重力式碼頭結(jié)構(gòu)的選型研究

吉增光

（河北省水運(yùn)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)院，天津 300074）

1 引言

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使各類大型工程不斷興建，其設(shè)計(jì)使用年限久，使得工程在建成后，隨著時(shí)間的流逝容易受到環(huán)境的侵蝕，導(dǎo)致各種載荷作用發(fā)生變化，如果不對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，將會(huì)讓土木工程的基礎(chǔ)設(shè)備狀態(tài)趨向劣化。近年來(lái)，由于結(jié)構(gòu)損傷所引起的土木工程事件頻發(fā)，在發(fā)生事故前，很多的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致應(yīng)力增加。在重大的工程結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的選型十分重要。我國(guó)的港口體系分布合理，相對(duì)集中，按照結(jié)構(gòu)形式分為重力式、板樁式、高樁式和混合式，大多數(shù)以重力式碼頭結(jié)構(gòu)形式為主，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)形式堅(jiān)固、耐久、抗凍、抗冰、承受力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單、成本低。因此，本文以重力式碼頭結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析重力式碼頭結(jié)構(gòu)在選型方面以及結(jié)構(gòu)加固方面的應(yīng)用。

2 工程概況

2.1 物理力學(xué)指標(biāo)

以青島港為例，1～5#泊位工程是設(shè)計(jì)的主要項(xiàng)目，其中，1#和2#為2 萬(wàn)噸級(jí)泊位；3#為10 萬(wàn)噸級(jí)泊位；4#和5#為5 萬(wàn)噸級(jí)泊位。整個(gè)碼頭分為1～5 層，3～5層土基主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土基物理力學(xué)指標(biāo)

在泊位工程的基礎(chǔ)之上，再擬建1 座煤炭碼頭和重件碼頭，兩個(gè)碼頭之間通過(guò)實(shí)體引堤進(jìn)行橋接，如圖1所示。建筑物的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為A，結(jié)構(gòu)系數(shù)為1.0，使用年限為40 年，設(shè)計(jì)水位如表2 所示。

圖1 工程平面布置示意圖

表2 設(shè)計(jì)水位

2.2 設(shè)計(jì)波浪要素

碼頭過(guò)渡段的設(shè)計(jì)載荷中，流動(dòng)機(jī)械的載荷分別為20t 和25t；波浪載荷需要通過(guò)各工況下的物理模型試驗(yàn)得出。設(shè)計(jì)波浪的要素如表3 所示。

表3 設(shè)計(jì)波浪要素

3 碼頭結(jié)構(gòu)選型

3.1 影響碼頭結(jié)構(gòu)的因素

對(duì)于重力式碼頭結(jié)構(gòu)起到控制作用的因素較多，但從碼頭的結(jié)構(gòu)而言，分為基礎(chǔ)寬度、方塊尺寸、胸墻尺寸、卸荷板厚度等；回填材料分為高程和力學(xué)；荷載分為種類、位置以及使用范圍等；此外還有工程地質(zhì)條件、冰荷載以及地震力等因素。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以得到，對(duì)于重力式碼頭結(jié)構(gòu)的選型，也存在一定的規(guī)律性。就基礎(chǔ)寬度而言，根據(jù)使用碼頭的條件，將整個(gè)河床分為中粗砂、細(xì)砂以及巖石，因?yàn)榈貙拥慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，地理位置好，且承載力較強(qiáng)，因此整個(gè)碼頭的結(jié)構(gòu)符合抗滑和抗傾的使用條件，可以進(jìn)行建筑物的范圍設(shè)定。同時(shí)，回填材料也符合設(shè)計(jì)需求，資源方面充足，各方面都符合規(guī)范。載荷確定，船型設(shè)計(jì)單一作為推廣船型，碼頭的裝卸機(jī)械要做到靈活；冰荷載，在結(jié)構(gòu)選擇時(shí)需要考慮到，可以采用接觸流冰部位鑲嵌鋼板予以解決。因此，在工程實(shí)踐時(shí)，對(duì)于重力式碼頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，需要考慮到多種因素。

3.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

對(duì)重力連片式和高樁離岸式兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)對(duì)比，如表4 所示。

表4 兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

結(jié)果顯示，在載荷和工藝的適應(yīng)、1#～3#的舒適性、陸域形成面積、結(jié)構(gòu)耐久性、安全風(fēng)險(xiǎn)、砂石需求量、結(jié)構(gòu)造價(jià)等7 個(gè)影響要素中，重力連片式的結(jié)構(gòu)占據(jù)優(yōu)勢(shì)較多，符合重力式結(jié)構(gòu)的選擇需要。

斜坡式結(jié)構(gòu)的堤頂寬20m，高16.8m，坡比1∶1.5，堤頂設(shè)有防浪墻，高11.7m。

直立堤所用結(jié)構(gòu)為沉箱，尺寸為24.5m×18.66m×19m，單個(gè)沉箱最大噸位為3885t，采用中粗砂進(jìn)行回填。沉箱頂部高程為1.5m，通過(guò)在上方設(shè)置防浪墻，可以提高結(jié)構(gòu)的安全性。沉箱采用暗基床結(jié)構(gòu)，兩側(cè)泥面按照1∶2 進(jìn)行防滲，基床上放置實(shí)體沉箱，并在沉箱的兩側(cè)使用柵欄板壓制，如圖2 所示。

圖2 直立堤式結(jié)構(gòu)剖面

3.3 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

碼頭區(qū)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖高程為-44～-62m，適合采用高樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，配套的政策與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無(wú)法完成融合，碼頭對(duì)貨種和使用載荷要求較高。此外，由于1#和2#為?？拓洕L裝船，3#為郵輪，在進(jìn)行總平面圖設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量讓建筑物靠近碼頭的前沿，上下船設(shè)計(jì)要降低碼頭面高程，以提高運(yùn)營(yíng)的安全性。滾裝船和集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要具有良好的耐久性，避免過(guò)于頻繁的維修導(dǎo)致停運(yùn)。對(duì)于深水重力式碼頭，首選巖基作為底層，在本設(shè)計(jì)工程中，碼頭區(qū)的巖面埋藏隱蔽，在選擇持力層時(shí)，需要重視基槽開挖的缺陷，對(duì)工作量進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免投資成本的增加，基床的厚度相差較大，也會(huì)增加沉降的風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇適合的土基作為持力層非常重要，將地基的承載力系數(shù)γR設(shè)置為3.5，碼頭的斷面地基沉降量設(shè)置為15cm。隨著基槽開挖深度的不斷增加，將3#～5#設(shè)置為持力層。但從沉降的控制角度而言，3#含水率較高，天然空隙和壓縮系數(shù)較大，擊數(shù)較小，不易作為持力層進(jìn)行開發(fā)。粉質(zhì)黏土和中粗砂混黏土作為基礎(chǔ)持力層，適合部分開挖。

根據(jù)表4 可以得知，重力式結(jié)構(gòu)在造價(jià)方面較低，高樁式結(jié)構(gòu)在造價(jià)方面較高。在進(jìn)行重力式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，基槽開挖的工作量大，會(huì)造成成本的增加。兩種結(jié)構(gòu)的造價(jià)均隨著結(jié)構(gòu)等級(jí)的增加而有所減少，在進(jìn)行競(jìng)標(biāo)過(guò)程中，土石方的工程報(bào)價(jià)較高，因此，重力式結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)，在進(jìn)行工程量分配時(shí)所占比例較大，重力式結(jié)構(gòu)在超深基槽和超厚拋石方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，基槽開挖底高程為-35.0～52.0m；基槽拋石厚度為23.5～40.1m，基槽開挖量為1230 萬(wàn)m3，基槽開挖用砂、石量大，選擇重力式結(jié)構(gòu)在拋泥區(qū)及砂、石有優(yōu)先條件。

根據(jù)工程所在地對(duì)于各類建材的價(jià)格要求，對(duì)比直立堤方案和斜坡堤方案的工程造價(jià)，結(jié)果顯示，采用直立堤方案，可以比斜坡堤方案節(jié)省工程造價(jià)，節(jié)約比例高達(dá)10%。如表5 所示。

表5 兩種結(jié)構(gòu)方案工程造價(jià)對(duì)比（萬(wàn)元）

由此可知，直立堤方案造價(jià)明顯低于斜坡堤方案。直立堤方案在抗滑抗傾方面更加穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也更加安全，采取此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠更加節(jié)省成本。

在各工況下，直立式沉箱的結(jié)構(gòu)碼頭在抗滑、抗傾方面的安全系數(shù)規(guī)范性更高，地基的沉降量更小，結(jié)構(gòu)也更加的穩(wěn)定和安全，具體數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 直立式沉箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

重力式碼頭在耐久性方面較佳，在超載和工藝變化方面具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，而且施工簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用較為廣泛。通過(guò)對(duì)重力式碼頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型分析，得出了采用重力式碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以得到較好的應(yīng)用效果。采用直立堤結(jié)構(gòu)，可以保持一定的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以更加安全，造價(jià)也更低。