深水重力式海港码头与引堤衔接段结构选型

刘潜兵，柏龙武

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060）

深水重力式海港码头与引堤衔接段结构选型

刘潜兵，柏龙武

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060）

文章基于建设条件与设计经验筛选出了斜坡式与直立式两种结构方案，并分别进行了结构设计，通过物理模型试验进行波浪特性分析，从两方案的泊稳条件、工程造价、结构稳定进行比较。结果表明，两方案均满足港池泊稳条件以及码头作业天数要求，而直立堤结构方案的造价比斜坡堤方案造价低。相关结论可供类似深水重力式海港码头与引堤衔接段结构设计参考。

结构设计；直立式沉箱；波浪力；物理试验；泊稳条件；抗滑、抗倾稳定

节能减耗是目前水运工程的发展趋势与重要评价指标[1-3]，而科学合理的结构选型是满足码头作业泊稳条件、降低工程造价的重要保障[4]。

本文以广东雷州某深水海港码头工程的码头平台与引堤衔接段为研究对象，采用常用的斜坡式结构与直立堤式结构为研究方案，从泊稳条件、工程造价、结构稳定等方面进行综合对比，进行科学、系统的选型研究。

1 项目概况

1.1 工程简介

广东雷州某码头工程位于广东省雷州半岛雷州市中西部沿海，地处雷州市西南部乌石镇港，面向北部湾。

该工程拟新建1座10万吨级煤炭码头和1座3 000吨级重件码头，在煤炭码头和重件码头之间通过实体引堤过渡衔接（图1）。水工建筑物的结构安全等级为Ⅱ级，结构重要性系数取1.0，码头设计使用年限50 a。

1.2 设计水位

设计水位[5-6]（自海域理论最低潮面起算）：

设计高水位为2.67 m（高潮累计频率10%）；

图1 工程平面布置示意图Fig.1 Sketch map of project layout

设计低水位为-0.89 m（低潮累计频率90%）；

极端高水位为4.07 m（重现期为50 a）；

极端低水位为-1.71 m（重现期为50 a）。

1.3 主要设计荷载

码头过渡段设计荷载主要有流动机械荷载和波浪荷载。其中流动机械荷载主要包括20 t汽车荷载以及25 t牵引平板车荷载；波浪荷载主要包括迎浪面水平冲击力与竖向浮托力，该值通过各工况下的物理模型试验测得。

1.4 设计波浪要素

设计波浪要素见表1所示。

表1 设计波要素Table 1 Design wave elements

2 结构方案设计

重件码头至煤炭码头衔接段长223.7 m，根据工程实际建设条件分别采用斜坡式结构与直立堤式结构进行方案设计。

2.1 斜坡式结构

斜坡堤堤顶净宽20 m，高16.8 m，两边斜坡坡比均为1∶1.5，边坡先依次堆砌1.0 m厚与1.3 m厚2层块石，坡面上再用2.4 m厚扭王块护面，斜坡堤堤顶设有钢筋混凝土防浪墙，防浪墙顶高程为11.7 m（图2）。

图2 斜坡式结构剖面图Fig.2 Slope structure section

2.2 直立堤式结构

直立堤采用沉箱结构，标准沉箱尺寸24.4 m× 18.65 m×19 m（16 m），单个沉箱最大质量3 882 t，仓格内采用中粗砂回填，临海侧透水孔以上回填块石，并铺设倒滤层。沉箱顶部高程为1.20 m，其上方设置钢筋混凝土防浪墙，防浪墙顶高程港池侧和外海侧均为12.0 m。沉箱底部采用抛石基床，为暗基床形式，基床开挖高程至-23.8 m，其沉箱两侧泥面按1∶2进行放坡，整个基础采用夯填10～100 kg块石。基床上安放实体沉箱，沉箱两侧采用栅栏板、扭王字块压脚。防浪墙后码头过渡段顶面高程为6.5 m；沉箱两侧坡脚分别采用200～300 kg块石进行护底（图3）。

3 波浪特性物理模型试验设计

为验证两种结构形式下码头港区内泊稳条件、衔接段结构稳定安全并测量相关波浪荷载，建立了物理模型进行试验研究。

3.1 试验模型设计

图3 直立堤式结构剖面图Fig.3 Verticalbreakwater structure section

物理模型试验在交通运输部天津水运工程科学研究所海洋工程研究中心水工厅完成，根据模型试验范围、试验研究目的、场地要求、相似性原理所要求的水流流态、表面张力等条件[7]，本模型采用平面比尺和垂直比尺相等的正态模型，其中，几何比尺为1∶40，流量比尺为1∶252.98，时间比尺为1∶6.32，糙率比尺为1∶1.92。

试验水槽长68.0 m，宽1.0 m，高1.5 m。造波机为电机伺服驱动推板吸收式造波机（图4）。

图4 风浪水槽布置图Fig.4 Wind-wave flume arrangement

3.2 波浪模拟

试验波浪主要采用频谱不规则波，波谱采用JONSWAP谱[8]，谱的表达式为：

式中：S（f）为谱密度；f为频率；βJ为水面比降修正系数；TP为完整波周期；fP为峰频；H1/3为有效波高；TH1/3为有效波周期；γ为谱峰因子，取3.3；σ为峰形参数。

水槽两端均设有消波装置，同时设有连通管，以使试验过程中模型两侧的水位保持不变。模型高程用水准仪控制，长度用钢尺测量，波高采用波高传感器，并通过SG2008型动态水位测量系统对波高进行采集分析，波压力数据通过2008型点压力传感器采集。

3.3 波浪率定

不规则波采用频谱模拟[9]，将给定的有效波高及周期送入计算机进行波谱模拟，经过修正后，使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求[10]。即：

1）波能谱总能量的允许偏差为±10%；

2）峰频模拟值的允许偏差为±5%；

3）在谱密度≥0.5倍谱密度的范围内，谱密度分布的允许偏差为±15%；

4）有效波高、有效波周期或谱峰周期的允许偏差为±5%；

5）模拟的波列中1%累积频率波高、有效波与平均波高比值的允许偏差为±15%。

每组波要素的波列都保持波个数在100以上，根据试验要求，针对不同断面，在各个水位依据给定的波浪要素进行率定，将最后得到的造波参数存储在计算机中。试验时，依据对应率定好的造波信号进行造波。

4 结构选型研究

通过对2种结构形式的泊稳条件、工程造价、结构稳定进行比较，在满足泊稳与结构安全条件的前提下，选择造价低的结构形式。

4.1 泊稳条件分析与对比

4.1.1 预留波能缓冲消散区

模拟工程2种结构形式的整体平面布置，进行波浪整体稳定试验，验证工程实施后的港内泊稳条件。见图5、图6。

图5 波浪整体稳定物理试验Fig.5 The overallstable physicaltest on waves

图6 两方案预留波能缓冲消散区Fig.6 Wave energy reserved buffer dissipation area of the two schemes

本次实验对煤炭泊位停泊水域及过渡段引堤内侧12号、13号、15号、32号进行布点，针对过渡段两种结构形式进行泊稳分析，在NNW向浪作用下，波浪沿煤码头传播，遇过渡段反射后在局部形成波能集中区，过渡段为斜坡式结构时反射作用较直立式结构稍弱，其它方向波浪由于前沿煤炭泊位的掩护，对港池基本无影响。通过实验测试确定相近泊稳条件下，直立堤和斜坡堤方案波能缓冲消散区分别约为40 m和30 m。原斜坡堤方案放坡占用67 m水域长度，已包括30 m范围，直立堤无需考虑放坡影响。

4.1.2 作业天数分析

结合泊稳试验数据对各结构方案下煤炭码头作业天数进行分析，并列于表2。

表2 各结构方案下码头作业天数对比Table 2 The terminaloperation days contrast under each structure scheme

分析表2可知，衔接段采用直立式结构时，每年码头前H4%波高大于1.2 m的出现天数为25.4 d；过渡段采用斜坡式结构时，每年码头前H4%波高大于1.2 m的出现天数为19.1 d。同时考虑各因素重叠发生的情况后分别为60 d和55 d，确定煤炭码头1 a不可作业天数分别有60 d和55 d，即码头年可作业天数直立堤方案与斜坡堤方案分别为305 d和310 d，均能满足≥300 d作业天数的要求。

4.2 工程造价对比

根据工程所在地各类建材实际价格，以及两种方案的工程量，将其工程造价对比列于表3。

由表3可知，直立堤方案比斜坡堤方案节省工程造价1 126.52万元，节约比例高达10.5%。

表3 两结构方案下工程造价对比Table 3 The engineering costcontrast of the two structure schemes

4.3 直立堤结构稳定验证

由之前分析可知，两方案均满足港区泊稳条件与作业天数要求，而直立堤方案造价明显低于斜坡堤结构，因此，只要验证直立堤方案满足抗滑抗倾稳定、结构安全，就可采取该方案。本节将从物理模型试验和借助理正软件进行结构设计两方面进行验证。

4.3.1 沉箱、胸墙、码头顶面受力试验

针对直立式实体沉箱和其上方胸墙迎浪面、顶面，在极端高水位4.07 m、设计高水位2.67 m、设计低水位-0.89 m和极端低水位-1.71 m重现期50 a波浪作用下进行波浪力的测量，得出沉箱水平力和浮托力分布结果，胸墙迎浪面水平力和码头顶面受到的冲击力，以及胸墙、沉箱和码头顶面为一整体时受到的水平、竖向总力。将试验结果列于表4。

表4 结构段最大特征力试验结果Table 4 Test results of the max characteristics force

分析表4可知，在重现期50 a波浪作用下，受越浪的影响，码头顶面所受冲击力，极端高水位时最大，极端低水位时最小，最大冲击力为454 kN/m；沉箱和胸墙的受力均在设计高水位时最大，即沉箱所受水平力最大为1 574 kN/m，此时箱底浮托力为578 kN/m；胸墙受到最大水平力为949 kN/m，主要原因是在极端高水位时越浪量较大，减少了对沉箱的冲击，而低水位时，波浪冲击沉箱位置也减小。

将表4数据与直立式沉箱结构设计承载力进行对比可知，在各种工况下，结构段所受最大特征力均小于设计承载力，直立式沉箱结构稳定、安全。

另外，通过试验发现，沉箱与胸墙整体所受的最大总水平力和总竖向力与沉箱所受最大水平力和浮托力表现在同一时刻。

4.3.2 越浪试验

在低水位波浪作用下，由于堤前水位较低，入射波浪虽然不能直接越过胸墙顶，但由于沉箱为实体直立式结构，因此在波浪连续冲击沉箱后形成垂直上升的水体，上升水体跌落后，大部分水体被反射回海侧，少量水体则越堤，形成越浪。

在高水位波浪作用下，随着堤前水深和入射波高的增加，则波浪能直接越过堤顶，水体跌落至堤后，尤其是重现期50 a波浪作用。

波浪作用下堤顶越浪试验结果见表5。

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

4.3.3 护底稳定性试验

在各水位波浪作用下，通过试验观测可得，即使在极端低水位，200～300 kg护底块石表面上方淹没水深仍达16.09 m，因此在波浪连续作用下，波浪对块石稳定性影响不大，波浪连续作用3 h，200～300 kg护底块石保持稳定。

4.3.4 稳定性计算

基于基础资料以及波浪特性物理模型试验结果，借助软件进行结构稳定计算，将计算结果列于表6。

分析表6可知，在各工况下，直立式沉箱结构码头过渡段的抗滑、抗倾安全系数均高于规范要求，地基沉降量较小，结构稳定、安全。

表6 直立式沉箱结构码头过渡段稳定计算结果Table 6 Stability calculation results ofthe transition period ofverticalcaisson structure terminal

5 结语

1）根据工程建设条件以及以往类似工程经验，衔接段宜采用斜坡式或者直立堤式结构。经过物理模型试验，两方案均满足港池泊稳条件以及码头作业天数要求，且直立堤结构方案的造价比斜坡堤方案造价低1 126.52万元，节约比例高达10.5%。

2）经过直立堤结构稳定物理模型验证，在各水位波浪作用下，护底块石均保持稳定；越浪量低于临界值，不会对直立式沉箱结构安全造成威胁，可满足泊稳条件；沉箱所受特征荷载均小于设计承载力，直立式沉箱结构稳定、安全。

3）综合波浪特性分析与结构稳定计算，示例工程采用直立式沉箱结构可以满足泊稳条件与结构承载要求，安全性能较好，同时，由于该结构工程量相对较小，造价较低，推荐采用。

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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

刘潜兵（1970— ），男，湖北孝感人，高级工程师，注册土木工程师（岩土），注册一级建造师（港航），主要从事港口及航道工程设计、项目管理。E-mail：Liuqianbing@ctesi.com.cn