王捷
(上海市土地儲備中心,上海 200336)
近年來,我國經(jīng)濟進入了高速發(fā)展的良好局面,人民生活水平得到普遍提高,海洋海島旅游產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,客運碼頭成為海島對外交通的主要樞紐。隨著游客數(shù)量逐年增長,旅客出行的不均衡性,尤其是旅游旺季和春運期間表現(xiàn)尤為明顯,導致很多地區(qū)的客運碼頭不能滿足高峰期的出行需求。
目前,宜居島嶼建港條件較好的港址已基本被前人開發(fā),受制于歷史條件,碼頭吞吐量已遠不能滿足現(xiàn)今的出行需求,而剩余可供利用的自然岸線建港條件往往較差,考慮到客運碼頭后方配套設(shè)施的特殊性,新開辟客運碼頭港址代價高昂,為充分發(fā)揮規(guī)模效益,在原成熟客運碼頭外側(cè)開闊水域新建客運碼頭也成為一種較合理的選擇,而這意味著需要面臨復(fù)雜的水文條件,如水深大、波高流急、流態(tài)復(fù)雜等。
客運碼頭對泊位掩護要求較高,因此,在復(fù)雜水文條件下,如何消浪、改善泊穩(wěn)條件至關(guān)重要。本文總結(jié)分析了有擋浪設(shè)施的透空高樁碼頭不同消浪型式及其效果,并以某客運碼頭三期工程為例,采用密排樁作為擋浪設(shè)施,并以此為基礎(chǔ),分析不同密排樁布置方式下碼頭水工結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計,對今后復(fù)雜水文條件下透空式防波堤兼碼頭的建設(shè)有一定借鑒意義。
本文所引工程為某客運碼頭三期工程,位于一期、二期工程外側(cè)。三期工程碼頭長210m,寬20m~46.5m,兩側(cè)靠船,外檔為3000GT 客貨滾裝泊位,內(nèi)檔為1000GT 客輪泊位。碼頭通過一座引橋與后方陸域連接。碼頭前沿天然泥面-20.0m。本工程設(shè)計條件如下。
工程海區(qū)風向季節(jié)變化明顯,在7~10 月受波浪及大風影響,作業(yè)天數(shù)相對較少,而該段時間正好為旅游旺季,因此采用消浪措施以滿足高峰期客輪的泊穩(wěn)要求十分必要。
工程海域附近以風浪為主,大風大浪相伴而生。碼頭前沿設(shè)計波浪50 年一遇H1%為5.63m,波長203.1m,波周期12.8s。
碼頭前沿設(shè)計流速1m/s,漲潮流向59°~85°,落潮流248°~271°。
本工程場地上部為厚軟土層,其中淤泥質(zhì)土層厚度約20m,粉質(zhì)黏土層厚度約35m,中間夾雜的粉細砂層厚度約10m。雜色粉質(zhì)黏土層分布較穩(wěn)定,工程地質(zhì)性質(zhì)良好,可作為擬建碼頭的樁基持力層。場地下部強風化層及中等風化層工程地質(zhì)性質(zhì)好,上部土層不滿足的條件下可考慮作為擬建碼頭的樁基持力層。
設(shè)計荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、均布荷載、流動機械荷載、船舶荷載、波浪荷載等。根據(jù)計算結(jié)果可知,波浪荷載為結(jié)構(gòu)的控制荷載,而由于客運碼頭對泊穩(wěn)條件有較高要求,因此如何采取措施達到較好的消浪效果并使得結(jié)構(gòu)合理可行是本工程的重點難點。
本工程港址水深大,天然泥面達到-20m;水域開闊,北側(cè)建有防波堤,南側(cè)及西側(cè)屬于完全開敞式水域,2 年一遇H4%達到2.49m,泊穩(wěn)條件相對于客船非常差,同時50 年一遇波浪屬于長周期波,對建筑物受力極為不利;流速不大,但流態(tài)復(fù)雜,漲潮流流向夾角達到26o,落潮流流向夾角達到23o,最大橫流達到0.25m/s,對客船靠泊不利。在如此復(fù)雜的水文條件下,結(jié)合本工程地質(zhì)條件,綜合考慮造價、水域資源、環(huán)保要求等各個因素,采用傳統(tǒng)的實體式防波堤加碼頭的建設(shè)方案顯然是不合理的,而采用兼具擋浪和碼頭使用功能的透空式結(jié)構(gòu)則既能改善港區(qū)內(nèi)客船的泊穩(wěn)條件,又能滿足客船的靠泊要求,工程投資大幅降低,這即是本工程建設(shè)方案重點攻關(guān)方向。
2.1.1 一期工程—高樁碼頭+擋浪板
已建一期碼頭采用兩側(cè)設(shè)置擋浪板的型式,擋浪板與上部結(jié)構(gòu)相連并深入水中。該設(shè)施主要依據(jù)波能集中分布在水體表層的特性[1],通過在適當?shù)奈恢迷O(shè)置擋浪設(shè)施達到消浪的效果。
根據(jù)《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》(JTS154-2018,以下簡稱“規(guī)范”)[2]6.3.3 條,擋浪板入水深度與水深之比宜取0.3~0.5。一期碼頭前沿設(shè)計泥面為-5.0m,設(shè)計高水位時擋浪板入水深度與水深之比為0.32,極端高水位時擋浪板入水深度與水深之比為0.39,根據(jù)規(guī)范式(6.3.2-1)和(6.3.2-2),設(shè)計高水位和極端高水位時透浪系數(shù)Kt(透射波高與入射波高的比值)分別為0.66和0.59。當水位位于設(shè)計低水位及以下時,擋浪板入水深度為0,透浪系數(shù)Kt 為0.95。由此可見,擋浪板在高水位時具有一定消浪效果,但隨著水位降低,消浪效果逐漸變差,在低水位情況下,尤其水位低于擋浪板底高程時,波浪透射情況明顯,船舶泊穩(wěn)條件不佳。與一期碼頭的實際使用情況相符。
2.1.2 二期工程—高樁擋浪碼頭+密排樁
已建二期工程在一期碼頭的設(shè)計經(jīng)驗及使用情況的基礎(chǔ)上進行改進,以密排樁和高樁平臺相結(jié)合的方式來擋浪,平臺設(shè)置擋浪板,兼做碼頭使用,密排樁設(shè)置于碼頭下方。
密排樁的布置分為兩種型式。一種型式為密排樁位于碼頭中部或后部,樁頂與碼頭上部結(jié)構(gòu)相連(整體式),另一種型式為樁頂與碼頭上部結(jié)構(gòu)脫開(分離式)。從受力角度分析可知,整體式結(jié)構(gòu)的波浪力通過密排樁部分傳至碼頭結(jié)構(gòu),另一部分水平力由土體承受,因此主體結(jié)構(gòu)受波浪力較大,尤其對拉樁要求較高,而分離式結(jié)構(gòu)的密排樁與上部高樁結(jié)構(gòu)分離,密排樁和上部結(jié)構(gòu)主體分別承受波浪力,受力清晰,有效增加主體結(jié)構(gòu)的安全度。
經(jīng)過比選,二期碼頭采用分離式密排樁結(jié)合消浪板的結(jié)構(gòu)型式。高水位時利用消浪板和密排樁聯(lián)合消浪,低水位時主要利用密排樁進行消浪。該種分離式結(jié)構(gòu)會導致波浪從密排樁頂部越浪傳入港內(nèi),在一定水位和波浪條件下,消浪效果較差。由于擋浪板的設(shè)置,波浪會在擋浪板與密排樁之間形成反射且水體擴散被阻擋,從而在碼頭下方形成復(fù)雜而紊亂的波態(tài),使得上部結(jié)構(gòu)承受較大的浮托力,樁基、擋浪板受到較大的波浪水平力。
一期工程采用擋浪板結(jié)構(gòu),高水位時消浪效果明顯;低水位時,擋浪板進入水面以下高度較小,擋浪作用較小,波浪透射明顯,針對這個問題,二期工程建設(shè)時,初步采取適當降低擋浪板底高程的方案,物模試驗表明碼頭前沿擋浪板降低至泥面時波浪條件可大幅改善。
二期工程最終設(shè)計考慮到擋浪板底高程太低,碼頭結(jié)構(gòu)安全和施工存在較多的問題而沒有采用,而是另辟蹊徑,在碼頭下方布置密排樁,與碼頭結(jié)構(gòu)分離,高水位時,擋浪板作用明顯,可有效降低港內(nèi)波高,而低水位時,密排樁和擋浪板共同發(fā)揮作用,有效降低港內(nèi)波高。
本三期工程碼頭前沿天然泥面高程-20.0m,后沿天然泥面-16.50m,若采用擋浪板進行消浪,參照一期工程的建設(shè)經(jīng)驗,顯然無法實現(xiàn)消浪目標;若采用二期工程的方案,在碼頭下方布置密排樁,則樁基泥面以上自由長度太長,在波浪力作用下,樁基直徑達到4m 以上才能滿足使用要求,該方案顯然是不合理的。
總結(jié)一期工程和二期工程建設(shè)經(jīng)驗,一個明顯的特點就是,擋浪設(shè)施透空率越小,則消浪效果越好,在擋浪板結(jié)構(gòu)往下延伸受限的情況下,考慮將密排樁結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)結(jié)合為整體則成為本工程技術(shù)路線的必然選擇。
本三期工程由于碼頭前沿水深較大,且水工結(jié)構(gòu)擬采用密排樁方案,因此碼頭承受的波浪水平力和上托力均較大,導致樁身拉應(yīng)力較大,在滿足碼頭使用功能和結(jié)構(gòu)安全的前提下,本工程選用抗拉抗彎能力較強的鋼管樁。對于密排樁,可適當加大樁徑以提高抗彎能力。根據(jù)密排樁布置的不同,考慮兩種結(jié)構(gòu)方案。
方案一密排樁位于碼頭中部。碼頭寬度25m,排架間距7.6m。自前沿向后7m寬以及后沿向前7m寬范圍內(nèi),上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、疊合面板,通過現(xiàn)澆面層連成整體。中間11m 寬范圍內(nèi)上部結(jié)構(gòu)采用墩臺形式。每榀排架下共2根Φ1500mm鋼管樁(1根直樁,1根斜樁),墩臺下采用Φ1800mm 鋼管樁(斜樁,間距1900mm,密排樁),每兩榀排架中間設(shè)置4 根Φ1500mm 鋼管樁(斜樁,間距3800mm)。方案一詳見圖1。
圖1 方案一斷面圖及樁位示意圖
方案二密排樁位于碼頭前部。碼頭寬度25m,排架間距7.6m。自前沿向后14m 寬范圍內(nèi)上部結(jié)構(gòu)采用墩臺形式,自后沿向前8m 范圍內(nèi)上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、疊合面板,通過現(xiàn)澆面層連成整體,上部墩臺和排架間采用簡支板連接。每榀排架下共2 根Φ1200mm 鋼管樁(斜樁),墩臺下采用Φ1800mm 鋼管樁(斜樁,間距1900mm,密排樁)、Φ1800mm 鋼管樁(斜樁,間距3800mm)和Φ1200 鋼管樁(斜樁,間距5700mm)。方案二詳見圖2。
圖2 方案二斷面圖及樁位示意圖
本工程計算中將結(jié)構(gòu)簡化為平面剛架,采用桿系有限單元法進行求解,樁頂與橫梁形心采用剛性連接。主要構(gòu)件內(nèi)力計算成果見表1。
表1 碼頭斷面主要構(gòu)件內(nèi)力計算成果
根據(jù)計算可知,波浪力為主導荷載。方案一與方案二相比,迎浪面積較小,所受波浪水平力較小,但上部結(jié)構(gòu)位于密排樁以外的部分受到較大的波浪浮托力,故樁基所受拉力較大且上部排架結(jié)構(gòu)所受彎矩較大。方案一由于墩臺和排架結(jié)構(gòu)固接,整體性較好,故碼頭的水平位移較小。
方案二由于密排樁位于碼頭前部,可較好地掩護后方樁基及上部結(jié)構(gòu),且通過簡支板將墩臺和排架結(jié)構(gòu)相連,可避免排架結(jié)構(gòu)與墩臺共同承受波浪力,結(jié)構(gòu)受力更加合理,可有效減少樁基數(shù)量、減小上部結(jié)構(gòu)的尺寸和配筋,優(yōu)化結(jié)構(gòu)且節(jié)省投資。
值得一提的是,若密排樁采用直樁,周期較大、波長較長的波浪作用會導致拉樁的最大拉力非常大,而采用密排斜樁可有效改善這一問題。
(1)針對水深較大、波浪條件較惡劣且對泊穩(wěn)要求較高的碼頭,透空式防波堤兼碼頭可利用碼頭結(jié)構(gòu)本身的消浪功能來改善泊位前水域的水文條件,兼有碼頭和消浪雙重功能。
(2)本文所引工程采用密排樁與上部結(jié)構(gòu)相連的型式,根據(jù)密排樁位置不同分為密排樁前置和密排樁中置兩種布置方式,根據(jù)計算結(jié)果可知密排樁前置且上部結(jié)構(gòu)墩臺與排架脫開的方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小,受力更加合理,造價更低,是較優(yōu)的方案。
(3)本文所述的基于密排樁與高樁碼頭相結(jié)合的透空防浪結(jié)構(gòu),較傳統(tǒng)的利用防波堤加碼頭的結(jié)構(gòu)形式具有經(jīng)濟性及節(jié)約海洋資源的顯著優(yōu)點,對后續(xù)海島客運碼頭工程的選址和建設(shè)具有一定的指導意義。