■鄢在鋒

（福建省港航勘察設(shè)計院有限公司，福州 350002）

隨著水運(yùn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展， 水上運(yùn)輸繁忙，港區(qū)內(nèi)各類船舶眾多，水上安全監(jiān)管工作繁重，建設(shè)工作船碼頭的需求也日益顯現(xiàn)。 我國東南沿海地區(qū)水位高低變化大，低水位時碼頭結(jié)構(gòu)水上高度高。根據(jù)調(diào)查，部分工作船碼頭在工作船靠泊過程中，船舶隨著潮水升降，存在船舷掛靠碼頭平臺或橡膠護(hù)舷、船舶纜繩吊拉船舶的危險情況，嚴(yán)重影響碼頭的安全運(yùn)營。 一個合理的碼頭設(shè)計方案，能夠提高工作船碼頭運(yùn)營效率，保證碼頭運(yùn)營安全。 對此，本文結(jié)合實際工程案例，總結(jié)設(shè)計方案，可供類似工作船碼頭工程參考。

1 工程概況

1.1 建設(shè)規(guī)模

本工程建設(shè)1 個60 m 級工作船泊位及其相關(guān)配套設(shè)施。

1.2 設(shè)計船型

本工程碼頭需滿足建設(shè)單位現(xiàn)有30 m 級工作船日?？坎匆螅瑫r滿足建設(shè)單位60 m 級工作船不定期靠泊要求，以及考慮后期溢油設(shè)備裝卸船的需要，選取30 m 級工作船、60 m 級工作船、500 t 級溢油回收船為設(shè)計船型。 設(shè)計船型尺度如表1 所示。

表1 設(shè)計船型尺度

由于工作船自身功能的特殊性，船體結(jié)構(gòu)也較為特殊，不同于普通的客運(yùn)或貨運(yùn)船舶，工作船船舷四周設(shè)計有凸出的鋼制防撞設(shè)施，且與船體連成一體，容易掛靠或頂碰相鄰設(shè)施，工作船船艏結(jié)構(gòu)典型斷面如圖1 所示。

圖1 工作船船艏結(jié)構(gòu)典型斷面圖

1.3 裝卸工藝及荷載

1.3.1 裝卸工藝

碼頭除供工作船靠泊及船員上下外，同時考慮溢油應(yīng)急設(shè)備（收油機(jī)、圍油欄、吸油氈、消油劑等）的裝卸船。 碼頭前沿裝卸采用25 t 汽車吊，水平水平運(yùn)輸采用30 t 汽車。

1.3.2 工藝荷載

均布荷載：20 kPa；機(jī)械荷載：30 t 汽車、25 t 汽車吊。

1.4 水文氣象條件

1.4.1 氣象條件

根據(jù)港區(qū)一年的風(fēng)速風(fēng)向觀測，對觀測資料統(tǒng)計分析表明，夏季6—8 月主導(dǎo)風(fēng)向為WSW 向，而9 月至翌年5 月則盛行ENE 和NE 向風(fēng)，全年常風(fēng)向為ENE 和NE 向，頻率分別為26.7%和24.8%，全年平均風(fēng)速4.6 m/s，大風(fēng)主要出現(xiàn)在夏季，冬季東北大風(fēng)較少。 船舶靠泊設(shè)計風(fēng)速取22.6 m/s。

1.4.2 潮位特征值

根據(jù)當(dāng)?shù)馗蹍^(qū)一年的潮位觀測資料統(tǒng)計分析表明，本地潮汐每日兩漲兩落，屬規(guī)則半日潮性質(zhì)。高程基面采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同?潮位特征值具體如下：年最高潮位為7.83 m；年最低潮位為0.18 m；平均高潮位為6.54 m；平均低潮位為1.71 m；平均海平面為4.15 m；平均潮差為4.95 m；大潮平均高潮位為6.79 m；大潮平均低潮位為1.79 m。

1.4.3 設(shè)計水位

設(shè)計水位具體如下：設(shè)計高水位為7.32 m（高潮累積頻率10%）；設(shè)計低水位為0.87 m（低潮累積頻率90%）；極端高水位為8.77 m（五十年一遇高潮位）；極端低水位為－0.24 m（五十年一遇低潮位）。

1.4.4 波浪

根據(jù)本港一年實測波浪資料按《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）[1]方法推求設(shè)計波浪。 綜合分析，確定碼頭前沿設(shè)計波浪要素如表2 所示。

1.4.5 水流

漲潮流向為SW 向，落潮流向為NE，漲潮實測流速達(dá)1.51 m/s，流向255°，落潮實測流速達(dá)0.91 m/s，流向78°，設(shè)計流速取2.0 m/s。

1.5 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露，主要巖土層為淤泥質(zhì)土混砂①、粉砂①-1、淤泥質(zhì)粘土②、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖③、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖④、中微風(fēng)化花崗巖⑤。 地基各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)如表3 所示。

表3 地基各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.6 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

場區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，所屬設(shè)計地震分組為第三組。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 結(jié)構(gòu)型式選擇

碼頭結(jié)構(gòu)型式的選擇應(yīng)統(tǒng)籌考慮泊位的功能、使用要求、結(jié)構(gòu)安全、與相鄰工程的關(guān)系等。 擬建工程區(qū)覆蓋層為淤泥質(zhì)土混砂， 覆蓋層下為強(qiáng)風(fēng)化巖，區(qū)域覆蓋土層厚薄不一，厚度10～20 m，泥面、巖面起伏較大，泥面高程－14～0 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖面高程－18～－24 m。本工程緊靠港區(qū)已建碼頭，已建碼頭前沿設(shè)計底高程為－14.1 m， 碼頭面頂高程為10.4 m，碼頭平臺寬30 m，碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，樁基為直徑1.2 m PHC 嵌巖樁。 根據(jù)現(xiàn)場實際情況，碼頭結(jié)構(gòu)型式采用灌注樁基礎(chǔ)的高樁梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭面高程取與已建碼頭相同為10.4 m。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

工程區(qū)域設(shè)計高低水位差達(dá)6.45 m，水位高低變化大，低水位時碼頭結(jié)構(gòu)水上高度高。 根據(jù)對周邊沿海工作船碼頭使用情況的調(diào)查，部分工作船碼頭在工作船靠泊過程中，船舶隨著潮水升降，存在船舷掛靠碼頭平臺或橡膠護(hù)舷、船舶纜繩吊拉船舶的危險情況。 為消除工作船靠泊時的危險因素，提高工作船碼頭運(yùn)營效率，保證碼頭運(yùn)營安全，對碼頭結(jié)構(gòu)及設(shè)施進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，提出新的針對性的解決方案。

由于工作船噸位較小，船舶干舷較低（30 m 級工作船干舷1.1 m），設(shè)計低水位工作船甲板面與碼頭面最大高差達(dá)到8.43 m。 ?？吭诖a頭的工作船隨著潮水降低，船舶纜繩逐漸拉緊，容易發(fā)生纜繩吊拉船舶的危險情況，系泊風(fēng)險較大。 為消除纜繩吊拉船舶的風(fēng)險，考慮在碼頭平臺前沿設(shè)置下沉系纜平臺，降低系纜平臺高程，同時保證系纜平臺在年最高潮位（7.83 m）時不被淹沒。 下沉系纜平臺高程綜合考慮取8.4 m（7.83 m＋波浪、增水等因素的富裕高度0.57 m），較碼頭平臺頂面下降2.0 m，縮小設(shè)計低水位時工作船甲板面與系纜平臺面高差至6.43 m，能夠有效防止纜繩吊拉船舶；下沉系纜平臺寬度考慮工作人員通行及系解纜作業(yè)方便，同時結(jié)合整體結(jié)構(gòu)設(shè)計取2.4 m。

由于工作船自身功能的特殊性，船體結(jié)構(gòu)也較為特殊，不同于普通的客運(yùn)或貨運(yùn)船舶，工作船船舷四周設(shè)計有凸出的鋼制防撞設(shè)施，且與船體連成整體。 ?？吭诖a頭前沿的工作船隨著潮水升降，船舷四周凸出設(shè)施易掛靠下沉系纜平臺或掛靠頂碰橡膠護(hù)舷，從而發(fā)生危險。 為消除船舶掛靠下沉系纜平臺的風(fēng)險， 在下沉系纜平臺前沿增設(shè)靠船立柱，立柱頂面高程應(yīng)保證極端高水位（8.77 m）時最大工作船（60 m 級工作船干舷1.9 m）不會掛靠立柱頂面，立柱頂面高程綜合考慮取10.9 m（8.77 m＋1.9 m+富裕高度0.23 m）。 為消除船舶掛靠頂碰橡膠護(hù)舷的風(fēng)險，在船舷四周凸出設(shè)施隨潮水升降高度范圍內(nèi)的橡膠護(hù)舷，端部采用30°的斜面設(shè)計，防止船舷四周凸出設(shè)施掛靠頂碰橡膠護(hù)舷，保證工作船系泊安全。

2.3 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.3.1 結(jié)構(gòu)方案

碼頭平臺采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭面設(shè)計頂高程取與已建碼頭面高程相同為10.40 m，設(shè)計底高程－4.50 m，碼頭平臺長80.0 m、寬20.0 m，排架間距8.5 m，共10 個排架。 每個排架設(shè)置3 根直樁，間距7.5 m，樁基采用直徑1.2 m 的灌注樁，樁基持力層為中風(fēng)化花崗巖，樁基進(jìn)入持力層有效深度不小于3.0 m。

標(biāo)準(zhǔn)排架樁基上部設(shè)置樁帽，踏步位置處排架樁基上部設(shè)置下層橫梁及立柱，樁帽或立柱上部設(shè)置橫梁、縱梁、疊合面板、磨耗層等。 碼頭前沿下部設(shè)置靠船構(gòu)件、縱撐，碼頭前沿上部設(shè)置下沉系纜平臺。碼頭前沿下沉系纜平臺高程8.4 m，寬度2.4 m。下沉系纜平臺前沿設(shè)置靠船立柱， 立柱頂面高程10.9 m。灌注樁混凝土強(qiáng)度等級采用C35，其余結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級采用C40。

2.3.2 附屬設(shè)施

碼頭前沿設(shè)置橡膠護(hù)弦，橡膠護(hù)舷采用DAB400H 低反力型，護(hù)弦設(shè)計壓縮變形47.5%，吸能量為36 kJ，反力為236 kN，設(shè)計船型最大靠泊速度不大于0.30 m/s。 位于系纜平臺面、踏步橫梁面的橡膠護(hù)舷，端部采用30°的斜面設(shè)計，防止船舷四周凸出設(shè)施掛靠頂碰橡膠護(hù)舷，保證工作船系泊安全。 系船柱采用250 kN 系船柱，在風(fēng)速大于9 級風(fēng)（v＝22.6 m/s）時，船舶應(yīng)離開碼頭去錨地避風(fēng)。 為便于工作人員上下船舶，下沉系纜平臺內(nèi)側(cè)設(shè)置寬1.0 m 的鋼制人行踏步，與碼頭面銜接，在下沉系纜平臺前沿設(shè)置寬2.4 m 的人行踏步，與工作船銜接，每級臺階高0.16 m、寬0.3 m。

碼頭結(jié)構(gòu)立面如圖2 所示，碼頭結(jié)構(gòu)A-A 斷面如圖3 所示，碼頭結(jié)構(gòu)B-B 斷面如圖4 所示，碼頭結(jié)構(gòu)C-C 斷面如圖5 所示。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)立面圖

圖3 碼頭結(jié)構(gòu)A-A 斷面圖

圖4 碼頭結(jié)構(gòu)B-B 斷面圖

圖5 碼頭結(jié)構(gòu)C-C 斷面圖

3 結(jié)構(gòu)計算

根據(jù) 《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 167-2018）[2]、《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）[3]的有關(guān)內(nèi)容，對優(yōu)化設(shè)計后的工作船碼頭平臺橫向排架、縱梁、面板的內(nèi)力進(jìn)行分析計算，碼頭平臺橫向排架計算結(jié)果如表3 所示，碼頭平臺縱梁、面板計算結(jié)果如表4 所示。

表4 碼頭平臺橫向排架計算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果及設(shè)定的構(gòu)件尺寸，結(jié)合《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 151-2011）[4]的有關(guān)規(guī)定，對構(gòu)件的承載能力極限、正常使用極限等進(jìn)行分析計算，構(gòu)件正截面和斜截面等承載力滿足受力要求，橫梁、縱梁、靠船構(gòu)件等最大撓度不大于l0/600，面板最大撓度不大于l0/300，大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)構(gòu)件最大裂縫寬度分別不大于0.2 mm、0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm，構(gòu)件尺寸能夠滿足受力要求，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。 本工作船碼頭已完成施工圖設(shè)計并通過審查，同時順利完成工程施工，現(xiàn)已投入運(yùn)營，目前運(yùn)營情況良好，成效明顯，達(dá)到設(shè)計效果。

4 結(jié)語

本項目根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件、 水文氣象條件等，結(jié)合裝卸工藝、靠泊船型等，對工作船碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，碼頭結(jié)構(gòu)采用灌注樁基礎(chǔ)的高樁梁板式結(jié)構(gòu)。 同時針對現(xiàn)有大水位差工作船碼頭在工作船靠泊過程中，船舶隨著潮水升降，存在船舷掛靠碼頭平臺或橡膠護(hù)舷、 船舶纜繩吊拉船舶的危險情況，對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，主要成果如下：（1）工作船噸位較小，船舶干舷較低，?？吭诖a頭的工作船隨著潮水降低，船舶纜繩逐漸拉緊，容易發(fā)生纜繩吊拉船舶的危險情況。 為消除纜繩吊拉船舶的風(fēng)險，在碼頭平臺前沿設(shè)置下沉系纜平臺，降低系纜平臺高程，縮小設(shè)計低水位時工作船甲板面與系纜平臺面高差，能夠有效防止纜繩吊拉船舶。 （2）工作船船舷四周設(shè)計有凸出的鋼制防撞設(shè)施，且與船體連成整體。 停靠在碼頭前沿的工作船隨著潮水升降，船舷四周凸出設(shè)施易掛靠下沉系纜平臺，從而發(fā)生危險。 為消除船舶掛靠下沉系纜平臺的風(fēng)險，在下沉系纜平臺前沿增設(shè)靠船立柱，立柱頂面高程應(yīng)高于極端高水位時最大工作船船舷頂面。 （3）為防止船舷四周凸出設(shè)施掛靠頂碰橡膠護(hù)舷，在船舷四周凸出設(shè)施隨潮水升降高度范圍內(nèi)的橡膠護(hù)舷，端部采用30°的斜面設(shè)計。（4）優(yōu)化的碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎、合理，建成后滿足使用要求，達(dá)到預(yù)期效果，成效顯著。 本項目碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可為類似的大高差沿海工作船碼頭的工程設(shè)計提供參考，提高工作船碼頭的運(yùn)營效率，促進(jìn)航運(yùn)事業(yè)發(fā)展。