外海开敞墩式码头的上水情况研究

李 斌，马 旭

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

近年来，随着水运行业的蓬勃发展，沿海各港口的天然岸线资源已基本被开发利用，越来越多的新建码头或泊位不得不选址在外海开敞海域。外海开敞式码头大多面临水深、浪大等不利条件，在这种自然条件下，码头顶面的上水情况会较为严重，因而很多工程码头前沿顶高程的确定是由码头上水控制的。码头前沿顶高程与船舶系缆、装卸作业、结构安全、周边衔接等息息相关，对工程投资造价有直接影响，因此从结构的角度出发，在保持码头前沿顶高程不变的情况下，通过研究结构的优化设计方案来达到降低码头面上水高度的目的，是十分必要且意义重大的。

本文以某港30万t级原油泊位为例，分析外海开敞墩式码头的结构优化方案，并通过物理模型试验验证不同结构方案对码头上水的影响效果，为今后类似工程提供借鉴。

1 设计条件

1.1 工程概述

某港30万t级原油泊位长度为401 m，码头前沿设计底高程为-26.0 m，顶高程11.0 m。工程区域地质较好且分布规律，下伏基岩为强风化白云岩和中风化白云岩，可作为良好的持力层。该原油泊位采用蝶形布置的重力式沉箱墩式结构，中间布置工作平台1座，平台两侧各布置靠船墩1座和系缆墩3座，后方通过1座4跨引桥与陆域衔接，引桥下方布置消控平台墩1座和引桥墩2座，泊位效果见图1。

图1 某港30万t级原油泊位效果

1.2 设计水位

设计高水位：2.46 m

设计低水位：0.25 m

极端高水位：3.56 m

极端低水位：-0.95 m

1.3 设计波浪要素

表1 设计波浪要素

2 结构优化设计

由于原油泊位工作平台的码头面上需布置大量油工艺、消防的设备、管线和控制阀门等，对码头顶面的上水情况较为敏感，因此主要针对工作平台进行结构研究。根据平面布置和工艺需求，工作平台平面尺度为43.4 m×30 m，基础由2座方沉箱构成，沉箱顶高程为2.0 m，高度为29 m，单个沉箱长31.45 m×宽22.15 m。沉箱顶安放预制盖板后现浇叠合板，其上为现浇胸墙结构。

对于墩式码头而言，在不改变码头前沿顶高程和码头平面尺度的情况下，为改善码头上水情况，需采用具有透浪或消浪效果的结构，使部分入射波浪透过码头结构或消能，进而降低其波峰面高度，减少码头面上水高度。具体优化思路可分为两种：对上部结构的优化设计和对沉箱的优化设计。

1）上部结构优化设计

已有部分工程进行了胸墙开孔或透空式上部结构的研究和实践，其中透浪效果最好的设计方案为在沉箱盖板上现浇一定数量的墩柱结构，其上现浇钢筋混凝土顶板形成码头面。这种上部结构能在较大程度上使入射波浪透过墩式码头，有效降低波浪反射和波峰面高度，然而，对于外海开敞式码头，由于缺少有效的掩护，施工过程中需面对外海较大的波浪条件，采用大量透空式的现浇结构会极大地增加施工难度，对工程进度和施工费用均有较大影响。曾有外海开敞墩式码头在上部结构现浇施工过程中遭遇极端天气导致大量钢模板和未到龄期的混凝土结构发生破坏，遭受经济损失的案例。因此，如能采用自重较轻、可以预制安装的结构来实现透浪或消浪效果最为理想。

双柱消浪块体[1]（如图 2）具有形状特殊、外观优美、消浪性能极佳的特点，透空率约为50 %，对长周期波的反射率与其它类型块体相比较低。主要由开孔的水平板和前端为椭圆形壁面的竖板组成，上下交错安放，不但能形成波流的椭圆形消能通道，而且形成弧面与孔道上下左右交替的优美外观（如图3）。其消浪原理[2]为将波浪水体的上下运动改变为水平运动，波浪导入椭圆形消浪室内，产生摩擦、冲击，达到消浪和减少墙前反射波的目的。双柱消浪块体已在厦门环岛路、烟台滨海路、威海金线顶等景观护岸工程中得到应用，作为直立式护岸岸壁的一部分，其消能和降低波浪反射的效果已经过了模型试验和实际工程的检验。

图2 双柱消浪块体三维结构

图3 双柱消浪块体吊装完成后

基于以上特点，拟将双柱消浪块体创新性地应用到墩式码头的上部结构设计中。将两层预制的双柱块体叠砌安放于沉箱盖板四周，并在平台四角现浇胸墙，进而对内部结构施工形成掩护，使其形成干施工条件，能很好地适应外海及冬季施工。在形成墩式码头上部结构的同时兼备消能和美观的效果，优化设计后的结构立面如图4所示。

图4 工作平台结构立面（上部结构优化设计）

2）沉箱优化设计

开孔沉箱作为一种较成熟的重力式结构型式，已有许多实际工程经验，也有应用在外海开敞海域的工程案例。研究表明[3,4]，相比于实体沉箱，开孔沉箱能起到一定的透浪效果，有利于减小波浪反射作用。因此，对沉箱的优化设计采取外壁和隔墙均开孔的沉箱结构，保持沉箱主体尺度不变，在沉箱外壁设矩形孔3排，单个孔宽2.5 m×高1.2 m，在沉箱隔墙设矩形孔1排，单个孔宽2.2 m×高3.5 m，开孔沉箱模型见图5。

图5 开孔沉箱模型

3 物理模型试验

3.1 试验方案

为验证上述结构优化设计方案能否达到预想的降低码头面上水高度的效果，需进行波浪局部整体物理模型试验。试验水池尺度为12 m×50 m，深度为 1.5 m，造波机为电机伺服推板式，可生成规则波和不规则波。

根据结构方案，本次物理模型试验主要验证 2组对比因素对波峰面高度和码头面上水的影响，在NE向波浪作用下，进行2种胸墙结构（双柱块体上部结构和实体胸墙结构）和2种沉箱结构（实体沉箱和开孔沉箱）相互组合的模型试验，具体试验方案如下：

方案1为实体沉箱、双柱块体上部结构；

方案2为实体沉箱、实体胸墙结构（试验模型见图6）；

方案3为开孔沉箱、双柱块体上部结构（试验模型见图7）；

方案4为开孔沉箱、实体胸墙结构。

图6 试验模型摆放（方案2）

图7 试验模型摆放（方案3）

3.2 试验结果

在工作平台和靠船墩前布置波高传感器，测点位置如图8所示，测定NE向不规则波H13%作用下各方案的波峰面高程，试验结果汇总见表2。

图8 波峰面测点布置

表2 波峰面高程试验结果（单位：m）

3.3 试验结果分析

根据波高传感器布置情况，S1～S3测点位于左侧靠船墩前沿，S4～S6测点位于工作平台前沿，S7～S9测点位于右侧靠船墩前沿。由试验结果可以发现，在设计低水位和极端低水位时，测得的波峰面高程均低于码头结构顶高程11.0 m，即低水位情况码头顶面没有上水，因此针对高水位情况（极端高水位和设计高水位）分析码头面上水情况，每个墩台上的最大上水高度为试验测得的最大波峰面高程与墩台结构顶高程的差值。

将方案1和方案2的结果进行对比（如图9）可以发现，在沉箱均为实体沉箱时，采用双柱块体上部结构相比传统实体胸墙结构，能明显改善码头面上水情况，在高水位情况，每个墩台的最大上水高度降低了0.6～0.7 m。将方案3和方案4的结果进行对比，在沉箱均为开孔沉箱时，也能得到类似的结论。由此可见，对胸墙结构进行优化设计，采用具有一定透空效果的双柱消浪块体上部结构对降低波峰面高程，改善上水情况具有较为显著的效果。

图9 方案1和方案2上水结果对比

将方案1和方案3的结果进行对比（如图10）可以发现，在上部结构均为双柱消浪块体时，采用开孔沉箱相比实体沉箱，能略微改善码头面上水情况，但效果非常微弱，在高水位情况，每个墩台的最大上水高度降低的幅度均小于 0.1 m。这主要是由于本工程前沿水深较深，受单个沉箱预制总重量和现场施工水位等因素制约，工作平台沉箱顶高程定为 2.0 m，因此沉箱开孔的位置处于水位变动区和水下区。在此区域内开孔，虽能起到一定的透浪效果，但对于高水位而言，开孔位置明显低于入射波浪的平衡位置，对波能的消散作用十分有限，对码头面上水情况的影响较小。

图10 方案1和方案3上水结果对比

综上，经物理模型试验验证，采用透空结构来替代传统的实体结构，可以实现降低高水位情况下波峰面高程，减少码头面上水的目的。采用双柱块体上部结构，即对胸墙结构进行透空设计时，对改善码头面上水情况影响较大，而采用开孔沉箱，即对沉箱结构进行透空设计时，对改善码头面上水情况影响较小，这主要是因为透空结构所处位置的不同导致的。由于码头面上水主要发生在高水位情况，高水位以上的结构高度为波能集中的主要位置，在此区域内进行透空设计，使波浪透过结构消能、破碎，方能有效降低码头面上水高度；在高水位以下的位置进行透空设计，即使透空效果更好、透空率更高，对码头面上水高度的影响也微乎其微，无法实现预想的设计意图。

4 结 语

本文从结构的角度出发，研究如何通过优化结构设计来实现降低码头面上水高度的目的，以某港30万t级原油泊位为例，分析外海开敞墩式码头的结构优化设计方案，并开展不同对比因素的波浪局部整体物理模型试验，验证优化后的结构方案对码头面上水的影响效果。试验结果表明，采用透空结构（如双柱块体上部结构、开孔沉箱）来替代传统的实体结构，能降低高水位情况下码头面上水高度，而透空结构所处的位置决定了其对上水高度影响的大小，透空结构位于波能集中区域时对上水高度的影响最为显著。后续进行类似工程结构设计时，可加以借鉴。

双柱消浪块体以其优美的外观和良好的消浪效果已在多个景观护岸工程中得到应用，本文创新性地将双柱消浪块体应用到墩式码头上部结构设计中，通过物理模型试验验证，与传统实体胸墙结构相比，双柱块体上部结构在高水位情况下能有效降低码头前沿波峰面高度，对上水控制也较为明显；同时由于双柱块体结构自重轻，施工方便，其预制安装施工后，可对内部结构施工形成掩护，使其形成干施工条件，适应外海及冬季施工。为改善外海开敞墩式码头的上水情况提供了新的解决办法，对双柱消浪块体的应用进行了拓展和丰富，为今后类似工程建设积累了理论和实践经验。