■鄒曉川

（福建省羅嶼港口開發(fā)有限公司，莆田 351100）

湄洲灣港涵江作業(yè)區(qū)某泊位水工建筑物為建設1 號、2 號泊位兩個3 萬噸級通用泊位（碼頭水工結構按5 萬噸級散貨船設計預留）和3 號泊位1 個7 萬噸級散貨泊位及相應的配套設施， 同時1～3 號泊位兼顧1 艘5 萬噸級和1 艘7 萬噸級散貨船靠泊要求。 水工建筑物安全等級均為二級，結構重要性系數(shù)γ0取1.0，碼頭設計使用年限為50 年。 水工建筑物采用重力式沉箱結構，本研究詳細介紹設計需要考慮的要素、方案比選及設計過程。

1 工程概況

1～3 號泊位兼顧1 艘5 萬噸級和7 萬噸級散貨船同時靠泊，設計年通過能力694 萬t，年設計吞吐量為545 萬t，主要承擔涵江區(qū)鋼材、建材、啤酒、豆粕、集裝箱、大麥等貨物運輸。

2 設計條件

2.1 設計荷載

（1）恒載：建筑物自重。（2）均布荷載：30 kN/m2。（3）軌道荷載：40 t 門機為軌距16.0 m，基距12 m，總輪數(shù)32 個，每支腿8 個輪，輪距0.85 m，海側軌中心線距碼頭前沿3.5 m， 兩機之間的最小輪距為1.5 m。自重700 t。工作狀態(tài)（雙機緊鄰作業(yè)）：海側兩個支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿， 陸側兩個支腿輪壓分別為1 000 kN/腿；工作狀態(tài)（單機作業(yè)）：海側兩個支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陸側兩個支腿輪壓分別為3 500 kN/腿和1000 kN/腿；非工作狀態(tài)海側兩個支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陸側兩個支腿輪壓分別為3 500 kN/腿和1 000 kN/腿。（4）運輸車輛：20 t 自卸汽車、40 t/20 t平板車、40 英尺集裝箱拖掛車。 （5）船舶荷載：2 萬噸級集裝箱船、3 萬噸級雜貨船、7 萬噸級散貨船舶，根據《港口工程荷載規(guī)范》進行計算。 （6）水流、波浪力：根據《港口工程荷載規(guī)范》、《海港水文規(guī)范》進行計算。

2.2 工程地質

2.2.1 工程地質條件

從勘察、踏勘分析及區(qū)域資料可知，場地下無活動性斷裂通過，不存在滑坡、泥石流等地質災害，不存在暗埋的地下管道、暗塘、墓穴等對工程不利的地質現(xiàn)象，但場地存在較厚的軟土淤泥。 地面標高自北往南平緩降低，層頂高程：2.64～-0.8 m。軟土淤泥厚度9.30～12.00 m。 淤泥下地層結構自上而下依次為：粉質粘土、中砂、卵石、全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎屑狀強風化花崗巖及中風化花崗巖。

2.2.2 水工建筑物基礎持力層

本工程碼頭為重力式沉箱結構，基床地基持力層擬采用強風化花崗巖作為持力層。

3 結構方案

3.1 結構選型原則

（1）充分考慮工程區(qū)域及周邊地區(qū)的建設條件及自然條件，結構設計滿足碼頭的使用功能和建設工期要求，并盡可能減少對環(huán)境的不利影響。

（2）結合類似碼頭設計的成功經驗，針對本工程水工建筑物的技術特點和難點，通過方案比選并采取相應的技術措施，推薦技術先進、經濟合理、使用方便和耐久性高的結構方案。

（3）分析重力式碼頭結構設計的關鍵技術，如回填材料、倒濾措施、沉降控制、挖泥、后軌基礎等，提出經濟可靠的解決方案。

（4）分析各種設計條件，選擇合理的設計參數(shù)，通過計算和經濟性比較，確定各構件的型式、尺寸。

3.2 結構選型

根據現(xiàn)有的鉆孔資料顯示，擬建工程處的覆蓋土層主要以淤泥和卵石為主，前沿線位置淤泥厚度約10 m，其下主要為卵石層和風化巖層，風化巖層埋深相對較深。 由于本工程1 號、2 號碼頭為2 個3萬噸級（結構按5 萬噸級設計）和3 號碼頭為7 萬噸級泊位，碼頭前沿設計底高程正好處于卵石層或風化巖層位置，通過開挖覆蓋層可達到作為重力式碼頭基礎的持力層， 是理想的重力式碼頭建設條件。 因此水工建筑物采用重力式碼頭結構是合適的，而且本工程碼頭位置的挖泥等疏浚量可用于后方臨港產業(yè)園陸域形成回填工程。

另一種常見的碼頭結構型式——高樁梁板式結構在本工程中應用有明顯的劣勢，通過開挖停泊水域后，碼頭前沿線位置巖層覆蓋層較薄，需大量采用嵌巖樁技術，施工難度大、費用高、結構耐久性差、碼頭接岸結構代價大；因此，本工程擬不采用高樁結構。

目前國內常見的重力式碼頭結構型式有沉箱、方塊及扶壁結構。 方塊碼頭從技術上而言，可以成立，但由于預制件數(shù)量較大，不能滿足快速形成碼頭岸壁的需要。 扶壁結構需要解決施工階段穩(wěn)定問題，受風浪條件、起重能力制約明顯，不適合在本工程采用。 沉箱結構能避免上述問題，不僅施工的穩(wěn)定性及速度有保證，而且鄰近地區(qū)預制廠的出運條件及生產能力對工期均有保證。類似工程和鄰近工程多采用沉箱結構也充分說明這一點。

因此， 本工程碼頭結構選用重力式沉箱結構，并根據墻后填料的不同，進行回填海砂和拋石棱體的重力式沉箱方案的比選。

3.3 碼頭水工結構方案

碼頭平臺采用不帶卸荷板的大型沉箱結構，根據墻后填料的不同，設計兩個方案[1]。3.3.1 碼頭結構方案一（對應總平面布置方案一）

本方案碼頭平臺采用墻后填砂的重力式沉箱方案，1 號、2 號泊位碼頭結構斷面見圖1，3 號泊位碼頭結構斷面見圖2。

圖1 1 號、2 號泊位碼頭結構斷面圖（方案一）

圖2 3 號泊位碼頭結構斷面圖（方案一）

碼頭為連片式布置，1～3 號泊位總長690 m，1 號泊位端部預留延伸段長52.89 m，3 號泊位端部預留延伸段長50.38 m； 碼頭頂面設計標高為+10.0 m，1 ～3 號泊位碼頭前沿設計底高程為-15.61 m，而1 號和2 號泊位碼頭前沿停泊水域設計底高程為-14.21 m，3 號泊位碼頭前沿停泊水域設計底高程為-15.61 m。 根據巖層標高分布情況，選用強風化作為碼頭的持力層。 沉箱安放在拋石基床上，拋石基床塊石重量10～100 kg，厚度大部分為3～5 m，局部達到10.8 m。

沉箱尺寸為長17.55 m、 底寬21.0 m、高18.61 m，單個沉箱重約3 022 t，供布置沉箱45 個。沉箱頂標高均為3.0 m，頂面以上為現(xiàn)澆砼胸墻，胸墻高7 m。 沉箱前倉格-2.0 m 以上采用回填10～50 kg 塊石，其余倉格均回填中粗砂。 沉箱后側拋石基床頂面鋪設混合倒濾層和土工布，其上回填中粗砂（內摩擦角≥28°）。 沉箱采用對接方式，在箱間設置倒濾井，倒濾井采用砼插板和二片石、混合倒濾碎石的結構型式。 碼頭前沿兩軌道之間13.65 m 范圍內面層為現(xiàn)澆砼面層，面層厚度250 mm，其下鋪設5%水泥碎石穩(wěn)定層300 mm、 級配碎石墊層250 mm；后軌后側10.5 m 范圍面層為50 MPa 高強聯(lián)鎖塊， 面層厚度100 mm， 其下鋪設砂墊層50 mm、5%水泥碎石穩(wěn)定層300 mm 及級配碎石墊層250 mm。

門機前軌座落在砼胸墻上；門機后軌采用軌枕道渣結構。

3.3.2 方案二（對應總平面布置方案二）

本方案碼頭平臺采用墻后拋石棱體的重力式沉箱方案，1 號、2 號泊位碼頭結構斷面見圖3，3 號泊位碼頭結構斷面見圖4。

圖3 1 號、2 號泊位碼頭結構斷面圖（方案二）

圖4 3 號泊位碼頭結構斷面圖（方案二）

方案二同方案一的主要區(qū)別在于： 方案二沉箱后側為回填10～100 kg 拋石減壓棱體， 減壓棱體分為兩級，上級減壓棱體底高程為+3.0 m。 減壓棱體坡面表層拋設0.5 m 厚的二片石墊層， 其上再設置5～100 mm 混合倒濾層，倒濾層表層鋪設一層400 g/m2土工布，最后為回填海砂。 沉箱尺寸為長13.9 m、底寬17.65 m、高18.61 m，單個沉箱重約2 026 t。 方案二供布置沉箱55 個，沉箱之間采用平接型式。

4 方案比選

4.1 結構計算

計算內容包括： 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、基床頂面及基底應力，詳細計算結果見表1～2，碼頭整體穩(wěn)定計算詳見表3。

表1 碼頭結構計算成果（方案一，持久組合）

表2 碼頭結構計算成果（方案二，持久組合）

表3 碼頭整體穩(wěn)定性計算結果

4.2 比選結果

兩個結構方案均可行，但在技術、經濟、施工等方面存在差異，兩個方案的主要優(yōu)缺點比較見表4。

表4 水工結構方案比選

為了盡可能縮短工期，實現(xiàn)快速施工，又要盡量避免施工階段可能遇到的施工風險，方案一滿足了方案技術可靠、施工工藝成熟、施工速度快及施工階段穩(wěn)定性高的要求。 故推薦水工結構方案一。

5 結語

泊位水工建筑物結構選型是水運碼頭工程設計研究的重點內容，需要考慮工程區(qū)域及周邊地區(qū)的建設條件和自然條件，綜合考慮經濟性、安全可靠性，通過計算和經濟技術比較，確定各構件的型式、尺寸。 本文通過對碼頭水工建筑物結構選型的研究，希望可以給類似工程提供參考。