■邵茂產(chǎn)

（1.寧德市交通運(yùn)輸局；2.寧德市交通經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，寧德 352100）

1 工程概況

某碼頭工程位于寧德市三都澳港區(qū)城澳作業(yè)區(qū)，工程主要建設(shè)內(nèi)容：建設(shè)3.5萬(wàn)噸級(jí)和5萬(wàn)噸級(jí)通用泊位各一個(gè)及相應(yīng)的水、電、通信等配套設(shè)施，碼頭水工結(jié)構(gòu)按可靠泊15萬(wàn)噸級(jí)散貨船預(yù)留。項(xiàng)目所在地區(qū)建筑材料供應(yīng)充足，交通、通訊、供水、供電方便。工程建設(shè)場(chǎng)地利用灘涂和山丘地，不占農(nóng)田，工程地質(zhì)條件較好，具備了良好的建港條件。本文主要對(duì)該項(xiàng)目碼頭水工的建設(shè)自然條件、結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)方案論證和比選等方面進(jìn)行介紹。

2 建設(shè)自然條件

2.1 水文、氣象

（1）風(fēng)況

該區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾E向，出現(xiàn)頻率18%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹W，多年平均風(fēng)速1.4m/s，最大風(fēng)速28m/s，極大風(fēng)速40m/s，全年≥8級(jí)風(fēng)日數(shù)為5.7天，年平均大風(fēng)日為32.35天。本工程最大設(shè)計(jì)風(fēng)速取55m/s。

（2）設(shè)計(jì)潮位（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同?/p>

設(shè)計(jì)高水位：7.27m 設(shè)計(jì)低水位：0.57m

極端高水位：8.58m 極端低水位：-0.52m

（3）波浪

工程場(chǎng)區(qū)目前尚無(wú)實(shí)測(cè)資料，根據(jù)規(guī)范用小風(fēng)區(qū)法推算的50年一遇波要素：H1%=2.31m，T=5.0s，波向?yàn)闁|向，本工程水工結(jié)構(gòu)依此進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）水流

三都澳屬?gòu)?qiáng)潮海區(qū)，海區(qū)地形復(fù)雜，島嶼星羅棋布，水域多呈水道形式，潮流呈往復(fù)流，流向與水道走向基本一致，潮流流向與深槽走向基本一致，一般落潮流速大于漲潮流速。本工程最大設(shè)計(jì)水流速取1.48m/s，流向?yàn)闁|南向。

2.2 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭露，本場(chǎng)地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：淤泥層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)土層、碎石層、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、中風(fēng)化花崗巖層等。其中砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖埋深深淺不一，巖面高程變化較大，工程性能較好。

2.3 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

擬建場(chǎng)地處于抗震設(shè)防烈度6度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組屬第一組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

3 水工建筑物結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，碼頭平臺(tái)區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，地勢(shì)由南往北傾斜，坡度較陡，覆蓋層主要由淤泥層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)土層組成，覆蓋層厚度分布不均勻，工程性能差。基巖埋藏深淺不一，西側(cè)基巖埋藏較深，東側(cè)基巖埋藏較淺，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層面標(biāo)高介于-20.66m～-44.55m之間，中風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高介于-20.66m～-46.45m之間。綜合地質(zhì)構(gòu)造、工程造價(jià)、工期等因素，碼頭主體結(jié)構(gòu)擬采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案和高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選。

3.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)總平面布置方案，碼頭前沿線布置在等深線-18m～-40m之間，與規(guī)劃前沿線一致，建設(shè)碼頭泊位長(zhǎng)483m，碼頭作業(yè)平臺(tái)寬32m，碼頭面高程+9.0m。碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程為-18.7m，碼頭前沿停泊水域?qū)挾热?5m，停泊水域設(shè)計(jì)底高程兩個(gè)泊位分別取-12.0m和-13.6m；回旋水域長(zhǎng)軸取669m，短軸取446m，回旋水域設(shè)計(jì)底高程為-14.5m。

3.2.1 重力式沉箱結(jié)構(gòu)（方案一）

碼頭為連片式布置，碼頭水工結(jié)構(gòu)采用大型重力式沉箱結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)在基床頂面以下5m范圍內(nèi)采用10～100kg拋石基床，基床頂面5m深度以下范圍拋填10～500kg塊石，地基持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖?；采习卜配摻罨炷链蟪料?，沉箱長(zhǎng)×寬×高=15.8m×14.04m×21.2m，重量約2566t。沉箱隔倉(cāng)內(nèi)回填10～50kg塊石，沉箱后側(cè)回填10～100kg減壓棱體，沉箱上現(xiàn)澆C35鋼筋砼胸墻，胸墻高6.5m?，F(xiàn)澆胸墻后至碼頭后沿面層為10cm厚預(yù)制C50高強(qiáng)砼聯(lián)鎖塊，其下鋪設(shè)5cm厚的中粗砂墊層、30cm厚水泥碎石穩(wěn)定層及25cm厚級(jí)配碎石墊層。碼頭面布置2條軌道，軌道型號(hào)為QU120，前軌設(shè)在現(xiàn)澆砼胸墻上，門機(jī)后軌采用軌枕道渣結(jié)構(gòu)；考慮今后發(fā)展，預(yù)留一條卸船機(jī)后軌，軌距26m。

3.2.2 高樁梁板式結(jié)構(gòu)（方案二）

碼頭為離岸式布置，碼頭水工結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，分7個(gè)分段，共計(jì)45跨52排，每個(gè)排架由4根直徑2.5m灌注樁或嵌巖樁組成，在水深較深處則回填10～100kg塊石至標(biāo)高-31.3m進(jìn)行拋石護(hù)樁。碼頭上部結(jié)構(gòu)由橫梁、預(yù)制軌道梁、縱梁、鋼筋砼疊合板、現(xiàn)澆板及磨耗層構(gòu)成。其中預(yù)制軌道梁、縱梁均為預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)。碼頭平臺(tái)上布置2條軌道，軌道型號(hào)為QU120，門機(jī)軌距為10.5m，其中海側(cè)軌距碼頭前沿3.5m。考慮到遠(yuǎn)期發(fā)展需要，在碼頭平臺(tái)后部預(yù)留一條橋式抓斗卸船機(jī)軌道，軌距為26m。

4 水工建筑物結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和比選

4.1 水工建筑物結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1.1 碼頭平臺(tái)設(shè)計(jì)荷載

（1）恒載：建筑物自重；

（2）均布荷載：30kN/m2；

（3）流動(dòng)機(jī)械荷載

①門座起重機(jī)軌距10.5m，基距10.5m，輪距0.75m，8輪/腿，兩機(jī)間最小輪距1.5m，工作狀態(tài)時(shí)最大支腿壓力400kN/輪×8輪/腿＝3200kN/腿；非工作狀態(tài)時(shí)最大支腿壓力 450kN/輪×8 輪/腿＝3600kN/腿。

②預(yù)留橋式抓斗卸船機(jī)軌道，軌距26m、基距18m，輪距1.05m，12輪/腿，海側(cè)軌與門機(jī)共用，相鄰兩臺(tái)卸船機(jī)最小輪距3m。工作狀態(tài)（風(fēng)速25m/s）輪壓為650kN/輪，非工作狀態(tài)（風(fēng)速55m/s，錨定位）輪壓為750kN/輪。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案一）

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（方案二）

（4）運(yùn)輸車輛：20t自卸汽車、25t平板車；

（5）船舶荷載：15萬(wàn)噸級(jí)散貨船舶，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算；

（6）水流、波浪力：根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》、《海港水文規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

4.1.2 主要外力計(jì)算

（1）船舶系纜力：作用在船舶上的風(fēng)荷載與水流力共同合成的系纜力。按照相關(guān)公式，根據(jù)風(fēng)和水流最不利工況進(jìn)行組合計(jì)算，得出15萬(wàn)噸級(jí)散貨船最大系纜力標(biāo)準(zhǔn)值N＝1040.6kN?？紤]風(fēng)、流、波浪不利組合，碼頭前沿系纜設(shè)施選用1500kN系船柱。

（2）擠靠力：按照公式，經(jīng)計(jì)算，15萬(wàn)噸級(jí)散貨船擠靠力為 F′j=250kN。

（3）船舶靠泊撞擊力：船舶靠岸時(shí)，對(duì)碼頭的船舶撞擊能量按相關(guān)公式，經(jīng)計(jì)算，15萬(wàn)噸級(jí)散貨船最大有效撞擊能量為 E0＝648.75kJ。

（4）橫浪作用下船舶撞擊力：系泊船舶在橫浪作用下有效撞擊能量按相關(guān)公式，經(jīng)計(jì)算，15萬(wàn)噸級(jí)散貨船在橫浪作用下產(chǎn)生的有效撞擊能量（分配在每組護(hù)舷上）為198kJ。因此，船舶在橫浪作用下撞擊能小于船舶靠泊時(shí)的撞擊能，不起控制作用。

根據(jù)撞擊力、擠靠力、橫浪撞擊力計(jì)算成果，碼頭選用SUC1450H鼓型橡膠護(hù)舷（兩鼓一板，高反力型），單鼓設(shè)計(jì)吸能量E＝775kJ，設(shè)計(jì)反力R＝1217kN。15萬(wàn)噸級(jí)散貨船滿載時(shí)干舷高度為6.4m，設(shè)計(jì)高水位時(shí)，考慮二鼓同時(shí)吸能和受力；設(shè)計(jì)低水位時(shí)，考慮一鼓吸能和受力。

（5）地震荷載：場(chǎng)地處于抗震設(shè)防烈度6度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組屬第一組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，可不考慮地震作用力。

4.1.3 作用分類與作用效應(yīng)組合

（1）結(jié)構(gòu)方案一（重力式沉箱結(jié)構(gòu)）

①永久作用：自重力、墻后填料產(chǎn)生的土壓力。

②可變作用：均布荷載、門機(jī)荷載、卸船機(jī)荷載、流動(dòng)運(yùn)輸機(jī)械荷載、可變作用產(chǎn)生的土壓力、船舶荷載、波浪力、施工荷載。

（2）結(jié)構(gòu)方案二（高樁梁板式結(jié)構(gòu)）

①永久作用：自重力。

②可變作用：均布荷載、門機(jī)荷載、卸船機(jī)荷載、流動(dòng)運(yùn)輸機(jī)械荷載、船舶荷載、波浪力、施工荷載。

荷載組合時(shí)根據(jù)作用在碼頭結(jié)構(gòu)上的作用性質(zhì) （永久作用、可變作用），按可能出現(xiàn)的最不利荷載結(jié)合設(shè)計(jì)水位進(jìn)行組合。分為持久狀況的各種組合、短暫狀況和偶然狀況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

4.1.4 結(jié)構(gòu)主要計(jì)算內(nèi)容

（1）結(jié)構(gòu)方案一（重力式沉箱結(jié)構(gòu)）：碼頭主體水工結(jié)構(gòu)主要計(jì)算內(nèi)容包括對(duì)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(yīng)力，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 重力式碼頭主體水工結(jié)構(gòu)主要計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算，碼頭主體水工結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

（2）結(jié)構(gòu)方案二（高樁梁板式結(jié)構(gòu)）：碼頭主體水工結(jié)構(gòu)主要計(jì)算內(nèi)容包括碼頭排架計(jì)算、縱梁、軌道梁計(jì)算。

①碼頭樁力及橫梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表2～4。

表2 碼頭橫梁、軌道梁計(jì)算結(jié)果（承載能力極限狀態(tài)）

表3 碼頭樁力計(jì)算結(jié)果（承載能力極限狀態(tài)）

表4 碼頭樁頂及樁底彎矩計(jì)算結(jié)果（承載能力極限狀態(tài)）

②樁基承載力計(jì)算結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料，碼頭各鉆孔樁的單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 碼頭單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值

經(jīng)驗(yàn)算，兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案均可行。

4.2 結(jié)構(gòu)方案比選

在結(jié)構(gòu)方案均可行的前提下，對(duì)方案比選主要是從工程地質(zhì)條件、施工工期、工程造價(jià)、使用要求、后期維護(hù)等方面進(jìn)行綜合考慮。

4.2.1 工程地質(zhì)條件方面

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，碼頭平臺(tái)區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，地勢(shì)由南往北傾斜，坡度較陡，覆蓋層厚度分布不均勻，基巖埋藏深淺不一，西側(cè)基巖埋藏較深，東側(cè)基巖埋藏較淺，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層面標(biāo)高介于-20.66m～-44.55m之間，中風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高介于-20.66m～-46.45m之間，巖面高程變化較大，工程性能較好。

由于本工程區(qū)域覆蓋層厚度總體較薄，甚至部分岸段基本無(wú)軟土層覆蓋，采用打入樁困難較大，而且覆蓋層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，基樁需采用沖鉆孔灌注樁或嵌巖樁，且在水深較深處還需回填10～100kg塊石進(jìn)行拋石護(hù)樁。鑒于本工程地基為比較堅(jiān)硬的風(fēng)化花崗巖，具有很高的地基承載力，適合建造重力式結(jié)構(gòu)，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，只需對(duì)基床頂面以下進(jìn)行大量拋填塊石至標(biāo)高即可。

4.2.2 施工工期方面

本工程屬大型水運(yùn)工程項(xiàng)目，且為業(yè)主碼頭。為盡早發(fā)揮效益，業(yè)主對(duì)項(xiàng)目施工工期有比較嚴(yán)格的要求。根據(jù)工程地質(zhì)條件，該水工建筑物若采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，則樁基只能采用鉆孔灌注樁或嵌巖樁，無(wú)法采用預(yù)制鋼管樁進(jìn)行沉樁，施工工期上受制約。若采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，施工工藝較簡(jiǎn)單，且沉箱可在碼頭后方陸域上進(jìn)行批量預(yù)制。該結(jié)構(gòu)具有水下工作量少，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步節(jié)省施工工期，符合項(xiàng)目業(yè)主要求。

4.2.3 工程造價(jià)方面

重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案的主要工程量是岸壁結(jié)構(gòu)的基床拋石、沉箱內(nèi)回填塊石、后方回填開(kāi)山石等所需的塊石，需要回填石方數(shù)量約278萬(wàn)m3。但當(dāng)?shù)厥蟻?lái)源豐富，塊石可在工程場(chǎng)區(qū)陸域形成時(shí)開(kāi)采、運(yùn)輸、拋填，十分便捷，也進(jìn)一步節(jié)省了工程造價(jià)。

經(jīng)比對(duì)，重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案對(duì)應(yīng)的總平面布置方案一，其工程總投資約61526萬(wàn)元；高樁梁板式結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的總平面布置方案二，其工程總投資約69683萬(wàn)元。重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案較高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案，工程造價(jià)上省8000多萬(wàn)元。

4.2.4 使用要求方面

在使用上，重力式沉箱結(jié)構(gòu)較高樁梁板式結(jié)構(gòu)具有堅(jiān)固耐久、可承受較大的碼頭地面荷載、對(duì)碼頭地面超荷載和裝卸工藝變化適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)整體性好、抗震性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該碼頭工程所在城澳作業(yè)區(qū)盡管水深條件優(yōu)良，但后方高山貼岸，淺灘狹窄，可形成陸域空間十分有限。經(jīng)計(jì)算，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案形成的陸域總面積為167951m2;采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案形成的陸域總面積為119768m2。在同等情況下，重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案形成的陸域面積較高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案多近5萬(wàn)m2。

4.2.5 后期維護(hù)方面

在后期維護(hù)方面，重力式沉箱結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐久，使用期維護(hù)工作量少；而高樁梁板式結(jié)構(gòu)耐久性較差，防腐要求高，后期維護(hù)費(fèi)用較高。

綜上所述，兩個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表6。

表6 水工結(jié)構(gòu)方案比選表

本項(xiàng)目地質(zhì)情況較為復(fù)雜，為提高碼頭整體穩(wěn)定性，加快施工進(jìn)度，減少工序，增加陸域使用面積，碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)推薦采用水工結(jié)構(gòu)方案一，即重力式沉箱結(jié)構(gòu)方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

重力式沉箱結(jié)構(gòu)和高樁梁板式結(jié)構(gòu)是近年來(lái)碼頭工程中使用最多的兩種水工建筑物結(jié)構(gòu)型式。在設(shè)計(jì)水工建筑物時(shí)，在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算滿足規(guī)范要求的前提下，應(yīng)充分結(jié)合項(xiàng)目所在區(qū)域的工程地質(zhì)條件，綜合考慮施工工期要求、工程造價(jià)、使用要求等方面，對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化比選，使水工建筑物設(shè)計(jì)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施性。