防城港钢铁基地20万吨级矿石码头结构选型

2013-03-12莫建新吴黎红

中国港湾建设 2013年1期

关键词：沉箱作用力圆筒

莫建新，吴黎红

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）

1 概述

防城港位于我国沿海西南端，广西西南部，地处北部湾北岸，是我国大陆海岸线最西端的一个深水海港。

防城港水域三面丘陵环抱，东为企沙半岛，西为白龙尾半岛，湾口向南敞开，中间被渔漫岛分为东西两个海湾，水域呈Y型。

根据防城港市临海工业区港口总体规划，防城港钢铁基地20万吨级矿石码头工程位于防城港进港航道东侧、企沙半岛西岸，见图1。

图1 码头位置图

工程拟建1个20万吨级铁矿石进口泊位，结构兼顾25万吨级船舶。本文主要通过对影响码头结构型式选择的各种因素的分析，从众多结构型式中根据本码头的特点逐一分析、优化，最终确定较为合理且适宜本码头的结构型式，为今后类似大型码头的设计提供参考和经验。

2 基础资料

2.1 波浪、潮流

本码头面临外海，码头正面斜向迎外海西南向波浪，码头侧面正向迎外海正南向波浪，码头背面斜向迎外海东南侧波浪。各方向50 a一遇波浪要素如表1。

表1 50 a一遇波浪要素

码头区前沿最大涨潮垂线平均流速0.68m/s，流向353°，最大落潮垂线平均流速0.60m/s，流向 180°。

2.2 地质

本工程码头区域范围内地质为海积层（Q4m）、残积层（Q3el）、基岩风化层（S）。表层海积层、残积层等覆盖层厚度均较薄，基本为粉细砂、中粗砾砂、粉质黏土及粉细砂混黏性土等，其下为全风化岩、强风化岩、中风化岩（或弱风化岩），而强风化岩与中风化岩岩面埋深较浅且岩石强度较高。

2.3 主要高程参数

本文中高程采用当地理论深度基准面。校核高水位+5.69m，设计高水位+4.64m，设计低水位+0.30m，校核低水位-0.73 m，设计海底高程-22.40m，码头面高程+10.00m。

2.4 总平面布置

根据装卸工艺及总平面布置的要求，码头平台主尺度为467.90m×33.0m（长×宽）。

3 码头结构方案

本码头水工结构采用大直径圆沉箱重力墩式结构，因码头平台宽度为33.0m，同时考虑沉箱的预制、浮运及安装等因素，将33.0m的码头平台按并排排列2个圆沉箱进行设计，单个圆沉箱高度为25.5m，直径为13.8m，沉箱上部为现浇混凝土墩体，横向2个沉箱墩之间及纵向相邻沉箱墩之间以梁板结构相连接。

码头断面见图2。

图2 码头断面图

根据本码头的自身特点，该圆沉箱重力墩式结构是在与其他多种结构型式经过充分比选后最终确定的。

4 码头结构选型

4.1 桩基与重力式结构的比选

现今沿海各海港码头应用的结构型式种类较多，总的来讲，重力式和桩基式为应用最为广泛、成熟的结构型式；而对于本码头而言，基于拟建码头工程区为基岩地质，强风化及中风化岩面埋深较浅且承载能力均较高。因此，对于桩基嵌岩结构和重力式沉箱结构在技术上均是可行的方案；而本码头设计船型（25万t）等级较大、码头面卸船机（2 500 t/h）荷载较大，码头承受竖向与水平向外荷载均较大。

若采用嵌岩桩方案，嵌岩桩自由长度为29.5m，为使码头平台能有效适应较大水平外力的作用，同时满足工艺设备对码头位移的要求，桩基方案宜采用大直径嵌岩斜桩方案，该方案与重力式沉箱墩式方案相比，嵌岩斜桩方案施工难度较大、施工工期较长且耐久性差；而重力式沉箱结构内部的砂填料可就地取材，显然重力式沉箱方案更具有优势，更能适应大吨位船舶及大型装卸设备的使用，因此重力式沉箱结构为首选方案。

4.2 圆沉箱与方沉箱的比选

在已有的大型海港码头工程实例中，不论是岸壁式码头还是独立墩式码头，方沉箱与圆沉箱均都有所应用，而就其形状而言，通过物模试验可知圆沉箱在波浪入射作用下所受的波浪力明显较方沉箱要小得多，且在内力计算中拱形沉箱壁要比直板形沉箱壁受力更好，能有效减少配筋量。因此，对于受波浪影响较大的码头结构而言，圆沉箱更具优势。

4.3 圆沉箱与圆筒的比选

从外形上讲，圆沉箱与圆筒仅一底之差，圆沉箱有底板，外侧为趾结构；而圆筒无底板，内侧与外侧一样，均为趾结构。圆沉箱结构的受力模式是将上部竖向荷载及内部填料的荷载通过箱体最终由底板传递给下部的基床，因其底部底板面积较大，最终产生于基床顶部的应力会比较均匀且较小；而圆筒结构的受力模式是将上部竖向荷载的绝大部分通过圆筒壁及下部的趾结构传递给基床，而小部分荷载则是通过圆筒壁与圆筒内填料的摩擦经填料传给下部的基床，而圆筒结构的底部面积较小，因此在基床顶部产生的地基应力很大，且远大于同直径大小的圆沉箱结构，造成基床不均匀沉降，因此从受力分析角度讲圆沉箱结构更具优势。

而另一方面，在实际的施工过程中，施工方往往为了满足沉箱浮运和安装的要求，会自行在圆筒底部加设一个底板结构，如此一来，实际施工完成后码头使用期阶段的圆筒受力模式与设计时是有相当大的差异的，且圆筒的实际工程用量及造价与圆沉箱相比也并不经济。

因此，大直径圆筒结构方案不予采用。

4.4 圆沉箱消浪孔设置与否的比较

根据码头所在位置的波浪条件，码头可受到多个方向的波浪作用，而对于海港码头而言，波浪作用力是码头结构稳定与安全设计中最为主要的研究内容之一。而在码头自身结构中采取消浪措施以减小波浪作用力也是码头结构设计的重要研究内容。

一般情况下在静水位上下约0.5～0.6倍设计波高范围内为波浪力作用的主要区域，在该区域内沉箱壁及上部结构承受了波浪的绝大部分冲击能量。

对此，设计提出了两种结构方案进行波浪作用力的实验与比选，并对两种结构进行波浪物理模型试验，其结果如表2。

表2 波浪物理模型试验

A型结构：不设置消浪孔。

B型结构：沉箱上部设置消浪孔（见图3）。

通过以上波浪物模试验结果，设置消浪孔的结构波浪力有一定减少，两种水位情况下减少12%左右，而减少的这部分水平力仅占结构本身自重力的1.5%，占比较小。

至此，对A、B型结构给予如下分析：

1）在沉箱上部设置消浪孔后可一定程度减少沉箱外壁波浪作用力，而同时将大大减小了开孔区域沉箱截面面积，使该区域内的应力增大并伴有应力集中现象，削弱了沉箱上部横截面的结构强度，使沉箱这一区域成为一薄弱截面。

2）在物模试验过程中，发现沉箱上部设置消浪孔后，波浪通过消浪孔透射到沉箱内部空腔内，波浪在空腔内的形态是比较紊乱的，基本是无规则地在空腔内与沉箱内壁发生碰撞、反射、再碰撞、再反射，直至波能最终消失殆尽。而在整个过程中空腔内紊乱的波浪对沉箱内壁产生了一定的作用力，而该作用力无法准确计算出具体数值的大小，而在进行沉箱内力计算时，也无法考虑该作用力的不利影响。