鄧 薔

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

隨著我國原油進出口行業(yè)的繁榮，港口船舶貿易量也急劇增長，年進口原油的數量早已突破1億t大關[1]，隨之而來的是較為嚴重的船舶溢油污染風險。近年來，我國港口溢油事故呈現上升趨勢，碼頭通常是溢油事故頻發(fā)區(qū)域，因此應作為防控的重點地段。

目前，我國港口油品碼頭已逐步建立了溢油應急設備庫。根據《港口碼頭水上污染事故應急防備能力要求》[2]《國家船舶溢油應急設備庫設備配置管理規(guī)定(試行)》[3]以及《船舶溢油應急能力評估導則》[4]的要求，在碼頭投入使用前應配備滿足標準所規(guī)定數量的應急設備及物資，科學設置應急庫和工作船碼頭。一旦發(fā)生事故，能夠快速響應，迅速將污染物控制在港區(qū)范圍內，最大限度減少事故溢油擴散面積以及對周邊海域水質和生態(tài)環(huán)境的影響。

根據《盤錦市防治船舶及其有關作業(yè)活動污染海洋環(huán)境應急能力建設規(guī)劃(2018—2025年)》[5]，榮興港區(qū)規(guī)劃建設能覆蓋轄區(qū)和30萬噸級原油碼頭的二級應急設備存儲體系，包括：水域部分新建一座應急工作船碼頭及其配套設施，陸域部分新建應急設備庫、固體廢棄物倉庫、含油污水罐、回收物資暫存場地等設施及其配套設施。

本文僅針對該擬建應急泊位工程碼頭結構設計要點進行分析，為同類工程提供借鑒。

1 工程區(qū)建設條件

1.1 設計要求

按四道溝水文站實測驗潮資料和1952—1972年潮位極值資料，本工程水位為：設計高水位4.25 m，設計低水位0.19 m，極端高水位5.32 m，極端低水位-0.52 m。

工程位于遼河口西側，盤錦港榮興港區(qū)西作業(yè)區(qū)西二突堤南端，靠近西防波堤一側，波浪掩護條件較好。常浪向和強浪向均為SSW向，設計波浪重現期為50 a時，碼頭前沿H1%波高達1.35 m，波浪平均周期為6.8 s。

1.2 潮位和海流

港區(qū)潮型屬規(guī)則半日潮。平均漲潮歷時5 h左右，平均落潮歷時7～8 h，落潮歷時大于漲潮歷時。受口門環(huán)流影響，最大橫流流速0.36 m/s。

1.3 冰況

遼東灣是我國所處緯度最高的海區(qū)，也是我國冰情最嚴重的區(qū)域。港區(qū)位于遼東灣頂部，冰情更為嚴重。

由于港區(qū)位于河流入海口，水深流急，海冰不易固結。在正常年份，除近岸約有長5 km的固定冰帶外，其余均為流冰。浮冰帶在風、流等綜合作用下往復運動。流冰方向、速度和風、潮流的方向密切相關，在冰情嚴重期，可出現厚度超過10 cm的灰冰、灰白冰、白冰。

2009—2010年冬季，盤錦遭遇了前所未有的低溫，最低氣溫為-24.8 ℃，創(chuàng)3年來的最低值。盤錦港同時遭遇了嚴重海冰災害，據2010年1月的現場觀測結果，港區(qū)全部封凍，最大冰厚達50 cm。

結合當地海冰情況及《港口工程荷載規(guī)范》[6]，設計冰厚采用47.6 cm。

1.4 地質

工程地處遼河三角洲前緣，海陸交互頻繁，地層成因復雜，表層主要以第四系海相沉積層為主。整個場地揭露的土層自上而下為：淤泥層頂高程約為-5.8 m，平均層厚3.8 m；淤泥質粉質黏土平均層厚3.3 m；粉土平均層厚2.4 m；中密-極密實粉細砂平均層厚10.8 m，標貫擊數為23擊；粉質黏土平均層厚1.4 m，標貫擊數為17擊；極密實粉細砂層頂高程約為-27.5 m，平均層厚22.8 m，標貫擊數為44擊。各層樁基參數見表1。

表1 樁基參數

1.5 地震

該地區(qū)地震抗震設防烈度為7度，場地類別為Ⅲ類。根據《水運工程抗震設計規(guī)范》[7]和《中國地震動參數區(qū)劃圖》[8]有關規(guī)定，Ⅱ類場地地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.40 s。根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》表1和附錄E調整后，本工程地震動峰值加速度值為0.172 5g，特征周期為0.55 s。

1.6 工藝荷載

考慮20 kPa的碼頭均載和流動機械荷載，包括40 t汽車吊、10 t平板拖車和5 t叉車。

2 建設規(guī)模

根據盤錦市海洋污染應急能力的建設需求和港區(qū)30萬噸級原油碼頭應急設備的配備需求，擬新建一個應急泊位及其配套設施，其碼頭長度135 m、平臺寬度12 m、頂高程6 m，通過東、西兩側兩座棧橋與后方陸域相接。

根據盤錦港現有工作船舶使用情況及國內溢油應急船發(fā)展現狀及趨勢，結合港區(qū)30萬噸級原油碼頭對所需溢油回收船能力的要求，預計到港溢油應急船長度為70 m左右；除溢油應急船外，其他工作船如拖消船、圍油欄布放艇、小型油污水回收船長度在10～40 m。設計船型主尺度見表2。

表2 設計船型主尺度

3 設計要點

3.1 結構方案選取

根據工程地質勘探資料揭示，下層粉細砂層呈極密實狀態(tài)，分布普遍且層位穩(wěn)定，厚度較大、力學指標較高，宜作為碼頭基礎持力層。

根據地基情況，本工程宜采用樁基結構或重力式結構。由于工程位置處水深較淺，泥面高程在-6～-5 m，重力式結構挖泥量較大，工程造價較高。另外，樁基結構可減少碼頭立面對波浪反射，避免惡化水域條件，因此，本工程考慮樁基結構方案。碼頭標準斷面如圖1所示。

圖1 碼頭標準斷面(高程：m；尺寸：mm)

3.2 樁基設計

為滿足樁基承載力要求，樁基須伸入極密實粉細砂層，常規(guī)的預應力高強混凝土樁(PHC樁)、大管樁等施工難度較大、抗超載能力弱，沉樁較為困難，施工速度難以保證；且本工程位于北方凍融地區(qū)，從樁基耐久性及承受水平荷載能力方面綜合考慮，碼頭平臺基礎選用鋼管樁結構。

樁基內力計算采用豐海PJFX碼頭排架綜合分析計算軟件，計算模式為上端固接、下端彈性嵌固的平面剛架。樁基抗壓承載力采用經驗參數法確定，抗拔承載力按打入樁計算；本工程碼頭工作平臺長135 m，根據《碼頭結構設計規(guī)范》[9]宜分兩個結構段，考慮工作船碼頭特點，排架間距不宜過大，本次提出兩種不同樁基布置方案進行比較：

1)方案1共23榀排架，排架間距6 m，每榀排架基礎采用3根φ800 mm鋼管樁，其中碼頭前沿為1對叉樁，斜率分別為6:1和4:1，碼頭后沿1根直樁，每個結構段兩側各設置2組縱向叉樁，樁底高程均為-42.0 m。

2)方案2共26榀排架，排架間距5.25 m，每榀排架基礎采用3根φ700 mm鋼管樁，其他同方案1。

兩方案差別在于排架間距和樁徑。經計算，樁基內力均滿足承載能力設計要求，綜合比較，方案1更經濟且打樁數量少、施工更快，因此選用方案1。

3.3 系纜設計

為減少低水位情況下小型船舶吊纜情況，滿足拖消船等的安全系泊，本工程每隔20～30 m設雙層系纜平臺，系纜設施均采用250 kN系船柱。上層系纜平臺頂高程為6.0 m；下層系纜平臺頂高程為3.8 m，位于港區(qū)平均高潮位以上0.5 m處，以保證其使用率。并通過設置安全防護欄桿和防滑臺階，及時除冰等措施解決下層系纜平臺冬季易結冰的問題。雙層系纜平臺如圖2所示。

圖2 雙層系纜平臺斷面(高程：m；尺寸：mm)

3.4 抗震設計

經計算，碼頭平臺水平地震慣性力標準值為464 kN。本工程采用橫向排架設置1對叉樁和1根直樁，以抵抗橫向水平地震慣性力；碼頭每個結構段兩側布置2組縱向叉樁，以抵抗縱向水平地震慣性力。

3.5 抗冰設計

工程所在地多為流冰作用，流冰產生冰壓力相對較小。冰排作用情況的極限冰壓力對結構破壞性最強。

首先核算冰排在直立樁、樁帽前連續(xù)擠碎時極限冰壓力，冰排作用在靠近碼頭前沿的第1根叉樁上的極限擠壓冰力標準值為514 kN，作用在樁帽上的極限擠壓冰力標準值為982 kN，樁基內力均滿足承載能力設計要求；其次，下層系纜平臺預制走道板的迎冰面設計為棱角形，夾角為90°，迎冰面形狀系數將折減為0.69，有效減小了極限擠壓冰力。預制走道板結構如圖3所示。

4 結語

1)此類配套應急泊位工程，既要滿足其服務港區(qū)或碼頭溢油應急狀態(tài)的處置要求，又要兼顧傳統(tǒng)工作船泊位的屬性?？v觀全國，港口碼頭溢油應急能力建設工作已經取得一定成果，但僅有少數油品碼頭配備了專業(yè)溢油應急處置船，絕大多數碼頭的溢油應急措施仍局限于少量的吸油氈和消油劑。為響應國家和行業(yè)標準，該應急泊位碼頭應運而生，具有很強的代表性和可參照性。

2)工程區(qū)域自然水深較淺，以砂質地基為主，持力層標貫擊數大且地處北方凍融地區(qū)承受水平荷載較大，因此采用樁基基礎為鋼管樁的高樁梁板式碼頭結構。考慮到可能出現地震慣性力作用，橫向排架和縱向排架方向均設置叉樁。

3)針對小型船舶干舷頂高程較低的情況，多采用雙層或多層系纜平臺設計，以滿足不同水位不同尺度船舶的系纜要求。下層系纜平臺頂高程的確定應綜合考慮系纜和水文因素，盡量保證使用率。下層系纜平臺冬季易結冰問題不容忽視，通過設置安全防護欄桿、防滑臺階和及時除冰等措施解決。

4)該碼頭地處遼東灣頂部，冰情嚴重。設計中，考慮將下層走道板迎冰面設計為棱角形以有效抵抗冰荷載。為了保證結構安全，冬季重冰期應及時啟動破冰船等有效的保障措施，避免形成冰排，同時碼頭頂面也應采取防滑措施。