■邵茂產(chǎn)

（1.寧德市交通運輸局；2.寧德市交通經(jīng)濟發(fā)展中心，寧德 352100）

1 工程概況

某碼頭工程位于寧德市三都澳港區(qū)城澳作業(yè)區(qū)，工程主要建設(shè)內(nèi)容：建設(shè)3.5萬噸級和5萬噸級通用泊位各一個及相應(yīng)的水、電、通信等配套設(shè)施，碼頭水工結(jié)構(gòu)按可靠泊15萬噸級散貨船預(yù)留。項目所在地區(qū)建筑材料供應(yīng)充足，交通、通訊、供水、供電方便。工程建設(shè)場地利用灘涂和山丘地，不占農(nóng)田，工程地質(zhì)條件較好，具備了良好的建港條件。本文主要對該項目碼頭水工的建設(shè)自然條件、結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)方案論證和比選等方面進行介紹。

2 建設(shè)自然條件

2.1 水文、氣象

（1）風(fēng)況

該區(qū)常風(fēng)向為SE向，出現(xiàn)頻率18%，強風(fēng)向為NW，多年平均風(fēng)速1.4m/s，最大風(fēng)速28m/s，極大風(fēng)速40m/s，全年≥8級風(fēng)日數(shù)為5.7天，年平均大風(fēng)日為32.35天。本工程最大設(shè)計風(fēng)速取55m/s。

（2）設(shè)計潮位（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同?/p>

設(shè)計高水位：7.27m 設(shè)計低水位：0.57m

極端高水位：8.58m 極端低水位：-0.52m

（3）波浪

工程場區(qū)目前尚無實測資料，根據(jù)規(guī)范用小風(fēng)區(qū)法推算的50年一遇波要素：H1%=2.31m，T=5.0s，波向為東向，本工程水工結(jié)構(gòu)依此進行設(shè)計。

（4）水流

三都澳屬強潮海區(qū)，海區(qū)地形復(fù)雜，島嶼星羅棋布，水域多呈水道形式，潮流呈往復(fù)流，流向與水道走向基本一致，潮流流向與深槽走向基本一致，一般落潮流速大于漲潮流速。本工程最大設(shè)計水流速取1.48m/s，流向為東南向。

2.2 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭露，本場地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：淤泥層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)土層、碎石層、砂土狀強風(fēng)化花崗巖層、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖層、中風(fēng)化花崗巖層等。其中砂土狀強風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖埋深深淺不一，巖面高程變化較大，工程性能較好。

2.3 抗震設(shè)防標(biāo)準

擬建場地處于抗震設(shè)防烈度6度區(qū)，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組屬第一組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

3 水工建筑物結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)地質(zhì)報告顯示，碼頭平臺區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，地勢由南往北傾斜，坡度較陡，覆蓋層主要由淤泥層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)土層組成，覆蓋層厚度分布不均勻，工程性能差?；鶐r埋藏深淺不一，西側(cè)基巖埋藏較深，東側(cè)基巖埋藏較淺，強風(fēng)化花崗巖層面標(biāo)高介于-20.66m～-44.55m之間，中風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高介于-20.66m～-46.45m之間。綜合地質(zhì)構(gòu)造、工程造價、工期等因素，碼頭主體結(jié)構(gòu)擬采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案和高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案進行比選。

3.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

根據(jù)總平面布置方案，碼頭前沿線布置在等深線-18m～-40m之間，與規(guī)劃前沿線一致，建設(shè)碼頭泊位長483m，碼頭作業(yè)平臺寬32m，碼頭面高程+9.0m。碼頭前沿設(shè)計底高程為-18.7m，碼頭前沿停泊水域?qū)挾热?5m，停泊水域設(shè)計底高程兩個泊位分別取-12.0m和-13.6m；回旋水域長軸取669m，短軸取446m，回旋水域設(shè)計底高程為-14.5m。

3.2.1 重力式沉箱結(jié)構(gòu)（方案一）

碼頭為連片式布置，碼頭水工結(jié)構(gòu)采用大型重力式沉箱結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)在基床頂面以下5m范圍內(nèi)采用10～100kg拋石基床，基床頂面5m深度以下范圍拋填10～500kg塊石，地基持力層為強風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖?；采习卜配摻罨炷链蟪料?，沉箱長×寬×高=15.8m×14.04m×21.2m，重量約2566t。沉箱隔倉內(nèi)回填10～50kg塊石，沉箱后側(cè)回填10～100kg減壓棱體，沉箱上現(xiàn)澆C35鋼筋砼胸墻，胸墻高6.5m?，F(xiàn)澆胸墻后至碼頭后沿面層為10cm厚預(yù)制C50高強砼聯(lián)鎖塊，其下鋪設(shè)5cm厚的中粗砂墊層、30cm厚水泥碎石穩(wěn)定層及25cm厚級配碎石墊層。碼頭面布置2條軌道，軌道型號為QU120，前軌設(shè)在現(xiàn)澆砼胸墻上，門機后軌采用軌枕道渣結(jié)構(gòu)；考慮今后發(fā)展，預(yù)留一條卸船機后軌，軌距26m。

3.2.2 高樁梁板式結(jié)構(gòu)（方案二）

碼頭為離岸式布置，碼頭水工結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，分7個分段，共計45跨52排，每個排架由4根直徑2.5m灌注樁或嵌巖樁組成，在水深較深處則回填10～100kg塊石至標(biāo)高-31.3m進行拋石護樁。碼頭上部結(jié)構(gòu)由橫梁、預(yù)制軌道梁、縱梁、鋼筋砼疊合板、現(xiàn)澆板及磨耗層構(gòu)成。其中預(yù)制軌道梁、縱梁均為預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)。碼頭平臺上布置2條軌道，軌道型號為QU120，門機軌距為10.5m，其中海側(cè)軌距碼頭前沿3.5m?？紤]到遠期發(fā)展需要，在碼頭平臺后部預(yù)留一條橋式抓斗卸船機軌道，軌距為26m。

4 水工建筑物結(jié)構(gòu)驗算和比選

4.1 水工建筑物結(jié)構(gòu)驗算

4.1.1 碼頭平臺設(shè)計荷載

（1）恒載：建筑物自重；

（2）均布荷載：30kN/m2；

（3）流動機械荷載

①門座起重機軌距10.5m，基距10.5m，輪距0.75m，8輪/腿，兩機間最小輪距1.5m，工作狀態(tài)時最大支腿壓力400kN/輪×8輪/腿＝3200kN/腿；非工作狀態(tài)時最大支腿壓力 450kN/輪×8 輪/腿＝3600kN/腿。

②預(yù)留橋式抓斗卸船機軌道，軌距26m、基距18m，輪距1.05m，12輪/腿，海側(cè)軌與門機共用，相鄰兩臺卸船機最小輪距3m。工作狀態(tài)（風(fēng)速25m/s）輪壓為650kN/輪，非工作狀態(tài)（風(fēng)速55m/s，錨定位）輪壓為750kN/輪。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案一）

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案二）

（4）運輸車輛：20t自卸汽車、25t平板車；

（5）船舶荷載：15萬噸級散貨船舶，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》進行計算；

（6）水流、波浪力：根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》、《海港水文規(guī)范》進行計算。

4.1.2 主要外力計算

（1）船舶系纜力：作用在船舶上的風(fēng)荷載與水流力共同合成的系纜力。按照相關(guān)公式，根據(jù)風(fēng)和水流最不利工況進行組合計算，得出15萬噸級散貨船最大系纜力標(biāo)準值N＝1040.6kN?？紤]風(fēng)、流、波浪不利組合，碼頭前沿系纜設(shè)施選用1500kN系船柱。

（2）擠靠力：按照公式，經(jīng)計算，15萬噸級散貨船擠靠力為 F′j=250kN。

（3）船舶靠泊撞擊力：船舶靠岸時，對碼頭的船舶撞擊能量按相關(guān)公式，經(jīng)計算，15萬噸級散貨船最大有效撞擊能量為 E0＝648.75kJ。

（4）橫浪作用下船舶撞擊力：系泊船舶在橫浪作用下有效撞擊能量按相關(guān)公式，經(jīng)計算，15萬噸級散貨船在橫浪作用下產(chǎn)生的有效撞擊能量（分配在每組護舷上）為198kJ。因此，船舶在橫浪作用下撞擊能小于船舶靠泊時的撞擊能，不起控制作用。

根據(jù)撞擊力、擠靠力、橫浪撞擊力計算成果，碼頭選用SUC1450H鼓型橡膠護舷（兩鼓一板，高反力型），單鼓設(shè)計吸能量E＝775kJ，設(shè)計反力R＝1217kN。15萬噸級散貨船滿載時干舷高度為6.4m，設(shè)計高水位時，考慮二鼓同時吸能和受力；設(shè)計低水位時，考慮一鼓吸能和受力。

（5）地震荷載：場地處于抗震設(shè)防烈度6度區(qū)，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組屬第一組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，可不考慮地震作用力。

4.1.3 作用分類與作用效應(yīng)組合

（1）結(jié)構(gòu)方案一（重力式沉箱結(jié)構(gòu)）

①永久作用：自重力、墻后填料產(chǎn)生的土壓力。

②可變作用：均布荷載、門機荷載、卸船機荷載、流動運輸機械荷載、可變作用產(chǎn)生的土壓力、船舶荷載、波浪力、施工荷載。

（2）結(jié)構(gòu)方案二（高樁梁板式結(jié)構(gòu)）

①永久作用：自重力。

②可變作用：均布荷載、門機荷載、卸船機荷載、流動運輸機械荷載、船舶荷載、波浪力、施工荷載。

荷載組合時根據(jù)作用在碼頭結(jié)構(gòu)上的作用性質(zhì) （永久作用、可變作用），按可能出現(xiàn)的最不利荷載結(jié)合設(shè)計水位進行組合。分為持久狀況的各種組合、短暫狀況和偶然狀況進行結(jié)構(gòu)計算。

4.1.4 結(jié)構(gòu)主要計算內(nèi)容

（1）結(jié)構(gòu)方案一（重力式沉箱結(jié)構(gòu)）：碼頭主體水工結(jié)構(gòu)主要計算內(nèi)容包括對沉箱底面前趾的抗傾穩(wěn)定性、沿沉箱底面和拋石基床底面的抗滑穩(wěn)定性、基床頂面及基底應(yīng)力，詳細計算結(jié)果見表1。

表1 重力式碼頭主體水工結(jié)構(gòu)主要計算表

經(jīng)計算，碼頭主體水工結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

（2）結(jié)構(gòu)方案二（高樁梁板式結(jié)構(gòu)）：碼頭主體水工結(jié)構(gòu)主要計算內(nèi)容包括碼頭排架計算、縱梁、軌道梁計算。

①碼頭樁力及橫梁內(nèi)力計算結(jié)果，詳見表2～4。

表2 碼頭橫梁、軌道梁計算結(jié)果（承載能力極限狀態(tài)）

表3 碼頭樁力計算結(jié)果（承載能力極限狀態(tài)）

表4 碼頭樁頂及樁底彎矩計算結(jié)果（承載能力極限狀態(tài)）

②樁基承載力計算結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料，碼頭各鉆孔樁的單樁垂直極限承載力設(shè)計值計算結(jié)果見表5。

表5 碼頭單樁垂直極限承載力設(shè)計值

經(jīng)驗算，兩個結(jié)構(gòu)方案均可行。

4.2 結(jié)構(gòu)方案比選

在結(jié)構(gòu)方案均可行的前提下，對方案比選主要是從工程地質(zhì)條件、施工工期、工程造價、使用要求、后期維護等方面進行綜合考慮。

4.2.1 工程地質(zhì)條件方面

根據(jù)地質(zhì)報告顯示，碼頭平臺區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，地勢由南往北傾斜，坡度較陡，覆蓋層厚度分布不均勻，基巖埋藏深淺不一，西側(cè)基巖埋藏較深，東側(cè)基巖埋藏較淺，強風(fēng)化花崗巖層面標(biāo)高介于-20.66m～-44.55m之間，中風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高介于-20.66m～-46.45m之間，巖面高程變化較大，工程性能較好。

由于本工程區(qū)域覆蓋層厚度總體較薄，甚至部分岸段基本無軟土層覆蓋，采用打入樁困難較大，而且覆蓋層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，基樁需采用沖鉆孔灌注樁或嵌巖樁，且在水深較深處還需回填10～100kg塊石進行拋石護樁。鑒于本工程地基為比較堅硬的風(fēng)化花崗巖，具有很高的地基承載力，適合建造重力式結(jié)構(gòu)，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，只需對基床頂面以下進行大量拋填塊石至標(biāo)高即可。

4.2.2 施工工期方面

本工程屬大型水運工程項目，且為業(yè)主碼頭。為盡早發(fā)揮效益，業(yè)主對項目施工工期有比較嚴格的要求。根據(jù)工程地質(zhì)條件，該水工建筑物若采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，則樁基只能采用鉆孔灌注樁或嵌巖樁，無法采用預(yù)制鋼管樁進行沉樁，施工工期上受制約。若采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，施工工藝較簡單，且沉箱可在碼頭后方陸域上進行批量預(yù)制。該結(jié)構(gòu)具有水下工作量少，施工速度快等優(yōu)點，進一步節(jié)省施工工期，符合項目業(yè)主要求。

4.2.3 工程造價方面

重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案的主要工程量是岸壁結(jié)構(gòu)的基床拋石、沉箱內(nèi)回填塊石、后方回填開山石等所需的塊石，需要回填石方數(shù)量約278萬m3。但當(dāng)?shù)厥蟻碓簇S富，塊石可在工程場區(qū)陸域形成時開采、運輸、拋填，十分便捷，也進一步節(jié)省了工程造價。

經(jīng)比對，重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案對應(yīng)的總平面布置方案一，其工程總投資約61526萬元；高樁梁板式結(jié)構(gòu)對應(yīng)的總平面布置方案二，其工程總投資約69683萬元。重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案較高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案，工程造價上省8000多萬元。

4.2.4 使用要求方面

在使用上，重力式沉箱結(jié)構(gòu)較高樁梁板式結(jié)構(gòu)具有堅固耐久、可承受較大的碼頭地面荷載、對碼頭地面超荷載和裝卸工藝變化適應(yīng)性強，結(jié)構(gòu)整體性好、抗震性能強等優(yōu)點。同時，該碼頭工程所在城澳作業(yè)區(qū)盡管水深條件優(yōu)良，但后方高山貼岸，淺灘狹窄，可形成陸域空間十分有限。經(jīng)計算，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案形成的陸域總面積為167951m2;采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案形成的陸域總面積為119768m2。在同等情況下，重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案形成的陸域面積較高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案多近5萬m2。

4.2.5 后期維護方面

在后期維護方面，重力式沉箱結(jié)構(gòu)堅固耐久，使用期維護工作量少；而高樁梁板式結(jié)構(gòu)耐久性較差，防腐要求高，后期維護費用較高。

綜上所述，兩個方案優(yōu)缺點比較見表6。

表6 水工結(jié)構(gòu)方案比選表

本項目地質(zhì)情況較為復(fù)雜，為提高碼頭整體穩(wěn)定性，加快施工進度，減少工序，增加陸域使用面積，碼頭平臺結(jié)構(gòu)推薦采用水工結(jié)構(gòu)方案一，即重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案。

5 結(jié)束語

重力式沉箱結(jié)構(gòu)和高樁梁板式結(jié)構(gòu)是近年來碼頭工程中使用最多的兩種水工建筑物結(jié)構(gòu)型式。在設(shè)計水工建筑物時，在結(jié)構(gòu)驗算滿足規(guī)范要求的前提下，應(yīng)充分結(jié)合項目所在區(qū)域的工程地質(zhì)條件，綜合考慮施工工期要求、工程造價、使用要求等方面，對水工建筑物結(jié)構(gòu)型式進行優(yōu)化比選，使水工建筑物設(shè)計具有良好的經(jīng)濟性和實施性。