某貨運(yùn)碼頭水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選

孫資舜

（中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200030）

0 引言

高樁碼頭是我國(guó)目前應(yīng)用相對(duì)廣泛的碼頭結(jié)構(gòu)形式，其適用于沿海、河口及河流下游地區(qū)等軟土地基。該結(jié)構(gòu)形式波浪反射小，泊穩(wěn)條件好，砂石用量少，對(duì)挖泥超深適應(yīng)性強(qiáng)。板樁碼頭主要依靠板樁入土段的土抗力及上端錨碇系統(tǒng)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料用料少，構(gòu)件可預(yù)制施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 工程概況

工程由碼頭平臺(tái)及皮帶機(jī)引橋組成。共建設(shè)7個(gè)500（水工兼顧1 000）t級(jí)泊位貨運(yùn)碼頭。方案一采用高樁框架碼頭，平臺(tái)尺寸520 m×20 m。方案二采用板樁碼頭，板樁擋墻總長(zhǎng)586 m。水工建筑等級(jí)Ⅱ級(jí)。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)船型

考慮渦河航道等級(jí)、航道條件及水運(yùn)量預(yù)測(cè)貨種，考慮船型標(biāo)準(zhǔn)化、大型化的趨勢(shì)，單船推薦500 t級(jí)貨船，水工結(jié)構(gòu)兼顧1 000 t級(jí)貨船。具體設(shè)計(jì)船型[1]如表1：

表1 設(shè)計(jì)船型表

2.2 設(shè)計(jì)水位

參考附近航道整治工程相關(guān)成果，該工程水位如下：

十年一遇防洪水位：34.48 m

設(shè)計(jì)高水位： 32.4 m（平灘水位）

設(shè)計(jì)低水位： 26.28 m（保證率95%）

常水位： 28.2 m

2.3 設(shè)計(jì)荷載

（1）自然荷載。風(fēng)壓力：按照基本風(fēng)壓0.35 kPa計(jì)算確定。水流力：按照碼頭前沿最大垂線流速2.0 m/s計(jì)算。

（2）堆貨荷載。碼頭區(qū)域20 kPa。

（3）工藝荷載。10 t—18 m固定吊：額定起重量10 t，最大外伸距18 m。

（4）流動(dòng)機(jī)械荷載。55 t汽車：前軸壓30 kN，中軸壓2×120 kN，后軸壓2×140 kN，沖擊系數(shù)1.3。10 t檢修車：前軸壓30 kN，后軸壓70 kN。

（5）其他荷載。人群荷載：按3.0 kPa考慮。

（6）船舶荷載。船舶系纜力：250 kN；船舶撞擊力：309 kN。

2.4 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察結(jié)果，勘探深度范圍內(nèi)揭露的地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）和第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）?，F(xiàn)自上而下分別敘述如下：

①層雜填土（Q4ml）：雜色、灰褐色，松散，稍濕，主要由碎石、生活垃圾及黏性土等回填而成。揭露厚度為0.30~5.10 m，層底標(biāo)高為28.34~36.48 m。

②1層粉土（Q4ml）：灰褐色、黃褐色，稍密，濕，搖震反應(yīng)迅速，夾粉砂。揭露厚度為2.30~3.10 m，層底標(biāo)高為29.15~33.97 m。

②2層粉質(zhì)黏土（Q4al）：軟塑，夾粉土。該層由靜探揭露，僅ZK9分布，推測(cè)由于上部填土過(guò)厚，長(zhǎng)期積水致含水量增大，性狀變差，揭露厚度為1.60 m，層底標(biāo)高為33.70 m。

③層粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰褐色、黃褐色，可塑~硬塑，含鐵錳氧化物及少量鈣質(zhì)結(jié)核，夾粉土。揭露厚度為1.00~6.90 m，層底標(biāo)高為26.42~31.81 m。

④層粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰褐色，可塑，局部硬塑，含鐵錳氧化物，夾粉土薄層。揭露厚度為0.90~3.50 m，層底標(biāo)高為18.32~27.64 m。

⑤層粉土（Q4al）：灰褐色、褐黃色，中密，飽和，搖震反應(yīng)迅速，夾粉質(zhì)黏土。揭露厚度為1.30~4.20 m，層底標(biāo)高為16.46~26.34 m。

⑥層粉質(zhì)黏土（Q3al）：灰褐色、褐黃色，可塑，局部硬塑，含鐵錳氧化物和鈣質(zhì)結(jié)核，夾粉土薄層。揭露厚度為11.20~13.90 m，層底標(biāo)高為5.26~5.92 m。

⑦層粉土（Q3）：褐黃色，密實(shí)，飽和，搖震反應(yīng)迅速，局部夾粉細(xì)砂薄層。揭露厚度為1.50~3.70 m，層底標(biāo)高為1.95~4.37 m。

⑧層粉質(zhì)黏土（Q3al）：黃褐色，可塑，局部硬塑，含鐵錳結(jié)核，局部砂姜富集。揭露厚度為1.90~3.50 m，層底標(biāo)高為-1.55~1.97 m。

⑨層粉土（Q3al）：黃褐色，密實(shí)，飽和，搖震反應(yīng)迅速，夾粉質(zhì)黏土。揭露厚度為2.30~6.20 m，層底標(biāo)高為-4.23~-2.24 m。

⑩層粉質(zhì)黏土（Q3al）：黃褐色，可塑，局部硬塑，含鐵錳結(jié)核，局部砂姜富集。揭露厚度為1.50~3.40 m，層底標(biāo)高為-7.63~-3.88 m。

3 結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)碼頭區(qū)地形、地質(zhì)及水文等自然條件，對(duì)應(yīng)總平面布置及裝卸工藝方案，碼頭水工建筑物提出兩個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。

方案一：

碼頭水工建筑物由高樁框架碼頭、皮帶機(jī)引橋組成。碼頭面頂標(biāo)高32.5，港池底標(biāo)高23.08。前方平臺(tái)連續(xù)布置，為現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)520 m，寬20 m，一般排架間距8 m，固定吊處排架間距4.0 m，伸縮縫跨間距3.5 m，樁基采用φ100 cm混凝土鉆孔灌注樁。上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱向梁系、現(xiàn)澆系靠船構(gòu)件和疊合面板等組成?？看瑯?gòu)件上布置橡膠護(hù)舷，豎向和橫向均采用SA-300H型。根據(jù)水位變化幅度，碼頭共設(shè)兩層系纜，均設(shè)250 kN系船柱。

皮帶機(jī)引橋采用預(yù)制板梁，向后延伸至倉(cāng)庫(kù)，總長(zhǎng)279.5 m?？拷a頭平臺(tái)的5跨為斜坡段，坡度為15.6%，通過(guò)長(zhǎng)16.25 m的硬化路面與碼頭平臺(tái)后沿相接。皮帶機(jī)引橋標(biāo)準(zhǔn)跨上部為20 m預(yù)制混凝土空心板，下部為φ800 mm PHC管樁基礎(chǔ)。倉(cāng)庫(kù)內(nèi)與皮帶機(jī)引橋相連的為布料機(jī)基礎(chǔ)，總長(zhǎng)149 m，標(biāo)準(zhǔn)跨間距15 m，蓋梁及下部結(jié)構(gòu)與皮帶機(jī)引橋相同。

緊鄰下游三泊位碼頭平臺(tái)后沿平行布置一條硬化道路，道路長(zhǎng)為363 m，寬10 m，其和大堤之間通過(guò)硬化道路連接。護(hù)坡坡比均為1∶3，采用12 cm混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。

方案二：

碼頭平臺(tái)為板樁結(jié)構(gòu)，板樁長(zhǎng)586 m，碼頭面標(biāo)高為32.5 m。由胸墻、鋼板樁、鋼導(dǎo)梁、拉桿、錨碇墻、碼頭面層、吊機(jī)墩臺(tái)和基樁組成。胸墻間隔21 m設(shè)置2 cm伸縮縫，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬1.0 m，底寬0.75 m，高5.2 m，墻前設(shè)SA-300H橡膠護(hù)舷；板樁型號(hào)采用U650×280×12鋼板樁；拉桿（Q345）直徑為80 mm，間距為260 cm；錨碇墻尺寸為250 cm×100 cm×50 cm，墻前回填塊石，墻底設(shè)置10 cm C15墊層、40 cm碎石墊層。吊機(jī)墩處設(shè)置4.8 m×5.0 m墩臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)采用4根φ100 cm的灌注樁，樁底標(biāo)高-1.0 m。碼頭面層結(jié)構(gòu)自上而下依次為26 cm C35混凝土、32 cm水泥穩(wěn)定碎石、10 cm填隙碎石。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

碼頭平臺(tái)排架結(jié)構(gòu)計(jì)算方法參照《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167—2018）[2]、《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144—1—2010）[3]、《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS151—2011）[4]等相關(guān)規(guī)范。排架和桁架計(jì)算采用《上海易工工程技術(shù)服務(wù)有限公司—港口工程設(shè)計(jì)系列軟件》進(jìn)行計(jì)算。

4.1 水工建筑物計(jì)算

水工建筑物主要計(jì)算結(jié)果如表2、表3。

表2 水工結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果表（方案一）

表3 水工結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果表（方案二）

4.2 岸坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

該次設(shè)計(jì)對(duì)岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和地形測(cè)圖建立模型，利用《理正巖土工程系列軟件》進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，岸坡整體滑動(dòng)安全系數(shù)為1.83，滿足規(guī)范要求。

4.3 樁基承載力計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，碼頭平臺(tái)單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值為4 109.60 kN，皮帶機(jī)引橋單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值為2 720.54 kN。

4.4 碼頭整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

該次設(shè)計(jì)對(duì)碼頭進(jìn)行了整體穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和地形測(cè)圖建立模型，利用《理正巖土工程系列軟件》進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整體滑動(dòng)安全系數(shù)為1.53，滿足規(guī)范要求。

5 方案比選及推薦方案

5.1 方案比選

兩種方案結(jié)構(gòu)形式不同，但經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算方案一與方案二均滿足設(shè)計(jì)要求。下面，從結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)、施工要求及結(jié)合碼頭建設(shè)的實(shí)際需求多方面進(jìn)行綜合分析比較。

5.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高樁碼頭通過(guò)樁基連接上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)，荷載通過(guò)樁基傳遞至地基，同時(shí)樁基也起到穩(wěn)定地基的作用，減小地基沉降。同時(shí)，采用透空式結(jié)構(gòu)形式，使得碼頭整體阻水面積小，波浪反射更小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[5]。

板樁碼頭通過(guò)板樁入土部分的傾向土抗力和安設(shè)在碼頭上部的錨碇結(jié)構(gòu)來(lái)維持其整體穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要構(gòu)件均可提前預(yù)制，但結(jié)構(gòu)耐久性一般。

5.1.2 施工

高樁碼頭構(gòu)件相對(duì)較多，大部分預(yù)制構(gòu)件均可現(xiàn)場(chǎng)裝配，減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量，但施工順序較多，導(dǎo)致施工工期較長(zhǎng)。板樁碼頭施工工序少，施工工期較短，但板樁墻后未填土前，抗浪能力差，不利于無(wú)掩護(hù)條件下施工；板樁墻在施工過(guò)程中易向前傾斜，傾斜后不易或不允許作糾正處理，抗震性能差，震壞后不易修復(fù)。

5.1.3 碼頭建設(shè)實(shí)際需求

需要在無(wú)掩護(hù)條件下進(jìn)行碼頭建設(shè)，且碼頭建設(shè)期塊石大量采購(gòu)相對(duì)困難。

兩種碼頭結(jié)構(gòu)方案比選匯總?cè)绫?。

表4 結(jié)構(gòu)方案比選表

5.2 推薦方案

根據(jù)該工程的地質(zhì)條件，兩種方案在技術(shù)上均為可行，相對(duì)而言，方案二施工期在無(wú)掩護(hù)的情況下抗浪能力差，且所需的大量塊石對(duì)前期建設(shè)有采購(gòu)困難。方案一結(jié)構(gòu)形式與施工技術(shù)成熟，整體碼頭結(jié)構(gòu)形式穩(wěn)定且整體沉降較小，如圖1。

圖1 推薦方案高樁碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖

綜上所述，結(jié)合結(jié)構(gòu)、施工及建設(shè)要求，該工程推薦方案為高樁碼頭結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)方案的分析，比較兩種結(jié)構(gòu)后可知，對(duì)于該工程采用的高樁碼頭可以有效避免建設(shè)期的各項(xiàng)問(wèn)題。同時(shí)，隨著高樁碼頭施工工藝更加成熟且構(gòu)件可大量預(yù)制并現(xiàn)場(chǎng)裝配，施工工期可以進(jìn)一步縮短。該項(xiàng)目的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選可為類似工程提供相關(guān)思路。