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(wàn)噸級(jí)煤碼頭泊位（結(jié)構(gòu)按10萬(wàn)噸級(jí)散貨船設(shè)計(jì)預(yù)留），碼頭長(zhǎng)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(jí)為Ⅱ級(jí)。

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

（5）工程地質(zhì)。

工程場(chǎng)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(jiàn)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(tái)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(guò)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(zhǎng)×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(zhǎng)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(chǎng)預(yù)制，用氣囊出運(yùn)，滾動(dòng)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(jí)配塊石充沉箱內(nèi)部。

（2）碼頭持力層為風(fēng)化巖層或砂層?；弁谥?18.0～-22.5m，基槽開(kāi)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(kāi)挖邊坡為1:4?；坶_(kāi)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(lái)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(zhǎng)度為2m。預(yù)應(yīng)力T型梁長(zhǎng)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(zhǎng)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(tái)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(tái)上部胸墻斷開(kāi)。鋼箱梁固定端與順橋向活動(dòng)端分別通過(guò)固定球型支座與單向活動(dòng)球型支座固定在胸墻上，鋼箱梁?jiǎn)渭亓繛?2t。

（5）碼頭通過(guò)長(zhǎng)53.4 m、寬14.3m引橋與陸域相連，引橋分為高樁墩臺(tái)、高樁梁板引橋段及簡(jiǎn)支板跨三部分。其中高樁墩臺(tái)長(zhǎng)×寬×高=7.5m×14.3m×4.12～4.43m，樁基采用1500mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)支板跨為預(yù)制簡(jiǎn)支板，長(zhǎng)×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(jiàn)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(wàn)噸級(jí)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(jiàn)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]。基槽開(kāi)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(tái)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(kāi)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。