某重力式煤碼頭設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)計(jì)算

鄧艷青 廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1.項(xiàng)目概況

某工程擬建1個(gè)7萬噸級煤碼頭泊位（結(jié)構(gòu)按10萬噸級散貨船設(shè)計(jì)預(yù)留），碼頭長366.2m，頂高程8.5m（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)，下同），前沿底高程-15.6m。碼頭采用重力墩式方沉箱結(jié)構(gòu)，水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全等級為Ⅱ級。

2.主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程碼頭設(shè)計(jì)參數(shù)主要涉及自然條件、靠泊船型及工藝荷載，其中自然條件包括潮位、波浪、水流、風(fēng)速、工程地質(zhì)、地震等，靠泊船型包括設(shè)計(jì)代表船型、兼顧船型及結(jié)構(gòu)預(yù)留船型等，具體內(nèi)容如下：

（1）設(shè)計(jì)水位。

設(shè)計(jì)高水位：1.81m（高潮累計(jì)頻率10%）；

設(shè)計(jì)低水位：0.08m（低潮累計(jì)頻率90%）；

極端高水位：3.62m（50年一遇高潮位）；

極端低水位：-0.40m（50年一遇低潮位）。

（2）設(shè)計(jì)波浪要素（見表1）。

表1 碼頭前沿設(shè)計(jì)波浪要素

（3）設(shè)計(jì)流速。

水流流速按1.05m/s計(jì)算，流向與碼頭前沿線基本平行。

（4）設(shè)計(jì)風(fēng)速。

按瞬時(shí)9級風(fēng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)風(fēng)速為22m/s，當(dāng)大于9級風(fēng)時(shí)船舶按要求離開碼頭至附近錨地避風(fēng)。

（5）工程地質(zhì)。

工程場地陸域多為低山丘陵地貌，勘察區(qū)海岸地貌為巖質(zhì)海岸，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用的影響。

根據(jù)鉆探揭示地層情況，擬建碼頭上覆土層為第四系全新統(tǒng)海相或海陸交互相形成的淤泥類土以及砂類土，下伏燕山期花崗巖的風(fēng)化殘積層、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖等。根據(jù)工程勘查報(bào)告提供的各巖、土層的主要涉及參數(shù)及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、各土（巖）層的容許承載力建議值，確定碼頭持力層為強(qiáng)風(fēng)化或局部全風(fēng)化巖。

（6）地震條件。

工程區(qū)域抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期為0.35s。

（7）設(shè)計(jì)船型（見表2）。

表2 設(shè)計(jì)代表船型及尺度表

（8）工藝荷載。

1）碼頭面均布荷載：20kPa；

2）橋式抓斗卸船機(jī)：基距16m，每腿8輪，輪距1.0m；工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)最大輪壓分別為500kN/輪和550kN/輪，卸船機(jī)軌道采用QU120。兩臺卸船機(jī)之間最小距離為2m。

3.碼頭結(jié)構(gòu)選型

碼頭結(jié)構(gòu)型式一般根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、使用要求、投資最優(yōu)、施工工藝和外部協(xié)作條件等因素綜合決定[1]。

本工程碼頭所處區(qū)域?yàn)樗聹\灘，水下地形較平坦，水深條件較好。地質(zhì)鉆孔揭示，上覆土層主要是第四系全新統(tǒng)近期海相沉積層、第四系全新統(tǒng)海陸相沉積層、第四系全新統(tǒng)早期海陸相沉積層及第四系更新統(tǒng)殘坡積層，以粗砂、粉細(xì)砂、淤泥、淤泥質(zhì)粘土及礫質(zhì)粘性土為主；下臥硬質(zhì)土層是燕山期花崗巖，各鉆孔均揭露至中風(fēng)化花崗巖巖面，根據(jù)全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層等高線分布圖，全風(fēng)化花崗巖的巖面頂標(biāo)高約為-18.5～-23.0m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的巖面頂標(biāo)高約為-19.0～-24.5m，埋藏較淺。因此，本工程區(qū)域適宜建設(shè)重力式碼頭[2]。

4.碼頭結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)總平面布置方案，擬建煤碼頭采用重力墩式突堤結(jié)構(gòu)[3]，并通過接岸結(jié)構(gòu)與后方陸域連接，碼頭結(jié)構(gòu)方案如下：

（1）煤碼頭前沿頂標(biāo)高8.50m，底標(biāo)高-15.6m，結(jié)構(gòu)采用重力墩式方沉箱結(jié)構(gòu)，方沉箱長×底寬（含前、后趾）×高=13.5m×27.76m×18.4m。沉箱內(nèi)用縱橫隔墻隔成18個(gè)艙格，橫向6個(gè)艙，縱向3個(gè)艙。前、后趾長度均為1m，前壁厚0.38m，后壁厚0.38m，側(cè)壁厚0.355m，隔板厚0.20m，底板厚0.6m，內(nèi)設(shè)20cm×20cm加強(qiáng)角。單個(gè)方沉箱的重量為2820t，共用10個(gè)沉箱。沉箱在專門的預(yù)制場預(yù)制，用氣囊出運(yùn)，滾動氣囊將沉箱移至半潛駁上下水，潛水駁下沉，當(dāng)沉箱浮起時(shí)，移走潛水駁。沉箱定位后用灌水壓載法將其沉放在整平好的基床上，再用級配塊石充沉箱內(nèi)部。

（2）碼頭持力層為風(fēng)化巖層或砂層。基槽挖至-18.0～-22.5m，基槽開挖時(shí)，全風(fēng)化基巖邊坡為1:1，粗砂類為1：2.5，淤泥類土的開挖邊坡為1:4?；坶_挖后用10～100kg塊石拋填形成安放沉箱的基床?；岔敇?biāo)高-16.1m，基床厚度在4.4m～6.6m，基床頂放置一列厚0.5m的柵欄板來防止基床頂部受淘刷。

（3）沉箱的上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土胸墻，每個(gè)沉箱上澆注一塊鋼筋混凝土胸墻，胸墻頂標(biāo)高為8.50m、底標(biāo)高為1.9m，底部嵌入沉箱0.40m。胸墻外側(cè)設(shè)置檢查孔，以方便軌道梁的檢修。胸墻內(nèi)腔回填1～100kg塊石，路面結(jié)構(gòu)從下往上分別為厚300mm碎石墊層，厚400mmC30鋼筋混凝土路面層。胸墻前沿設(shè)置高度0.25m的護(hù)輪坎。

（4）兩沉箱間用預(yù)應(yīng)力T型梁及軌道梁連接，搭接長度為2m。預(yù)應(yīng)力T型梁長22.7m，高2.5m，單件重74t，皮帶機(jī)廊道立柱支撐于T型梁上。軌道梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)梁長22.7m，梁高3m，其中2.6m為鋼箱梁，梁頂部設(shè)置 400mm厚的C50混凝土鋪裝層，鋪裝層混凝土在箱梁固定端與墩臺上部胸墻混凝土連結(jié)成整體，另一端設(shè)置伸縮縫與墩臺上部胸墻斷開。鋼箱梁固定端與順橋向活動端分別通過固定球型支座與單向活動球型支座固定在胸墻上，鋼箱梁單件重量為72t。

（5）碼頭通過長53.4 m、寬14.3m引橋與陸域相連，引橋分為高樁墩臺、高樁梁板引橋段及簡支板跨三部分。其中高樁墩臺長×寬×高=7.5m×14.3m×4.12～4.43m，樁基采用1500mm鉆孔灌注樁，樁長約34m，入強(qiáng)風(fēng)化巖4m，采用2個(gè)排架，排架間距4m，共5根樁。高樁梁板段長20.8m，采用3個(gè)排架，排架間距7.15m，樁基同樣采用1500mm鉆孔灌注樁，每個(gè)排架采用3根樁，樁基間距為7m、4.45m，簡支板跨為預(yù)制簡支板，長×寬=6.398m×1.72m。

（6）橡膠護(hù)舷、系船柱和門機(jī)軌道（有軌道梁）設(shè)施等附屬設(shè)施設(shè)置在胸墻上。橡膠護(hù)舷采用SC1450H兩鼓一板橡膠護(hù)舷，設(shè)置于胸墻臨水面，每個(gè)胸墻結(jié)構(gòu)段安裝一組（接岸段胸墻不設(shè)橡膠護(hù)舷）和1500kN系船柱一個(gè)。

5.碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 外力計(jì)算

本工程碼頭外力計(jì)算主要包括船舶荷載、波浪力、土壓力、地震慣性力等，具體計(jì)算如下：

1）船舶系纜力（見表3）。

表3 船舶系覽力計(jì)算表

根據(jù)規(guī)范《港口工程荷載規(guī)范（JTS144-1-2010）》，10萬噸級船舶系纜力不小于1000kN，結(jié)合相鄰工程使用經(jīng)驗(yàn)，本工程煤碼頭選用1500kN系船柱。

2）船舶撞擊力。

1）船舶靠泊時(shí)的撞擊力（見表4）

表4 船舶撞擊能計(jì)算表

2）系泊船舶在波浪作用下的撞擊力（見表5）

表5 系泊船舶在橫浪作用下的撞擊能計(jì)算表

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010），計(jì)算船舶靠泊時(shí)產(chǎn)生的有效撞擊能，并選擇合適的防沖設(shè)施。本工程煤碼頭選用SC1450H二鼓一板橡膠護(hù)舷，形變達(dá)到52.5%時(shí)的吸能量和反力分別是1192kJ、1872kN。

3）船舶擠靠力。

經(jīng)計(jì)算，相對于船舶撞擊力，船舶擠靠力要小得多，可不作控制性外力考慮。

4）波浪力：設(shè)計(jì)波浪要素取50年一遇的波浪，計(jì)算水位為相應(yīng)的水位，并根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

5）土壓力：根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167-2018）相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

6）地震慣性力：根據(jù)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS146-2012）相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

5.2 作用與作用效應(yīng)組合

煤碼頭作用主要包括自重、船舶荷載、均布荷載、流動機(jī)械荷載、波浪力等。各作用效應(yīng)按照可能在碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的情況進(jìn)行組合，包括不同水位下相應(yīng)的持久狀況、短暫狀況及地震作用。

1）持久狀況。

組合一：自重力+波浪力+（堆載）

組合二：自重力+撞擊力+（堆載）

組合三：自重力+系纜力+（堆載）

組合四：自重力+系纜力+卸船機(jī)輪壓荷載（工作狀態(tài)）+皮帶機(jī)廊道荷載

組合五：自重力+撞擊力+卸船機(jī)輪壓荷載（工作狀態(tài)）+皮帶機(jī)廊道荷載

組合六：自重力+波浪力+卸船機(jī)輪壓荷載（非工作狀態(tài)）+皮帶機(jī)廊道荷載

以上六種組合的設(shè)計(jì)水位為極端高、極端低水位和設(shè)計(jì)高、設(shè)計(jì)低水位。

2）短暫狀況。

1）有波浪作用、墻后尚未回填時(shí)，已安裝的沉箱（或圓筒）在波浪作用下的穩(wěn)定性；

2）有波浪作用、胸墻后尚未回填或部分回填時(shí)，胸墻及沉箱（或圓筒）在波浪作用下的穩(wěn)定性。

3）地震狀況。

組合一：自重力+卸船機(jī)輪壓+50%系纜力+（50%堆載）+地震慣性力

組合二：自重力+墻后填料地震土壓力+50%系纜力+（50%堆載）+地震慣性力+地震動土壓力

地震狀況下水位為設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位。

5.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

碼頭結(jié)構(gòu)主要計(jì)算內(nèi)容：墻底面和墻身各水平縫面前趾抗傾穩(wěn)定性；沿墻底面和墻身各水平縫抗滑穩(wěn)定性；沿基床底面抗滑穩(wěn)定性；基床和地基承載力；碼頭整體穩(wěn)定性[4]。

擬建重力式煤碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果詳見表6，經(jīng)計(jì)算，在持久狀況及偶然狀況（地震）下，碼頭抗滑及抗傾穩(wěn)定性、基床及地基承載力均滿足規(guī)范要求。

表6 碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

6.碼頭施工流程

本工程碼頭及接岸引橋?yàn)槌Ｒ?guī)結(jié)構(gòu)，施工技術(shù)成熟，具體施工流程如下：

（1）碼頭施工流程[5]?；坶_挖、沉箱預(yù)制、T 型梁、軌道鋼箱梁預(yù)制→基床拋石、夯實(shí)整平→沉箱出運(yùn)、安裝→沉箱內(nèi)回填→現(xiàn)澆胸墻→T 型梁、軌道鋼箱梁的安裝→碼頭面層澆注→附屬設(shè)施的安裝→裝卸設(shè)備安裝→碼頭工程完工。

（2）接岸引橋施工流程。灌注樁施工→墩臺澆注、引橋梁板澆注→T型梁安裝→面層澆注。

7.結(jié)論

根據(jù)自然條件和使用要求合理確定結(jié)構(gòu)型式，并按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格開展結(jié)構(gòu)計(jì)算，是保證碼頭功能正常發(fā)揮的關(guān)鍵。本文所介紹的重力式煤碼頭采用重力墩式方沉箱結(jié)構(gòu)，在建成之后，整體運(yùn)行狀況良好，可滿足結(jié)構(gòu)安全和使用要求，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算方法可為類似工程實(shí)踐提供參考。