湄洲灣港羅嶼作業(yè)區(qū)某大型深水泊位水工建筑物結(jié)構(gòu)選型研究

鄒曉川 福建省羅嶼港口開發(fā)有限公司

1.引言

本工程岸線長401m，設計代表船型為30萬噸級散貨船，碼頭水工結(jié)構(gòu)按照可靠泊40萬噸散貨船進行設計。水工建筑物安全等級按二級建筑物設計，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，碼頭結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年。本工程水工結(jié)構(gòu)設計船型為40萬噸級散貨船，是散貨碼頭設計船型中噸級最大的，因此水工建筑物選型對整個項目的研究至關(guān)重要。本次設計水工建筑物擬采用重力式方沉箱結(jié)構(gòu)，本文詳細介紹了水工建筑物結(jié)構(gòu)選型研究及比選過程。

2.工程概況

羅嶼作業(yè)區(qū)8號泊位建設規(guī)模為1個30萬噸級礦石卸船泊位（碼頭結(jié)構(gòu)按靠泊40萬噸礦石船設計建設），岸線長度401m，設計年吞吐量980萬噸，設計年通過能力995萬噸，主要運輸貨種為鐵礦石。

本泊位緊鄰羅嶼作業(yè)區(qū)已建9號、10號泊位，其中9號泊位為40萬噸散貨卸船泊位，是東南沿海最大的散貨中轉(zhuǎn)碼頭。本次擬新建8號泊位為30萬噸級散貨泊位，將與9號泊位構(gòu)成2個大型專業(yè)化鐵礦石接卸泊位，建成后羅嶼作業(yè)區(qū)將初步形成規(guī)模效應。

3.設計條件

3.1 設計荷載

（1）永久荷載：結(jié)構(gòu)自重。

（2）均布荷載：碼頭前沿至陸側(cè)130m區(qū)域均布荷載：20kΝ/m2。距碼頭前沿130m至190m區(qū)域均布荷載：100kΝ/m2。距碼頭前沿190m以后均布荷載：300kΝ/m2。

（3）卸船機：軌距30m、基距20m、輪距1.2m，12輪/腿×4腿，兩機間最小輪距3m。工作狀態(tài)最大輪壓：（1）海側(cè)900KΝ；陸側(cè)500KΝ；（2）海側(cè)800K Ν；陸側(cè)650K Ν。非工作狀態(tài)最大輪壓（處于錨定位時）：海側(cè)900KΝ；陸側(cè)900KΝ。水平力取值腿壓的10%測算。

（4）流動機械：40t平板車（滿載）。120t汽車吊（校核荷載，安裝維修時使用），最大使用支腿壓力420kΝ。

（5）船舶荷載：40萬噸級散貨船舶。

（6）水流、波浪力等：根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行計算。

3.2 工程地質(zhì)

本工程勘探深度范圍內(nèi)揭露的地層主要為第四紀松散堆積層和花崗巖及其風化層。成因類型主要以海積、坡積、殘積為主。根據(jù)勘探揭露地層的地質(zhì)時代、成因類型、埋藏深度、物理力學性質(zhì)指標及其工程地質(zhì)特征，自上而下分為六個大層及分屬不同大層的亞層：I1-1深灰色淤泥；I1-2深灰色淤泥混砂；I2灰色淤泥質(zhì)黏土；I3灰色中粗砂混淤泥；II2-1灰黃色中粗砂混黏性土；II2-2灰黃色中粗砂；V1花崗巖散體狀強風化層；V2花崗巖碎裂狀強風化層；Vt孤石；VI花崗巖中等風化層。

4.結(jié)構(gòu)方案

4.1 結(jié)構(gòu)選型原則

（1）滿足國家及交通運輸部現(xiàn)行相關(guān)的法規(guī)、規(guī)范。

（2）水工結(jié)構(gòu)設計需滿足本工程總平面布置及工藝使用要求。

（3）水工結(jié)構(gòu)設計時充分考慮本工程自然條件及使用要求的特點。

（4）在滿足使用功能、設計規(guī)范的前提下，最大限度節(jié)省工程投資，降低工程造價。結(jié)合當?shù)厥┕l件，充分考慮工程施工的可行性及便利性。

4.2 結(jié)構(gòu)選型

8號泊碼北側(cè)相鄰的已建9號泊位碼頭結(jié)構(gòu)采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，基床坐落在強風化～中等風化巖面上。9號泊位碼頭基礎采用夯實拋石基床，下部采用預制鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，上部為現(xiàn)澆砼胸墻結(jié)構(gòu)，墻后設拋石棱體。沉箱間采用平接型式。

根據(jù)本工程8號泊位碼頭的總平面布置、地質(zhì)條件，碼頭所在區(qū)域場地覆蓋土層較薄，基巖面埋深較淺，碼頭水工結(jié)構(gòu)適宜采用重力式結(jié)構(gòu)。根據(jù)承載力要求，碼頭采用強風化巖層～中風化巖作為持力層。

碼頭水工建筑物為重力式沉箱結(jié)構(gòu)。重力式沉箱結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)上可分為卸荷板式沉箱和大沉箱結(jié)構(gòu)方案，對于卸荷板式沉箱方案，本地區(qū)大型碼頭應用較少，同時，對大型碼頭卸荷板效果不明顯，同時增加了施工工序，鑒于目前周邊預制廠均有制作安裝大型沉箱的能力，且大沉箱方案具備抗傾抗滑安全度大的特點，本次設計只考慮墻后設置拋石棱體的重力式沉箱結(jié)構(gòu)和墻后回填砂的重力式沉箱結(jié)構(gòu)兩個方案，并進行方案比選。

4.3 碼頭水工結(jié)構(gòu)方案

（1）碼頭結(jié)構(gòu)方案一（圖1）。

8號泊位岸線長401m，其中南段94m長度范圍采用沉箱墩式結(jié)構(gòu)，剩余碼頭結(jié)構(gòu)擬采用連片重力式沉箱結(jié)構(gòu)，基床坐落在強風化～中等風化巖面上。

碼頭基礎采用夯實拋石基床，下部采用預制鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，上部為現(xiàn)澆砼胸墻結(jié)構(gòu)，墻后設拋石棱體。沉箱間采用平接型式。

拋石基床厚度為3.5～8m，采用10～100kg塊石。

沉箱外形尺寸為18.20×19×25.9m（長×寬×高），縱向有4個箱格，橫向有4個箱格，共16個箱格。

沉箱內(nèi)的回填料為塊石。

碼頭后軌采用樁基結(jié)構(gòu)，樁基選用直徑1200mm沖孔灌注樁。

南段94m長度范圍內(nèi)布置4個沉箱墩，沉箱外形尺寸同前，上部為現(xiàn)澆胸墻及立墻，胸墻和立墻中間回填塊石，并在塊石上方現(xiàn)澆面層。沉箱墩之間擱置預制梁系結(jié)構(gòu)相連。

該方案技術(shù)要點如下：

1）根據(jù)后方陸域開山有較多塊石的特點，墻后回填料選擇塊石，可減少土壓力，進而減少沉箱寬度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)斷面，就地取材，降低工程造價。

2）由于目前福建地區(qū)重視海洋生態(tài)保護，中粗砂來源困難，箱內(nèi)回填中粗砂或塊石對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響不大，從環(huán)保角度和沉箱含鋼率出發(fā)，箱內(nèi)回填選擇塊石，有利于降低沉箱含鋼率，簡化材料采購手續(xù)，加快工程進度。

3）單件沉箱的預制重量為4758噸，福建地區(qū)現(xiàn)有的半潛駁出運能力最大的為8000噸，因此沉箱的預制、出運、安裝是有保障的。

（2）碼頭結(jié)構(gòu)方案二（圖2）。

8號泊位岸線長401m，其中南段94m長度范圍采用沉箱墩式結(jié)構(gòu)，剩余碼頭結(jié)構(gòu)擬采用連片重力式沉箱結(jié)構(gòu)，基床坐落在強風化～中等風化巖面上。

碼頭基礎采用夯實拋石基床，下部采用預制鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，上部為現(xiàn)澆砼胸墻結(jié)構(gòu)，墻后回填砂。沉箱間采用對接型式，空腔內(nèi)設置混合石料倒濾層。

拋石基床厚度為3.5～8m，采用10～100kg塊石。

沉箱外形尺寸為14.22×25.20×25.9m（長×寬×高），縱向有3個箱格，橫向有5個箱格，共15個箱格。

沉箱內(nèi)的回填料為塊石。

碼頭后軌采用樁基結(jié)構(gòu)，樁基選用直徑1200mm沖孔灌注樁。

南段94m長度范圍內(nèi)布置4個沉箱墩，沉箱外形尺寸同前，上部為現(xiàn)澆胸墻及立墻，胸墻和立墻中間回填塊石，并在塊石上方現(xiàn)澆面層。沉箱墩之間擱置預制梁系結(jié)構(gòu)相連。

5.結(jié)構(gòu)計算

按照《碼頭結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(JTS167-2018)規(guī)定：對抗滑、抗傾、基床應力、基床底應力及整體穩(wěn)定進行了計算，兩個方案詳細計算結(jié)果詳見表1、表2。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)計算成果表（方案一，持久組合）

表2 碼頭結(jié)構(gòu)計算成果表（方案二，持久組合）

整體穩(wěn)定計算按平面問題考慮，滑動面按圓弧面。經(jīng)計算，極端低水位時抗力分項系數(shù)方案一為2.170，方案二為2.247。

通過對各種水位、工況的計算，兩個方案碼頭抗傾、抗滑、基床頂應力、基床底應力和整體穩(wěn)定均滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

6.結(jié)語

8號泊位碼頭（水工結(jié)構(gòu)）優(yōu)缺點比較見表3。

表3 結(jié)構(gòu)方案比選

綜上所述，結(jié)構(gòu)方案一沉箱混凝土用量較少，就地取材，造價稍低，結(jié)構(gòu)安全可靠，施工工藝成熟。本階段8號泊位碼頭推薦采用結(jié)構(gòu)方案一（碼頭沉箱后設置拋石棱體的結(jié)構(gòu)方案）。