方案比選及設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 工程概況

1～3 號(hào)泊位兼顧1 艘5 萬(wàn)噸級(jí)和7 萬(wàn)噸級(jí)散貨船同時(shí)靠泊，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力694 萬(wàn)t，年設(shè)計(jì)吞吐量為545 萬(wàn)t，主要承擔(dān)涵江區(qū)鋼材、建材、啤酒、豆粕、集裝箱、大麥等貨物運(yùn)輸。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)荷載

（1）恒載：建筑物自重。（2）均布荷載：30 kN/m2。（3）軌道荷載：40 t 門機(jī)為軌距16.0 m，基距12 m，總輪數(shù)32 個(gè)，每支腿8 個(gè)輪，輪距0.85 m，海側(cè)軌中心線距碼頭前沿3.5 m， 兩機(jī)之間的最小輪距為1.5 m。自重700 t。工作狀態(tài)（雙機(jī)緊鄰作業(yè)）：海側(cè)兩個(gè)支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿， 陸側(cè)兩個(gè)支腿輪壓分別為1 000 kN/腿；工作狀態(tài)（單機(jī)作業(yè)）：海側(cè)兩個(gè)支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陸側(cè)兩個(gè)支腿輪壓分別為3 500 kN/腿和1000 kN/腿；非工作狀態(tài)海側(cè)兩個(gè)支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陸側(cè)兩個(gè)支腿輪壓分別為3 500 kN/腿和1 000 kN/腿。（4）運(yùn)輸車輛：20 t 自卸汽車、40 t/20 t平板車、40 英尺集裝箱拖掛車。 （5）船舶荷載：2 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船、3 萬(wàn)噸級(jí)雜貨船、7 萬(wàn)噸級(jí)散貨船舶，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。 （6）水流、波浪力：根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》、《海港水文規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

2.2 工程地質(zhì)

2.2.1 工程地質(zhì)條件

從勘察、踏勘分析及區(qū)域資料可知，場(chǎng)地下無(wú)活動(dòng)性斷裂通過(guò)，不存在滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，不存在暗埋的地下管道、暗塘、墓穴等對(duì)工程不利的地質(zhì)現(xiàn)象，但場(chǎng)地存在較厚的軟土淤泥。 地面標(biāo)高自北往南平緩降低，層頂高程：2.64～-0.8 m。軟土淤泥厚度9.30～12.00 m。 淤泥下地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：粉質(zhì)粘土、中砂、卵石、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎屑狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖。

2.2.2 水工建筑物基礎(chǔ)持力層

本工程碼頭為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，基床地基持力層擬采用強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為持力層。

3 結(jié)構(gòu)方案

3.1 結(jié)構(gòu)選型原則

（1）充分考慮工程區(qū)域及周邊地區(qū)的建設(shè)條件及自然條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足碼頭的使用功能和建設(shè)工期要求，并盡可能減少對(duì)環(huán)境的不利影響。

（2）結(jié)合類似碼頭設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)本工程水工建筑物的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，通過(guò)方案比選并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，推薦技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、使用方便和耐久性高的結(jié)構(gòu)方案。

（3）分析重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，如回填材料、倒濾措施、沉降控制、挖泥、后軌基礎(chǔ)等，提出經(jīng)濟(jì)可靠的解決方案。

（4）分析各種設(shè)計(jì)條件，選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性比較，確定各構(gòu)件的型式、尺寸。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)現(xiàn)有的鉆孔資料顯示，擬建工程處的覆蓋土層主要以淤泥和卵石為主，前沿線位置淤泥厚度約10 m，其下主要為卵石層和風(fēng)化巖層，風(fēng)化巖層埋深相對(duì)較深。 由于本工程1 號(hào)、2 號(hào)碼頭為2 個(gè)3萬(wàn)噸級(jí)（結(jié)構(gòu)按5 萬(wàn)噸級(jí)設(shè)計(jì)）和3 號(hào)碼頭為7 萬(wàn)噸級(jí)泊位，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程正好處于卵石層或風(fēng)化巖層位置，通過(guò)開挖覆蓋層可達(dá)到作為重力式碼頭基礎(chǔ)的持力層， 是理想的重力式碼頭建設(shè)條件。 因此水工建筑物采用重力式碼頭結(jié)構(gòu)是合適的，而且本工程碼頭位置的挖泥等疏浚量可用于后方臨港產(chǎn)業(yè)園陸域形成回填工程。

另一種常見的碼頭結(jié)構(gòu)型式——高樁梁板式結(jié)構(gòu)在本工程中應(yīng)用有明顯的劣勢(shì)，通過(guò)開挖停泊水域后，碼頭前沿線位置巖層覆蓋層較薄，需大量采用嵌巖樁技術(shù)，施工難度大、費(fèi)用高、結(jié)構(gòu)耐久性差、碼頭接岸結(jié)構(gòu)代價(jià)大；因此，本工程擬不采用高樁結(jié)構(gòu)。

目前國(guó)內(nèi)常見的重力式碼頭結(jié)構(gòu)型式有沉箱、方塊及扶壁結(jié)構(gòu)。 方塊碼頭從技術(shù)上而言，可以成立，但由于預(yù)制件數(shù)量較大，不能滿足快速形成碼頭岸壁的需要。 扶壁結(jié)構(gòu)需要解決施工階段穩(wěn)定問題，受風(fēng)浪條件、起重能力制約明顯，不適合在本工程采用。 沉箱結(jié)構(gòu)能避免上述問題，不僅施工的穩(wěn)定性及速度有保證，而且鄰近地區(qū)預(yù)制廠的出運(yùn)條件及生產(chǎn)能力對(duì)工期均有保證。類似工程和鄰近工程多采用沉箱結(jié)構(gòu)也充分說(shuō)明這一點(diǎn)。

因此， 本工程碼頭結(jié)構(gòu)選用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，并根據(jù)墻后填料的不同，進(jìn)行回填海砂和拋石棱體的重力式沉箱方案的比選。

3.3 碼頭水工結(jié)構(gòu)方案

碼頭平臺(tái)采用不帶卸荷板的大型沉箱結(jié)構(gòu)，根據(jù)墻后填料的不同，設(shè)計(jì)兩個(gè)方案[1]。3.3.1 碼頭結(jié)構(gòu)方案一（對(duì)應(yīng)總平面布置方案一）

本方案碼頭平臺(tái)采用墻后填砂的重力式沉箱方案，1 號(hào)、2 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1，3 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖1 1 號(hào)、2 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案一）

圖2 3 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案一）

碼頭為連片式布置，1～3 號(hào)泊位總長(zhǎng)690 m，1 號(hào)泊位端部預(yù)留延伸段長(zhǎng)52.89 m，3 號(hào)泊位端部預(yù)留延伸段長(zhǎng)50.38 m； 碼頭頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高為+10.0 m，1 ～3 號(hào)泊位碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程為-15.61 m，而1 號(hào)和2 號(hào)泊位碼頭前沿停泊水域設(shè)計(jì)底高程為-14.21 m，3 號(hào)泊位碼頭前沿停泊水域設(shè)計(jì)底高程為-15.61 m。 根據(jù)巖層標(biāo)高分布情況，選用強(qiáng)風(fēng)化作為碼頭的持力層。 沉箱安放在拋石基床上，拋石基床塊石重量10～100 kg，厚度大部分為3～5 m，局部達(dá)到10.8 m。

沉箱尺寸為長(zhǎng)17.55 m、 底寬21.0 m、高18.61 m，單個(gè)沉箱重約3 022 t，供布置沉箱45 個(gè)。沉箱頂標(biāo)高均為3.0 m，頂面以上為現(xiàn)澆砼胸墻，胸墻高7 m。 沉箱前倉(cāng)格-2.0 m 以上采用回填10～50 kg 塊石，其余倉(cāng)格均回填中粗砂。 沉箱后側(cè)拋石基床頂面鋪設(shè)混合倒濾層和土工布，其上回填中粗砂（內(nèi)摩擦角≥28°）。 沉箱采用對(duì)接方式，在箱間設(shè)置倒濾井，倒濾井采用砼插板和二片石、混合倒濾碎石的結(jié)構(gòu)型式。 碼頭前沿兩軌道之間13.65 m 范圍內(nèi)面層為現(xiàn)澆砼面層，面層厚度250 mm，其下鋪設(shè)5%水泥碎石穩(wěn)定層300 mm、 級(jí)配碎石墊層250 mm；后軌后側(cè)10.5 m 范圍面層為50 MPa 高強(qiáng)聯(lián)鎖塊， 面層厚度100 mm， 其下鋪設(shè)砂墊層50 mm、5%水泥碎石穩(wěn)定層300 mm 及級(jí)配碎石墊層250 mm。

門機(jī)前軌座落在砼胸墻上；門機(jī)后軌采用軌枕道渣結(jié)構(gòu)。

3.3.2 方案二（對(duì)應(yīng)總平面布置方案二）

本方案碼頭平臺(tái)采用墻后拋石棱體的重力式沉箱方案，1 號(hào)、2 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖3，3 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖4。

圖3 1 號(hào)、2 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案二）

圖4 3 號(hào)泊位碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案二）

方案二同方案一的主要區(qū)別在于： 方案二沉箱后側(cè)為回填10～100 kg 拋石減壓棱體， 減壓棱體分為兩級(jí)，上級(jí)減壓棱體底高程為+3.0 m。 減壓棱體坡面表層拋設(shè)0.5 m 厚的二片石墊層， 其上再設(shè)置5～100 mm 混合倒濾層，倒濾層表層鋪設(shè)一層400 g/m2土工布，最后為回填海砂。 沉箱尺寸為長(zhǎng)13.9 m、底寬17.65 m、高18.61 m，單個(gè)沉箱重約2 026 t。 方案二供布置沉箱55 個(gè)，沉箱之間采用平接型式。

4 方案比選

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

計(jì)算內(nèi)容包括： 對(duì)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(yīng)力，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1～2，碼頭整體穩(wěn)定計(jì)算詳見表3。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算成果（方案一，持久組合）

表2 碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算成果（方案二，持久組合）

表3 碼頭整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4.2 比選結(jié)果

兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案均可行，但在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工等方面存在差異，兩個(gè)方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)比較見表4。

表4 水工結(jié)構(gòu)方案比選

為了盡可能縮短工期，實(shí)現(xiàn)快速施工，又要盡量避免施工階段可能遇到的施工風(fēng)險(xiǎn)，方案一滿足了方案技術(shù)可靠、施工工藝成熟、施工速度快及施工階段穩(wěn)定性高的要求。 故推薦水工結(jié)構(gòu)方案一。

5 結(jié)語(yǔ)

泊位水工建筑物結(jié)構(gòu)選型是水運(yùn)碼頭工程設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，需要考慮工程區(qū)域及周邊地區(qū)的建設(shè)條件和自然條件，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性，通過(guò)計(jì)算和經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，確定各構(gòu)件的型式、尺寸。 本文通過(guò)對(duì)碼頭水工建筑物結(jié)構(gòu)選型的研究，希望可以給類似工程提供參考。