張淼臣，阮心

（中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250010）

公司承建的沙特薩拉曼國(guó)王國(guó)際港務(wù)綜合設(shè)施項(xiàng)目包含建設(shè)三座大型干船塢，其中兩座用于新造船只的建設(shè)，一座用于船只的檢修維護(hù)。因項(xiàng)目所在地所處的地質(zhì)水文環(huán)境復(fù)雜，塢墻結(jié)構(gòu)作為船塢正常使用以及抵抗極端事件的保障作用則更加突出。因此，塢墻結(jié)構(gòu)的合理選型及設(shè)計(jì)是如何在安全可靠的前提下最大限度地提高經(jīng)濟(jì)性、縮短施工周期的保證，也是塢墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要完成的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

本研究從解決工程實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目復(fù)雜地質(zhì)進(jìn)行分析，對(duì)塢墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選型研究過(guò)程及方法進(jìn)行總結(jié)，尤其針對(duì)船塢塢墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中的計(jì)算分析過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，包括優(yōu)化方向的確定、有限元分析及計(jì)算結(jié)果。

1 項(xiàng)目地質(zhì)條件

項(xiàng)目所處地區(qū)原始地貌為砂質(zhì)土層，其巖層埋深較深，且風(fēng)化程度較高，船塢區(qū)域的地下土層依次為級(jí)配不良的粉砂、輕度至良好膠結(jié)的砂/軟弱砂巖、較軟弱的砂巖、粘土巖/泥巖/粉砂巖/粉砂屑石灰?guī)r/石膏，偶有薄的粉砂/粘土透鏡體。地質(zhì)的承載力低，天然地基往往不能滿足大型工程對(duì)土體變形和穩(wěn)定的要求，因此，在工程建設(shè)前通常需要對(duì)地基進(jìn)行處理、加固，增加土體的抗剪強(qiáng)度，提高軟基的承載力和穩(wěn)定性。

表1 當(dāng)?shù)赝翆痈庞[

2 塢墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

2.1 結(jié)構(gòu)選型

船塢的結(jié)構(gòu)形式按干船塢克服地下水揚(yáng)壓力的方式可分為四大類，即重力式、錨桿式、錨樁式和排水減壓式。其中：

（1）重力適宜用于采用排水減壓式和錨拉式結(jié)構(gòu)均有困難和地基較好的情況；

（2）錨桿式宜用于地基具有良好錨碇條件的情況；

（3）排水減壓式宜用于原地級(jí)或經(jīng)防滲處理后地基的滲水量較小的情況。

而根據(jù)塢墻與底板的連接方式，又可以分為整體式和分離式兩大類。塢墻與底板剛性連接的稱為整體式，兩者用縫分開(kāi)而相互獨(dú)立的稱為分離式。

分離式塢墻常用的結(jié)構(gòu)形式有重力式（包括實(shí)體式、懸臂式和扶壁式）、樁基承臺(tái)式和板樁式，以及襯砌式和混合式。其中：

（1）重力式適用于承載力較高的地基；

（2）樁基承臺(tái)式和板樁式適用于承載力較低的地基；

（3）襯砌式和混合式適用于塢墻后全部或部分為巖體的情況。

考慮項(xiàng)目所處地區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)，錨碇能力有限；同時(shí)，沙特當(dāng)?shù)厣袒靸r(jià)格較高，鋼筋等建材大部分依賴進(jìn)口；鑒于以上兩點(diǎn)，錨拉式與重力式無(wú)論是在技術(shù)層面還是經(jīng)濟(jì)性上都不適合作為本工程項(xiàng)目的船塢選型?？紤]到沙特當(dāng)?shù)刎S富的油氣資源造就的低價(jià)電力，使用排水設(shè)施保證船塢穩(wěn)定的排水減壓式結(jié)構(gòu)相較于其它結(jié)構(gòu)形式有著適應(yīng)當(dāng)?shù)靥厣妮^大優(yōu)勢(shì)。

在綜合造價(jià)及技術(shù)難度等方面的考慮后，確定排水減壓式結(jié)構(gòu)作為本工程項(xiàng)目中干船塢的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，考慮到船塢所在地區(qū)地基承載能力較好，地質(zhì)分布較均勻，而且船塢埋深較大，墻體自重及上方覆土能夠提供足夠的穩(wěn)定性。在保證安全穩(wěn)定的前提下，為盡量節(jié)省成本，綜合考慮后，決定使用分離式的扶壁式塢墻作為船塢塢墻結(jié)構(gòu)形式。

2.2 方案優(yōu)化

項(xiàng)目塢墻結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案由荷蘭某公司進(jìn)行設(shè)計(jì)，其塢墻主體由400mm 厚鋼筋混凝土墻面板、扶肋（3m間距）、800—2100mm 變截面墻踵及1400—2100mm 墻趾組成。

圖1 扶墻原設(shè)計(jì)方案（截面圖）

原塢墻設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)之初未完全考慮上部設(shè)備等因素施加在塢墻主體上的外荷載及底板提供的約束，設(shè)計(jì)相對(duì)保守，通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)考慮，塢墻墻趾及墻踵設(shè)計(jì)、塢墻間距存在優(yōu)化的空間，具體為：

（1）通過(guò)對(duì)上部設(shè)備荷載取值及布置的精確化確定，將墻踵及墻趾最大厚度進(jìn)一步優(yōu)化；

（2）通過(guò)對(duì)塢墻穩(wěn)定性分析，探索墻趾及墻踵長(zhǎng)度上的優(yōu)化空間；

（3）優(yōu)化扶肋的間距。

在確定優(yōu)化方向后，根據(jù)類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)參數(shù)分析，擬定了新的設(shè)計(jì)方案：考慮現(xiàn)場(chǎng)模板的尺寸，將底板劃分由原方案的25m x 25m 改為24m x 24m；底板厚度保持不變；塢墻扶肋改為4.5m 間隔，墻踵最小厚度由1400mm 優(yōu)化為800mm，長(zhǎng)度由3m 優(yōu)化為2.5m；墻趾最大厚度優(yōu)化為1500mm，長(zhǎng)度不變。

2.3 整體穩(wěn)定計(jì)算分析

圖2 優(yōu)化后的扶墻設(shè)計(jì)方案

塢墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析主要包括四個(gè)部分：抗滑移（Sliding）、抗傾覆（Overturning）、抗?。║plift）以及承載力分析（Bearing Capacity）。

其中，每個(gè)部分的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為：

表2 穩(wěn)定性分析安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

塢墻的抗傾覆分析原理是對(duì)比塢墻的傾覆力矩與塢墻本身抗傾覆的能力，即塢墻本身抗傾覆能力需大于塢墻受到的傾覆力矩一定倍數(shù)（本工程為1 倍）；塢墻的抗浮分析原理為對(duì)比塢墻自身重力及其它使塢墻有向下移動(dòng)趨勢(shì)的合力與塢墻受到的浮力，其分析結(jié)果同樣為兩者的比值。

2.3.1 塢墻計(jì)算模型

塢墻的穩(wěn)定性計(jì)算使用Staad Pro 有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行驗(yàn)算分析，其電算模型如下圖所示：

圖3 塢墻電算模型及尺寸

2.3.2 計(jì)算分析結(jié)果

表3 計(jì)算分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，新方案下的塢墻設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性需求。

3 結(jié)論

本項(xiàng)目塢墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之一，在塢墻設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了底板抗水平力的約束效應(yīng)，有效減小了塢墻的設(shè)計(jì)尺寸，在保證安全穩(wěn)定的同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。此外，在塢墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，在原方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)荷載的配置，將原方案中較不明確的荷載分布進(jìn)行了細(xì)致的劃分，將底板及塢墻按照其使用目的配置荷載，在簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)分析的同時(shí)，使得結(jié)構(gòu)布置更加趨于合理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)總量的優(yōu)化。

總體來(lái)看，塢墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)著重體現(xiàn)在荷載配置的合理性方面。對(duì)于船塢這類使用目的明確，設(shè)備配置固定的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)初期的方案選型對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程影響較大。因此船型配置、工藝設(shè)備、設(shè)計(jì)容量這三項(xiàng)必須在整體方案敲定前盡可能完善，并作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)刻校核設(shè)計(jì)成果，才能保證最終的設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)。