某码头工程水工建筑物结构方案设计和比选论证研究

■邵茂产

（1.宁德市交通运输局；2.宁德市交通经济发展中心，宁德 352100）

1 工程概况

某码头工程位于宁德市三都澳港区城澳作业区，工程主要建设内容：建设3.5万吨级和5万吨级通用泊位各一个及相应的水、电、通信等配套设施，码头水工结构按可靠泊15万吨级散货船预留。项目所在地区建筑材料供应充足，交通、通讯、供水、供电方便。工程建设场地利用滩涂和山丘地，不占农田，工程地质条件较好，具备了良好的建港条件。本文主要对该项目码头水工的建设自然条件、结构方案、结构方案论证和比选等方面进行介绍。

2 建设自然条件

2.1 水文、气象

（1）风况

该区常风向为SE向，出现频率18%，强风向为NW，多年平均风速1.4m/s，最大风速28m/s，极大风速40m/s，全年≥8级风日数为5.7天，年平均大风日为32.35天。本工程最大设计风速取55m/s。

（2）设计潮位（当地理论最低潮面，下同）

设计高水位：7.27m 设计低水位：0.57m

极端高水位：8.58m 极端低水位：-0.52m

（3）波浪

工程场区目前尚无实测资料，根据规范用小风区法推算的50年一遇波要素：H1%=2.31m，T=5.0s，波向为东向，本工程水工结构依此进行设计。

（4）水流

三都澳属强潮海区，海区地形复杂，岛屿星罗棋布，水域多呈水道形式，潮流呈往复流，流向与水道走向基本一致，潮流流向与深槽走向基本一致，一般落潮流速大于涨潮流速。本工程最大设计水流速取1.48m/s，流向为东南向。

2.2 工程地质

根据钻探揭露，本场地内地层结构自上而下依次为：淤泥层、粉质粘土层、淤泥质土层、碎石层、砂土状强风化花岗岩层、碎块状强风化花岗岩层、中风化花岗岩层等。其中砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩及中风化花岗岩埋深深浅不一，岩面高程变化较大，工程性能较好。

2.3 抗震设防标准

拟建场地处于抗震设防烈度6度区，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组属第一组，地震动反应谱特征周期为0.45s。

3 水工建筑物结构方案设计

3.1 结构选型

根据地质报告显示，码头平台区地质复杂，地势由南往北倾斜，坡度较陡，覆盖层主要由淤泥层、粉质粘土层、淤泥质土层组成，覆盖层厚度分布不均匀，工程性能差。基岩埋藏深浅不一，西侧基岩埋藏较深，东侧基岩埋藏较浅，强风化花岗岩层面标高介于-20.66m～-44.55m之间，中风化花岗岩岩面标高介于-20.66m～-46.45m之间。综合地质构造、工程造价、工期等因素，码头主体结构拟采用重力式沉箱结构方案和高桩梁板式结构方案进行比选。

3.2 结构方案设计

根据总平面布置方案，码头前沿线布置在等深线-18m～-40m之间，与规划前沿线一致，建设码头泊位长483m，码头作业平台宽32m，码头面高程+9.0m。码头前沿设计底高程为-18.7m，码头前沿停泊水域宽度取65m，停泊水域设计底高程两个泊位分别取-12.0m和-13.6m；回旋水域长轴取669m，短轴取446m，回旋水域设计底高程为-14.5m。

3.2.1 重力式沉箱结构（方案一）

码头为连片式布置，码头水工结构采用大型重力式沉箱结构，基础在基床顶面以下5m范围内采用10～100kg抛石基床，基床顶面5m深度以下范围抛填10～500kg块石，地基持力层为强风化岩或中风化岩。基床上安放钢筋混凝土大沉箱，沉箱长×宽×高=15.8m×14.04m×21.2m，重量约2566t。沉箱隔仓内回填10～50kg块石，沉箱后侧回填10～100kg减压棱体，沉箱上现浇C35钢筋砼胸墙，胸墙高6.5m。现浇胸墙后至码头后沿面层为10cm厚预制C50高强砼联锁块，其下铺设5cm厚的中粗砂垫层、30cm厚水泥碎石稳定层及25cm厚级配碎石垫层。码头面布置2条轨道，轨道型号为QU120，前轨设在现浇砼胸墙上，门机后轨采用轨枕道渣结构；考虑今后发展，预留一条卸船机后轨，轨距26m。

3.2.2 高桩梁板式结构（方案二）

码头为离岸式布置，码头水工结构采用高桩梁板式结构，分7个分段，共计45跨52排，每个排架由4根直径2.5m灌注桩或嵌岩桩组成，在水深较深处则回填10～100kg块石至标高-31.3m进行抛石护桩。码头上部结构由横梁、预制轨道梁、纵梁、钢筋砼叠合板、现浇板及磨耗层构成。其中预制轨道梁、纵梁均为预应力砼结构。码头平台上布置2条轨道，轨道型号为QU120，门机轨距为10.5m，其中海侧轨距码头前沿3.5m。考虑到远期发展需要，在码头平台后部预留一条桥式抓斗卸船机轨道，轨距为26m。

4 水工建筑物结构验算和比选

4.1 水工建筑物结构验算

4.1.1 码头平台设计荷载

（1）恒载：建筑物自重；

（2）均布荷载：30kN/m2；

（3）流动机械荷载

①门座起重机轨距10.5m，基距10.5m，轮距0.75m，8轮/腿，两机间最小轮距1.5m，工作状态时最大支腿压力400kN/轮×8轮/腿＝3200kN/腿；非工作状态时最大支腿压力 450kN/轮×8 轮/腿＝3600kN/腿。

②预留桥式抓斗卸船机轨道，轨距26m、基距18m，轮距1.05m，12轮/腿，海侧轨与门机共用，相邻两台卸船机最小轮距3m。工作状态（风速25m/s）轮压为650kN/轮，非工作状态（风速55m/s，锚定位）轮压为750kN/轮。

图1 码头结构断面图（方案一）

图2 码头结构断面图（方案二）

（4）运输车辆：20t自卸汽车、25t平板车；

（5）船舶荷载：15万吨级散货船舶，根据《港口工程荷载规范》进行计算；

（6）水流、波浪力：根据《港口工程荷载规范》、《海港水文规范》进行计算。

4.1.2 主要外力计算

（1）船舶系缆力：作用在船舶上的风荷载与水流力共同合成的系缆力。按照相关公式，根据风和水流最不利工况进行组合计算，得出15万吨级散货船最大系缆力标准值N＝1040.6kN。考虑风、流、波浪不利组合，码头前沿系缆设施选用1500kN系船柱。

（2）挤靠力：按照公式，经计算，15万吨级散货船挤靠力为 F′j=250kN。

（3）船舶靠泊撞击力：船舶靠岸时，对码头的船舶撞击能量按相关公式，经计算，15万吨级散货船最大有效撞击能量为 E0＝648.75kJ。

（4）横浪作用下船舶撞击力：系泊船舶在横浪作用下有效撞击能量按相关公式，经计算，15万吨级散货船在横浪作用下产生的有效撞击能量（分配在每组护舷上）为198kJ。因此，船舶在横浪作用下撞击能小于船舶靠泊时的撞击能，不起控制作用。

根据撞击力、挤靠力、横浪撞击力计算成果，码头选用SUC1450H鼓型橡胶护舷（两鼓一板，高反力型），单鼓设计吸能量E＝775kJ，设计反力R＝1217kN。15万吨级散货船满载时干舷高度为6.4m，设计高水位时，考虑二鼓同时吸能和受力；设计低水位时，考虑一鼓吸能和受力。

（5）地震荷载：场地处于抗震设防烈度6度区，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组属第一组，地震动反应谱特征周期为0.45s，可不考虑地震作用力。

4.1.3 作用分类与作用效应组合

（1）结构方案一（重力式沉箱结构）

①永久作用：自重力、墙后填料产生的土压力。

②可变作用：均布荷载、门机荷载、卸船机荷载、流动运输机械荷载、可变作用产生的土压力、船舶荷载、波浪力、施工荷载。

（2）结构方案二（高桩梁板式结构）

①永久作用：自重力。

②可变作用：均布荷载、门机荷载、卸船机荷载、流动运输机械荷载、船舶荷载、波浪力、施工荷载。

荷载组合时根据作用在码头结构上的作用性质 （永久作用、可变作用），按可能出现的最不利荷载结合设计水位进行组合。分为持久状况的各种组合、短暂状况和偶然状况进行结构计算。

4.1.4 结构主要计算内容

（1）结构方案一（重力式沉箱结构）：码头主体水工结构主要计算内容包括对沉箱底面前趾的抗倾稳定性、沿沉箱底面和抛石基床底面的抗滑稳定性、基床顶面及基底应力，详细计算结果见表1。

表1 重力式码头主体水工结构主要计算表

经计算，码头主体水工结构满足规范要求。

（2）结构方案二（高桩梁板式结构）：码头主体水工结构主要计算内容包括码头排架计算、纵梁、轨道梁计算。

①码头桩力及横梁内力计算结果，详见表2～4。

表2 码头横梁、轨道梁计算结果（承载能力极限状态）

表3 码头桩力计算结果（承载能力极限状态）

表4 码头桩顶及桩底弯矩计算结果（承载能力极限状态）

②桩基承载力计算结果，根据现有地质资料，码头各钻孔桩的单桩垂直极限承载力设计值计算结果见表5。

表5 码头单桩垂直极限承载力设计值

经验算，两个结构方案均可行。

4.2 结构方案比选

在结构方案均可行的前提下，对方案比选主要是从工程地质条件、施工工期、工程造价、使用要求、后期维护等方面进行综合考虑。

4.2.1 工程地质条件方面

根据地质报告显示，码头平台区地质复杂，地势由南往北倾斜，坡度较陡，覆盖层厚度分布不均匀，基岩埋藏深浅不一，西侧基岩埋藏较深，东侧基岩埋藏较浅，强风化花岗岩层面标高介于-20.66m～-44.55m之间，中风化花岗岩岩面标高介于-20.66m～-46.45m之间，岩面高程变化较大，工程性能较好。

由于本工程区域覆盖层厚度总体较薄，甚至部分岸段基本无软土层覆盖，采用打入桩困难较大，而且覆盖层主要为淤泥、淤泥质土，采用高桩梁板式结构，基桩需采用冲钻孔灌注桩或嵌岩桩，且在水深较深处还需回填10～100kg块石进行抛石护桩。鉴于本工程地基为比较坚硬的风化花岗岩，具有很高的地基承载力，适合建造重力式结构，采用重力式沉箱结构，只需对基床顶面以下进行大量抛填块石至标高即可。

4.2.2 施工工期方面

本工程属大型水运工程项目，且为业主码头。为尽早发挥效益，业主对项目施工工期有比较严格的要求。根据工程地质条件，该水工建筑物若采用高桩梁板式结构，则桩基只能采用钻孔灌注桩或嵌岩桩，无法采用预制钢管桩进行沉桩，施工工期上受制约。若采用重力式沉箱结构，施工工艺较简单，且沉箱可在码头后方陆域上进行批量预制。该结构具有水下工作量少，施工速度快等优点，进一步节省施工工期，符合项目业主要求。

4.2.3 工程造价方面

重力式沉箱结构方案的主要工程量是岸壁结构的基床抛石、沉箱内回填块石、后方回填开山石等所需的块石，需要回填石方数量约278万m3。但当地石料来源丰富，块石可在工程场区陆域形成时开采、运输、抛填，十分便捷，也进一步节省了工程造价。

经比对，重力式沉箱结构方案对应的总平面布置方案一，其工程总投资约61526万元；高桩梁板式结构对应的总平面布置方案二，其工程总投资约69683万元。重力式沉箱结构方案较高桩梁板式结构方案，工程造价上省8000多万元。

4.2.4 使用要求方面

在使用上，重力式沉箱结构较高桩梁板式结构具有坚固耐久、可承受较大的码头地面荷载、对码头地面超荷载和装卸工艺变化适应性强，结构整体性好、抗震性能强等优点。同时，该码头工程所在城澳作业区尽管水深条件优良，但后方高山贴岸，浅滩狭窄，可形成陆域空间十分有限。经计算，采用重力式沉箱结构方案形成的陆域总面积为167951m2;采用高桩梁板式结构方案形成的陆域总面积为119768m2。在同等情况下，重力式沉箱结构方案形成的陆域面积较高桩梁板式结构方案多近5万m2。

4.2.5 后期维护方面

在后期维护方面，重力式沉箱结构坚固耐久，使用期维护工作量少；而高桩梁板式结构耐久性较差，防腐要求高，后期维护费用较高。

综上所述，两个方案优缺点比较见表6。

表6 水工结构方案比选表

本项目地质情况较为复杂，为提高码头整体稳定性，加快施工进度，减少工序，增加陆域使用面积，码头平台结构推荐采用水工结构方案一，即重力式沉箱结构方案。

5 结束语

重力式沉箱结构和高桩梁板式结构是近年来码头工程中使用最多的两种水工建筑物结构型式。在设计水工建筑物时，在结构验算满足规范要求的前提下，应充分结合项目所在区域的工程地质条件，综合考虑施工工期要求、工程造价、使用要求等方面，对水工建筑物结构型式进行优化比选，使水工建筑物设计具有良好的经济性和实施性。