劉潛兵，柏龍武

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

深水重力式海港碼頭與引堤銜接段結(jié)構(gòu)選型

劉潛兵，柏龍武

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

文章基于建設(shè)條件與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)篩選出了斜坡式與直立式兩種結(jié)構(gòu)方案，并分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行波浪特性分析，從兩方案的泊穩(wěn)條件、工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行比較。結(jié)果表明，兩方案均滿足港池泊穩(wěn)條件以及碼頭作業(yè)天數(shù)要求，而直立堤結(jié)構(gòu)方案的造價(jià)比斜坡堤方案造價(jià)低。相關(guān)結(jié)論可供類似深水重力式海港碼頭與引堤銜接段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；直立式沉箱；波浪力；物理試驗(yàn)；泊穩(wěn)條件；抗滑、抗傾穩(wěn)定

節(jié)能減耗是目前水運(yùn)工程的發(fā)展趨勢(shì)與重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-3]，而科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)選型是滿足碼頭作業(yè)泊穩(wěn)條件、降低工程造價(jià)的重要保障[4]。

本文以廣東雷州某深水海港碼頭工程的碼頭平臺(tái)與引堤銜接段為研究對(duì)象，采用常用的斜坡式結(jié)構(gòu)與直立堤式結(jié)構(gòu)為研究方案，從泊穩(wěn)條件、工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面進(jìn)行綜合對(duì)比，進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的選型研究。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

廣東雷州某碼頭工程位于廣東省雷州半島雷州市中西部沿海，地處雷州市西南部烏石鎮(zhèn)港，面向北部灣。

該工程擬新建1座10萬(wàn)噸級(jí)煤炭碼頭和1座3 000噸級(jí)重件碼頭，在煤炭碼頭和重件碼頭之間通過(guò)實(shí)體引堤過(guò)渡銜接（圖1）。水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，碼頭設(shè)計(jì)使用年限50 a。

1.2 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)水位[5-6]（自海域理論最低潮面起算）：

設(shè)計(jì)高水位為2.67 m（高潮累計(jì)頻率10%）；

圖1 工程平面布置示意圖Fig.1 Sketch map of project layout

設(shè)計(jì)低水位為-0.89 m（低潮累計(jì)頻率90%）；

極端高水位為4.07 m（重現(xiàn)期為50 a）；

極端低水位為-1.71 m（重現(xiàn)期為50 a）。

1.3 主要設(shè)計(jì)荷載

碼頭過(guò)渡段設(shè)計(jì)荷載主要有流動(dòng)機(jī)械荷載和波浪荷載。其中流動(dòng)機(jī)械荷載主要包括20 t汽車荷載以及25 t牽引平板車荷載；波浪荷載主要包括迎浪面水平?jīng)_擊力與豎向浮托力，該值通過(guò)各工況下的物理模型試驗(yàn)測(cè)得。

1.4 設(shè)計(jì)波浪要素

設(shè)計(jì)波浪要素見表1所示。

表1 設(shè)計(jì)波要素Table 1 Design wave elements

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

重件碼頭至煤炭碼頭銜接段長(zhǎng)223.7 m，根據(jù)工程實(shí)際建設(shè)條件分別采用斜坡式結(jié)構(gòu)與直立堤式結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

2.1 斜坡式結(jié)構(gòu)

斜坡堤堤頂凈寬20 m，高16.8 m，兩邊斜坡坡比均為1∶1.5，邊坡先依次堆砌1.0 m厚與1.3 m厚2層塊石，坡面上再用2.4 m厚扭王塊護(hù)面，斜坡堤堤頂設(shè)有鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程為11.7 m（圖2）。

圖2 斜坡式結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Slope structure section

2.2 直立堤式結(jié)構(gòu)

直立堤采用沉箱結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)沉箱尺寸24.4 m× 18.65 m×19 m（16 m），單個(gè)沉箱最大質(zhì)量3 882 t，倉(cāng)格內(nèi)采用中粗砂回填，臨海側(cè)透水孔以上回填塊石，并鋪設(shè)倒濾層。沉箱頂部高程為1.20 m，其上方設(shè)置鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程港池側(cè)和外海側(cè)均為12.0 m。沉箱底部采用拋石基床，為暗基床形式，基床開挖高程至-23.8 m，其沉箱兩側(cè)泥面按1∶2進(jìn)行放坡，整個(gè)基礎(chǔ)采用夯填10～100 kg塊石?；采习卜艑?shí)體沉箱，沉箱兩側(cè)采用柵欄板、扭王字塊壓腳。防浪墻后碼頭過(guò)渡段頂面高程為6.5 m；沉箱兩側(cè)坡腳分別采用200～300 kg塊石進(jìn)行護(hù)底（圖3）。

3 波浪特性物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證兩種結(jié)構(gòu)形式下碼頭港區(qū)內(nèi)泊穩(wěn)條件、銜接段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全并測(cè)量相關(guān)波浪荷載，建立了物理模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

圖3 直立堤式結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.3 Verticalbreakwater structure section

物理模型試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所海洋工程研究中心水工廳完成，根據(jù)模型試驗(yàn)范圍、試驗(yàn)研究目的、場(chǎng)地要求、相似性原理所要求的水流流態(tài)、表面張力等條件[7]，本模型采用平面比尺和垂直比尺相等的正態(tài)模型，其中，幾何比尺為1∶40，流量比尺為1∶252.98，時(shí)間比尺為1∶6.32，糙率比尺為1∶1.92。

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)68.0 m，寬1.0 m，高1.5 m。造波機(jī)為電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)推板吸收式造波機(jī)（圖4）。

圖4 風(fēng)浪水槽布置圖Fig.4 Wind-wave flume arrangement

3.2 波浪模擬

試驗(yàn)波浪主要采用頻譜不規(guī)則波，波譜采用JONSWAP譜[8]，譜的表達(dá)式為：

式中：S（f）為譜密度；f為頻率；βJ為水面比降修正系數(shù)；TP為完整波周期；fP為峰頻；H1/3為有效波高；TH1/3為有效波周期；γ為譜峰因子，取3.3；σ為峰形參數(shù)。

水槽兩端均設(shè)有消波裝置，同時(shí)設(shè)有連通管，以使試驗(yàn)過(guò)程中模型兩側(cè)的水位保持不變。模型高程用水準(zhǔn)儀控制，長(zhǎng)度用鋼尺測(cè)量，波高采用波高傳感器，并通過(guò)SG2008型動(dòng)態(tài)水位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)波高進(jìn)行采集分析，波壓力數(shù)據(jù)通過(guò)2008型點(diǎn)壓力傳感器采集。

3.3 波浪率定

不規(guī)則波采用頻譜模擬[9]，將給定的有效波高及周期送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行波譜模擬，經(jīng)過(guò)修正后，使峰頻附近譜密度、峰頻、譜能量、有效波高等滿足試驗(yàn)規(guī)程要求[10]。即：

1）波能譜總能量的允許偏差為±10%；

2）峰頻模擬值的允許偏差為±5%；

3）在譜密度≥0.5倍譜密度的范圍內(nèi)，譜密度分布的允許偏差為±15%；

4）有效波高、有效波周期或譜峰周期的允許偏差為±5%；

5）模擬的波列中1%累積頻率波高、有效波與平均波高比值的允許偏差為±15%。

每組波要素的波列都保持波個(gè)數(shù)在100以上，根據(jù)試驗(yàn)要求，針對(duì)不同斷面，在各個(gè)水位依據(jù)給定的波浪要素進(jìn)行率定，將最后得到的造波參數(shù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)對(duì)應(yīng)率定好的造波信號(hào)進(jìn)行造波。

4 結(jié)構(gòu)選型研究

通過(guò)對(duì)2種結(jié)構(gòu)形式的泊穩(wěn)條件、工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行比較，在滿足泊穩(wěn)與結(jié)構(gòu)安全條件的前提下，選擇造價(jià)低的結(jié)構(gòu)形式。

4.1 泊穩(wěn)條件分析與對(duì)比

4.1.1 預(yù)留波能緩沖消散區(qū)

模擬工程2種結(jié)構(gòu)形式的整體平面布置，進(jìn)行波浪整體穩(wěn)定試驗(yàn)，驗(yàn)證工程實(shí)施后的港內(nèi)泊穩(wěn)條件。見圖5、圖6。

圖5 波浪整體穩(wěn)定物理試驗(yàn)Fig.5 The overallstable physicaltest on waves

圖6 兩方案預(yù)留波能緩沖消散區(qū)Fig.6 Wave energy reserved buffer dissipation area of the two schemes

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)煤炭泊位停泊水域及過(guò)渡段引堤內(nèi)側(cè)12號(hào)、13號(hào)、15號(hào)、32號(hào)進(jìn)行布點(diǎn)，針對(duì)過(guò)渡段兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行泊穩(wěn)分析，在NNW向浪作用下，波浪沿煤碼頭傳播，遇過(guò)渡段反射后在局部形成波能集中區(qū)，過(guò)渡段為斜坡式結(jié)構(gòu)時(shí)反射作用較直立式結(jié)構(gòu)稍弱，其它方向波浪由于前沿煤炭泊位的掩護(hù)，對(duì)港池基本無(wú)影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定相近泊穩(wěn)條件下，直立堤和斜坡堤方案波能緩沖消散區(qū)分別約為40 m和30 m。原斜坡堤方案放坡占用67 m水域長(zhǎng)度，已包括30 m范圍，直立堤無(wú)需考慮放坡影響。

4.1.2 作業(yè)天數(shù)分析

結(jié)合泊穩(wěn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各結(jié)構(gòu)方案下煤炭碼頭作業(yè)天數(shù)進(jìn)行分析，并列于表2。

表2 各結(jié)構(gòu)方案下碼頭作業(yè)天數(shù)對(duì)比Table 2 The terminaloperation days contrast under each structure scheme

分析表2可知，銜接段采用直立式結(jié)構(gòu)時(shí)，每年碼頭前H4%波高大于1.2 m的出現(xiàn)天數(shù)為25.4 d；過(guò)渡段采用斜坡式結(jié)構(gòu)時(shí)，每年碼頭前H4%波高大于1.2 m的出現(xiàn)天數(shù)為19.1 d。同時(shí)考慮各因素重疊發(fā)生的情況后分別為60 d和55 d，確定煤炭碼頭1 a不可作業(yè)天數(shù)分別有60 d和55 d，即碼頭年可作業(yè)天數(shù)直立堤方案與斜坡堤方案分別為305 d和310 d，均能滿足≥300 d作業(yè)天數(shù)的要求。

4.2 工程造價(jià)對(duì)比

根據(jù)工程所在地各類建材實(shí)際價(jià)格，以及兩種方案的工程量，將其工程造價(jià)對(duì)比列于表3。

由表3可知，直立堤方案比斜坡堤方案節(jié)省工程造價(jià)1 126.52萬(wàn)元，節(jié)約比例高達(dá)10.5%。

表3 兩結(jié)構(gòu)方案下工程造價(jià)對(duì)比Table 3 The engineering costcontrast of the two structure schemes

4.3 直立堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗(yàn)證

由之前分析可知，兩方案均滿足港區(qū)泊穩(wěn)條件與作業(yè)天數(shù)要求，而直立堤方案造價(jià)明顯低于斜坡堤結(jié)構(gòu)，因此，只要驗(yàn)證直立堤方案滿足抗滑抗傾穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)安全，就可采取該方案。本節(jié)將從物理模型試驗(yàn)和借助理正軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行驗(yàn)證。

4.3.1 沉箱、胸墻、碼頭頂面受力試驗(yàn)

針對(duì)直立式實(shí)體沉箱和其上方胸墻迎浪面、頂面，在極端高水位4.07 m、設(shè)計(jì)高水位2.67 m、設(shè)計(jì)低水位-0.89 m和極端低水位-1.71 m重現(xiàn)期50 a波浪作用下進(jìn)行波浪力的測(cè)量，得出沉箱水平力和浮托力分布結(jié)果，胸墻迎浪面水平力和碼頭頂面受到的沖擊力，以及胸墻、沉箱和碼頭頂面為一整體時(shí)受到的水平、豎向總力。將試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

表4 結(jié)構(gòu)段最大特征力試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of the max characteristics force

分析表4可知，在重現(xiàn)期50 a波浪作用下，受越浪的影響，碼頭頂面所受沖擊力，極端高水位時(shí)最大，極端低水位時(shí)最小，最大沖擊力為454 kN/m；沉箱和胸墻的受力均在設(shè)計(jì)高水位時(shí)最大，即沉箱所受水平力最大為1 574 kN/m，此時(shí)箱底浮托力為578 kN/m；胸墻受到最大水平力為949 kN/m，主要原因是在極端高水位時(shí)越浪量較大，減少了對(duì)沉箱的沖擊，而低水位時(shí)，波浪沖擊沉箱位置也減小。

將表4數(shù)據(jù)與直立式沉箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行對(duì)比可知，在各種工況下，結(jié)構(gòu)段所受最大特征力均小于設(shè)計(jì)承載力，直立式沉箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。

另外，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉箱與胸墻整體所受的最大總水平力和總豎向力與沉箱所受最大水平力和浮托力表現(xiàn)在同一時(shí)刻。

4.3.2 越浪試驗(yàn)

在低水位波浪作用下，由于堤前水位較低，入射波浪雖然不能直接越過(guò)胸墻頂，但由于沉箱為實(shí)體直立式結(jié)構(gòu)，因此在波浪連續(xù)沖擊沉箱后形成垂直上升的水體，上升水體跌落后，大部分水體被反射回海側(cè)，少量水體則越堤，形成越浪。

在高水位波浪作用下，隨著堤前水深和入射波高的增加，則波浪能直接越過(guò)堤頂，水體跌落至堤后，尤其是重現(xiàn)期50 a波浪作用。

波浪作用下堤頂越浪試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同水位波浪作用下堤頂越浪量Table 5 The wave overtopping ofcrest under the wave action of differentwater level

4.3.3 護(hù)底穩(wěn)定性試驗(yàn)

在各水位波浪作用下，通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)可得，即使在極端低水位，200～300 kg護(hù)底塊石表面上方淹沒水深仍達(dá)16.09 m，因此在波浪連續(xù)作用下，波浪對(duì)塊石穩(wěn)定性影響不大，波浪連續(xù)作用3 h，200～300 kg護(hù)底塊石保持穩(wěn)定。

4.3.4 穩(wěn)定性計(jì)算

基于基礎(chǔ)資料以及波浪特性物理模型試驗(yàn)結(jié)果，借助軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果列于表6。

分析表6可知，在各工況下，直立式沉箱結(jié)構(gòu)碼頭過(guò)渡段的抗滑、抗傾安全系數(shù)均高于規(guī)范要求，地基沉降量較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。

表6 直立式沉箱結(jié)構(gòu)碼頭過(guò)渡段穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 6 Stability calculation results ofthe transition period ofverticalcaisson structure terminal

5 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)工程建設(shè)條件以及以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，銜接段宜采用斜坡式或者直立堤式結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)物理模型試驗(yàn)，兩方案均滿足港池泊穩(wěn)條件以及碼頭作業(yè)天數(shù)要求，且直立堤結(jié)構(gòu)方案的造價(jià)比斜坡堤方案造價(jià)低1 126.52萬(wàn)元，節(jié)約比例高達(dá)10.5%。

2）經(jīng)過(guò)直立堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定物理模型驗(yàn)證，在各水位波浪作用下，護(hù)底塊石均保持穩(wěn)定；越浪量低于臨界值，不會(huì)對(duì)直立式沉箱結(jié)構(gòu)安全造成威脅，可滿足泊穩(wěn)條件；沉箱所受特征荷載均小于設(shè)計(jì)承載力，直立式沉箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。

3）綜合波浪特性分析與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算，示例工程采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)可以滿足泊穩(wěn)條件與結(jié)構(gòu)承載要求，安全性能較好，同時(shí)，由于該結(jié)構(gòu)工程量相對(duì)較小，造價(jià)較低，推薦采用。

[1]謝龍.三峽變動(dòng)回水區(qū)末端段復(fù)合水動(dòng)力條件分析及對(duì)泥沙輸移的影響[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013. XIE Long.Study on compoud hydrodynamic conditions in terminal of fluctuating backwater reach of Three Gorge Reservoir and itsinfluence of sediment transport[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2013.

[2]JTS 154-1—2011，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. JTS 154-1—2011,Code of design and construction ofbreakwaters [S].

[3]JTS 145—2015，港口與航道水文規(guī)范[S]. JTS 145—2015,Code ofhydrology for harbourand waterway[S].

[4]交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，1994. The First Design Institute of Navigation Engineering,The Ministry of Communications.Handbook for design of sea harbour[M].Beijing:China Communications Press,1994.

[5]周益人，陳國(guó)平，王登婷，等.透空式水平板波浪上托力計(jì)算方法[J].海洋工程，2004，22（2）：26-30. ZHOU Yi-ren,CHEN Guo-ping,WANG Deng-ting,etal.Calculation method ofupliftforces of waves on a horizontalplate[J].The Ocean Engineering,2004,22(2):26-30.

[6]孟艷秋，陳國(guó)平，嚴(yán)士常.離岸式高樁碼頭面板上托力實(shí)驗(yàn)及分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010,11（1）：72-78. MENG Yang-qiu,CHEN Guo-ping,YAN Shi-chang.Wave-indeck uplift force on detached high-piled wharf[J].Journal of PLA University of Science and Technology:Natural Science Edition,2010,11(1):72-78.

[7] 過(guò)達(dá)，蔡保華.透空式建筑物面板上波浪上托力的計(jì)算[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1980（1）：14-33. GUO Da,CAI Bao-hua.Openwork building panel on the wave force calculation[J].JournalofHohai University,1980(1):14-33.

[8]ACKERS P,WHITE W R.Sediment transport:new approach and analysis[J].Journal of the Hydraulics Division,ASCE,1973,99 (11)：41-60.

[9]WIEGEL RL.Transmission ofwaves pasta rigid verticalthin barrier [J].Journal of the Waterways and Harbors Division,ASCE，1960, 86:1-12.

[10]王鴻旭.重力式碼頭結(jié)構(gòu)加固和改造技術(shù)的研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2009. WANG Hong-xu.Study on structural strengthening and restructuring technologies ofgravity wharf[D].Qingdao:Ocean University of China,2009.

Type selection of connecting segment between deep-water gravity seaport and embankment

LIU Qian-bing,BAILong-wu
（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei430060,China）

Based on the construction conditions and design experience,we selected two kinds ofstructure schemes,slope type and uprighttype,and carried out structure design respectively,then established the physical model test for wave characteristics analysis,compared berthing conditions,engineering cost,structural stability of the two schemes.The conclusion shows that the two schemes can meet the requirements of berthing stability and the work days of wharfs in the harbor.The cost of the upright embankment structure scheme is lower than thatofthe slope embankment.Related conclusions can be used for reference on the design ofsimilar projects ofthe connecting segment between deep-water gravity seaportand embankment.

structure design;vertical caisson;wave force;physical test;berthing stability condition;anti-slipping,antidumping stability

U656.111

A

2095-7874（2017）02-0058-07

10.7640/zggwjs201702012

2016-10-09

2016-12-12

劉潛兵（1970— ），男，湖北孝感人，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師（巖土），注冊(cè)一級(jí)建造師（港航），主要從事港口及航道工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理。E-mail：Liuqianbing@ctesi.com.cn