遠(yuǎn)洋漁業(yè)基地碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

■鄭 煒

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 福州 350004）

1 工程概況

遠(yuǎn)洋漁業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)， 是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的重要組成部分。2019 年，國(guó)家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部批準(zhǔn)設(shè)立福州（連江）國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)基地，建設(shè)全國(guó)第三個(gè)國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)基地。

本工程基地核心區(qū)位于閩江口的粗蘆島[1]，需配套建設(shè)遠(yuǎn)洋漁業(yè)母港，一期工程建設(shè)4 個(gè)遠(yuǎn)洋漁業(yè)泊位， 其中3#～5#泊位為1 萬(wàn)噸級(jí)泊位，6# 泊位為5000 噸級(jí)泊位，預(yù)測(cè)年吞吐量為60 萬(wàn)t，年設(shè)計(jì)通過(guò)能力為70 萬(wàn)t。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 地理地形

本項(xiàng)目所位于粗蘆島處于閩江口（圖1），閩江口為強(qiáng)潮河口，工程海域潮差較大。

圖1 工程區(qū)域位置

2.2 水文條件

2.2.1 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)水位以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)，設(shè)計(jì)高水位：6.38 m； 設(shè)計(jì)低水位：0.90 m； 極端高水位：8.02 m；極端低水位：－0.14 m。

2.2.2 設(shè)計(jì)波浪

工程區(qū)域強(qiáng)浪向?yàn)镾E 向， 重現(xiàn)期為50 年時(shí)，極端高水位下，碼頭前沿H1%達(dá)4.34 m。

2.3 設(shè)計(jì)船型

本工程為遠(yuǎn)洋漁業(yè)碼頭， 主要靠泊遠(yuǎn)洋捕撈船及運(yùn)輸船， 當(dāng)前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船、 運(yùn)輸船缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，尺度大小相差較大。 本工程采用雜貨船的船型尺度進(jìn)行類比分析， 預(yù)計(jì)到港船型以1000～10000噸級(jí)為主，主要設(shè)計(jì)船型及尺度如表1 所示。

表1 主要設(shè)計(jì)船型尺度

2.4 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告揭示，擬建碼頭區(qū)域土層自上而下依次為：①淤泥、②中砂、③淤泥混砂、④砂混淤泥、⑤中砂、⑥卵石、⑦砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖。 其中②中砂、④砂混淤泥的結(jié)構(gòu)松散，工程性能差；⑤中砂、⑥卵石的土質(zhì)結(jié)構(gòu)較均勻，中密狀為主，工程地質(zhì)性能較好。 各土層的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

表2 各土層樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

2.5 設(shè)計(jì)荷載

荷載設(shè)計(jì)如下：（1）恒載：結(jié)構(gòu)自重。 （2）均布荷載：20 kN/m2。 （3）裝卸機(jī)械荷載：10 t×30 m 門機(jī)荷載。 （4）流動(dòng)機(jī)械荷載：集裝箱拖掛車（遠(yuǎn)期預(yù)留，按荷載代號(hào)Tr-40 考慮）、20 t 汽車。 （5）船舶荷載：1 萬(wàn)噸級(jí)船舶（類比雜貨船）作用力。 （6）波浪荷載：根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]計(jì)算波浪力。 （7）地震荷載：按基本烈度7 度設(shè)防，地震動(dòng)峰值加速度值為0.1 g。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）工程區(qū)域水文條件具有波浪大、潮差大的特點(diǎn)，表現(xiàn)在50 年一遇波高H1%達(dá)4.34 m，設(shè)計(jì)高、低水位差達(dá)5.48 m。 （2）工程區(qū)域地質(zhì)條件較差，硬土層埋藏深。 （3）本工程需滿足高水位差條件下各類大、中、小型遠(yuǎn)洋漁船的靠泊、系纜要求。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 樁基選型

工程區(qū)地質(zhì)情況較復(fù)雜， 軟弱土覆蓋層較厚，綜合工程區(qū)域用海要求及地質(zhì)條件，碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。 從各土層物理力學(xué)指標(biāo)分析，本工程宜采用⑤中砂、⑥卵石、⑦砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖等土層作為樁基持力層， 碼頭設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)約60～80 m。 樁型選擇是高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，對(duì)工程造價(jià)有直接影響。 目前，高樁碼頭通常采用的樁型為預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁、 鋼管樁、 灌注樁、PHC 樁及預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁等。 由于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，若采用鋼管樁或灌注樁，工程造價(jià)明顯較高。 且工程部分區(qū)域存在卵石層、密實(shí)中砂層，PHC樁與大管樁沉樁困難、存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)且縱向裂縫難以檢測(cè)。 而預(yù)應(yīng)力混凝土方樁對(duì)于中砂或卵石的持力層具有沉樁可行性，技術(shù)成熟、工程造價(jià)低。 雖然方樁因截面尺寸較小，存在承載力及抗彎能力較小的缺點(diǎn)， 但本工程最大靠泊船型為1 萬(wàn)噸級(jí)漁船，碼頭使用荷載不大，通過(guò)工程措施可以解決波浪大的問(wèn)題。 綜合碼頭規(guī)模、工程造價(jià)、地質(zhì)條件等因素，基樁采用預(yù)應(yīng)力混凝土方樁。 受施工條件限制，福建省港口工程以往使用方樁最大尺寸為600 mm×600 mm。 近年來(lái)，北方地區(qū)部分港口工程突破尺寸限制，開(kāi)始使用700 mm×700 mm 方樁，其制作、沉樁施工的可行性已得到驗(yàn)證[3]。 700 mm×700 mm 方樁在一定程度上彌補(bǔ)了方樁承載力及抗彎能力偏小的缺點(diǎn)。

4.2 結(jié)構(gòu)方案

本工程碼頭平臺(tái)長(zhǎng)640 m，寬24 m，分為10 個(gè)分段，標(biāo)準(zhǔn)段排架間距為7 m，共計(jì)86 跨96 排。 每榀排架樁基由4 根直樁和1 對(duì)叉樁、1 根斜樁（斜率為4.5∶1）組成，基樁持力層主要為中砂或卵石，結(jié)構(gòu)斷面如圖2 所示。 擬定碼頭結(jié)構(gòu)方案后，通過(guò)結(jié)構(gòu)受力分析確定碼頭面高程及樁基截面。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面

4.3 結(jié)構(gòu)受力分析

4.3.1 波浪影響分析及碼頭面高程確定

根據(jù)受力標(biāo)準(zhǔn)控制的碼頭面高程計(jì)算結(jié)果為11.07 m，碼頭設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮波浪、泊位等級(jí)等因素合理選取碼頭面高程。 波浪對(duì)碼頭的作用力主要表現(xiàn)為浮托力與水平?jīng)_擊力。 浮托力對(duì)樁基產(chǎn)生拔樁力，水平?jīng)_擊力對(duì)樁基產(chǎn)生水平位移和彎矩。 為降低大浪對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的影響，可采用合理抬高碼頭面高程減小波浪作用面的辦法來(lái)減小波浪力；同時(shí)可適當(dāng)增加樁基斜樁數(shù)量來(lái)增加結(jié)構(gòu)剛度，減小碼頭位移。

針對(duì)波浪大的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本工程經(jīng)對(duì)比分析+11.0 m 與+12.0 m 不同高程的樁力設(shè)計(jì)值來(lái)確定合適的碼頭面高程，樁力計(jì)算采用易工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。 根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，打入樁承載能力可按式（1）～（2）計(jì)算：

式中：Qd為單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值；Td為單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值；γR為單樁軸向承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)；U 為樁身截面周長(zhǎng)；ξi為折減系數(shù)；qfi為第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁身穿過(guò)第i 層土的長(zhǎng)度；qR為單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；A 為樁身截面面積；G 為樁重力；α 為樁軸線與垂線夾角。

碼頭面高程為+11.0 m 與+12.0 m 時(shí)，最大樁力設(shè)計(jì)值與承載力計(jì)算結(jié)果如表3 所示。 該樁截面尺寸為700 mm×700 mm，樁身入土深度為48.7 m，樁底高程為－53.0 m。 結(jié)果顯示：當(dāng)碼頭面高程為+11.0 m時(shí)，基樁所承受的最大拔樁力較大，抗拔承載力無(wú)法滿足要求。 若要進(jìn)一步增大抗拔承載力，基樁普遍應(yīng)至少增加3 m 以上的入土深度，部分區(qū)域還需打入巖面以下數(shù)米，造價(jià)高且施工困難。 當(dāng)碼頭面高程抬高至+12.0 m 時(shí)，大浪對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)的作用力隨之減小，樁力設(shè)計(jì)值顯著降低，單樁極限承載力滿足要求。 因此，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、工程造價(jià)及施工可行性等因素，碼頭面高程確定為+12.0 m。

表3 樁基最大樁力設(shè)計(jì)值與承載力計(jì)算結(jié)果

4.3.2 基樁受力驗(yàn)算及樁截面尺寸確定

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3.1 的規(guī)定：“計(jì)算樁使用期的內(nèi)力時(shí)，應(yīng)考慮施工期產(chǎn)生的在使用期仍然存在的內(nèi)力，如斜樁自重力產(chǎn)生的內(nèi)力等”。 本工程單個(gè)排架中斜樁較之直樁所承受的彎矩更大。其原因在于受波浪影響，碼頭面高程較高，致使基樁自由長(zhǎng)度長(zhǎng)、受彎長(zhǎng)度大，由于預(yù)應(yīng)力混凝土方樁具有自重大的特點(diǎn)，其自重產(chǎn)生的彎矩較大。 鑒于此， 為確定斜樁合適的樁截面尺寸， 本工程對(duì)600 mm×600 mm 與700 mm×700 mm 兩種規(guī)格方樁進(jìn)行受力對(duì)比分析，截面尺寸如圖3 所示，樁力計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 樁力計(jì)算結(jié)果

圖3 樁基截面尺寸

結(jié)果顯示：兩種規(guī)格的方樁均能滿足承載力極限狀態(tài)下的抗壓與抗拉要求。 根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，混凝土構(gòu)件除應(yīng)滿足承載力極限狀態(tài)下的受力要求外，還應(yīng)滿足正常使用極限狀態(tài)下的抗裂驗(yàn)算，二級(jí)構(gòu)件抗裂驗(yàn)算公式如下：

式中：σck、σcq為在標(biāo)準(zhǔn)組合、 準(zhǔn)永久組合下抗裂驗(yàn)算邊緣的混凝土法向拉應(yīng)力；σpc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后在抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土的預(yù)壓應(yīng)力；αct為混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)；σtk為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

預(yù)應(yīng)力混凝土方樁邊緣在樁身彎矩和偏心距較大時(shí)出現(xiàn)最大法向拉應(yīng)力，此時(shí)為抗裂驗(yàn)算的最不利工況，方樁抗裂驗(yàn)算結(jié)果如表5 所示。 結(jié)果顯示： 由于斜樁彎矩較大，600 mm×600 mm 斜樁在標(biāo)準(zhǔn)組合與準(zhǔn)永久組合下均無(wú)法滿足抗裂要求。700 mm×700 mm 方樁抗裂能力較600 mm×600 mm方樁有顯著提高，其抗裂驗(yàn)算結(jié)果符合要求，因此本工程直樁選用600 mm×600 mm 方樁， 斜樁選用700 mm×700 mm 方樁。

表5 最不利工況下抗裂驗(yàn)算結(jié)果

4.4 靠泊、系纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程水位大且碼頭面較高， 而遠(yuǎn)洋漁船、運(yùn)輸船尺寸大小相差大。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)妥善考慮各類船舶靠泊、系纜需要。 由于該類船舶舷側(cè)形狀區(qū)別大，采用傳統(tǒng)的DA 型護(hù)舷容易卡頓、撞壞。 本工程通過(guò)采用三鼓一板的護(hù)舷設(shè)計(jì)滿足了不同類型船舶的靠泊需要， 解決了該類型碼頭護(hù)舷容易損壞的問(wèn)題。 由于靠泊船型種類多，船舶干舷高度相差大，若僅在碼頭面設(shè)置系船柱，則在低水位時(shí)，小型漁船系纜不便。 因此設(shè)計(jì)時(shí)采用雙層系纜方式，上層系纜位于碼頭面， 下層系纜平臺(tái)頂高程為+8.1 m，通過(guò)現(xiàn)澆踏步與碼頭面銜接（圖4），以保證船舶的安全系纜。

圖4 碼頭系纜平臺(tái)立面圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土方樁具有技術(shù)成熟、造價(jià)低、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，增大預(yù)應(yīng)力方樁截面尺寸，可有效提高基樁抗彎性能。 部分風(fēng)浪大、潮差大海域建設(shè)中型碼頭基樁采用700 mm×700 mm 方樁可滿足結(jié)構(gòu)受力要求，降低工程造價(jià)。 （2）開(kāi)敞水域碼頭設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮波浪、泊位等級(jí)等諸多因素合理選取碼頭面高程，可有效改善碼頭結(jié)構(gòu)受力。 （3）針對(duì)潮差大、兼靠大小噸級(jí)船型的碼頭可通過(guò)采用三鼓一板護(hù)舷滿足船舶靠泊，采用多層系纜的方式保證船舶系纜。