湄洲湾港涵江作业区某泊位水工建筑物结构方案探讨

■邹晓川

（福建省罗屿港口开发有限公司，莆田 351100）

湄洲湾港涵江作业区某泊位水工建筑物为建设1 号、2 号泊位两个3 万吨级通用泊位（码头水工结构按5 万吨级散货船设计预留）和3 号泊位1 个7 万吨级散货泊位及相应的配套设施， 同时1～3 号泊位兼顾1 艘5 万吨级和1 艘7 万吨级散货船靠泊要求。 水工建筑物安全等级均为二级，结构重要性系数γ0取1.0，码头设计使用年限为50 年。 水工建筑物采用重力式沉箱结构，本研究详细介绍设计需要考虑的要素、方案比选及设计过程。

1 工程概况

1～3 号泊位兼顾1 艘5 万吨级和7 万吨级散货船同时靠泊，设计年通过能力694 万t，年设计吞吐量为545 万t，主要承担涵江区钢材、建材、啤酒、豆粕、集装箱、大麦等货物运输。

2 设计条件

2.1 设计荷载

（1）恒载：建筑物自重。（2）均布荷载：30 kN/m2。（3）轨道荷载：40 t 门机为轨距16.0 m，基距12 m，总轮数32 个，每支腿8 个轮，轮距0.85 m，海侧轨中心线距码头前沿3.5 m， 两机之间的最小轮距为1.5 m。自重700 t。工作状态（双机紧邻作业）：海侧两个支腿轮压分别为：3 500 kN/腿， 陆侧两个支腿轮压分别为1 000 kN/腿；工作状态（单机作业）：海侧两个支腿轮压分别为：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陆侧两个支腿轮压分别为3 500 kN/腿和1000 kN/腿；非工作状态海侧两个支腿轮压分别为：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陆侧两个支腿轮压分别为3 500 kN/腿和1 000 kN/腿。（4）运输车辆：20 t 自卸汽车、40 t/20 t平板车、40 英尺集装箱拖挂车。 （5）船舶荷载：2 万吨级集装箱船、3 万吨级杂货船、7 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。

2.2 工程地质

2.2.1 工程地质条件

从勘察、踏勘分析及区域资料可知，场地下无活动性断裂通过，不存在滑坡、泥石流等地质灾害，不存在暗埋的地下管道、暗塘、墓穴等对工程不利的地质现象，但场地存在较厚的软土淤泥。 地面标高自北往南平缓降低，层顶高程：2.64～-0.8 m。软土淤泥厚度9.30～12.00 m。 淤泥下地层结构自上而下依次为：粉质粘土、中砂、卵石、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎屑状强风化花岗岩及中风化花岗岩。

2.2.2 水工建筑物基础持力层

本工程码头为重力式沉箱结构，基床地基持力层拟采用强风化花岗岩作为持力层。

3 结构方案

3.1 结构选型原则

（1）充分考虑工程区域及周边地区的建设条件及自然条件，结构设计满足码头的使用功能和建设工期要求，并尽可能减少对环境的不利影响。

（2）结合类似码头设计的成功经验，针对本工程水工建筑物的技术特点和难点，通过方案比选并采取相应的技术措施，推荐技术先进、经济合理、使用方便和耐久性高的结构方案。

（3）分析重力式码头结构设计的关键技术，如回填材料、倒滤措施、沉降控制、挖泥、后轨基础等，提出经济可靠的解决方案。

（4）分析各种设计条件，选择合理的设计参数，通过计算和经济性比较，确定各构件的型式、尺寸。

3.2 结构选型

根据现有的钻孔资料显示，拟建工程处的覆盖土层主要以淤泥和卵石为主，前沿线位置淤泥厚度约10 m，其下主要为卵石层和风化岩层，风化岩层埋深相对较深。 由于本工程1 号、2 号码头为2 个3万吨级（结构按5 万吨级设计）和3 号码头为7 万吨级泊位，码头前沿设计底高程正好处于卵石层或风化岩层位置，通过开挖覆盖层可达到作为重力式码头基础的持力层， 是理想的重力式码头建设条件。 因此水工建筑物采用重力式码头结构是合适的，而且本工程码头位置的挖泥等疏浚量可用于后方临港产业园陆域形成回填工程。

另一种常见的码头结构型式——高桩梁板式结构在本工程中应用有明显的劣势，通过开挖停泊水域后，码头前沿线位置岩层覆盖层较薄，需大量采用嵌岩桩技术，施工难度大、费用高、结构耐久性差、码头接岸结构代价大；因此，本工程拟不采用高桩结构。

目前国内常见的重力式码头结构型式有沉箱、方块及扶壁结构。 方块码头从技术上而言，可以成立，但由于预制件数量较大，不能满足快速形成码头岸壁的需要。 扶壁结构需要解决施工阶段稳定问题，受风浪条件、起重能力制约明显，不适合在本工程采用。 沉箱结构能避免上述问题，不仅施工的稳定性及速度有保证，而且邻近地区预制厂的出运条件及生产能力对工期均有保证。类似工程和邻近工程多采用沉箱结构也充分说明这一点。

因此， 本工程码头结构选用重力式沉箱结构，并根据墙后填料的不同，进行回填海砂和抛石棱体的重力式沉箱方案的比选。

3.3 码头水工结构方案

码头平台采用不带卸荷板的大型沉箱结构，根据墙后填料的不同，设计两个方案[1]。3.3.1 码头结构方案一（对应总平面布置方案一）

本方案码头平台采用墙后填砂的重力式沉箱方案，1 号、2 号泊位码头结构断面见图1，3 号泊位码头结构断面见图2。

图1 1 号、2 号泊位码头结构断面图（方案一）

图2 3 号泊位码头结构断面图（方案一）

码头为连片式布置，1～3 号泊位总长690 m，1 号泊位端部预留延伸段长52.89 m，3 号泊位端部预留延伸段长50.38 m； 码头顶面设计标高为+10.0 m，1 ～3 号泊位码头前沿设计底高程为-15.61 m，而1 号和2 号泊位码头前沿停泊水域设计底高程为-14.21 m，3 号泊位码头前沿停泊水域设计底高程为-15.61 m。 根据岩层标高分布情况，选用强风化作为码头的持力层。 沉箱安放在抛石基床上，抛石基床块石重量10～100 kg，厚度大部分为3～5 m，局部达到10.8 m。

沉箱尺寸为长17.55 m、 底宽21.0 m、高18.61 m，单个沉箱重约3 022 t，供布置沉箱45 个。沉箱顶标高均为3.0 m，顶面以上为现浇砼胸墙，胸墙高7 m。 沉箱前仓格-2.0 m 以上采用回填10～50 kg 块石，其余仓格均回填中粗砂。 沉箱后侧抛石基床顶面铺设混合倒滤层和土工布，其上回填中粗砂（内摩擦角≥28°）。 沉箱采用对接方式，在箱间设置倒滤井，倒滤井采用砼插板和二片石、混合倒滤碎石的结构型式。 码头前沿两轨道之间13.65 m 范围内面层为现浇砼面层，面层厚度250 mm，其下铺设5%水泥碎石稳定层300 mm、 级配碎石垫层250 mm；后轨后侧10.5 m 范围面层为50 MPa 高强联锁块， 面层厚度100 mm， 其下铺设砂垫层50 mm、5%水泥碎石稳定层300 mm 及级配碎石垫层250 mm。

门机前轨座落在砼胸墙上；门机后轨采用轨枕道渣结构。

3.3.2 方案二（对应总平面布置方案二）

本方案码头平台采用墙后抛石棱体的重力式沉箱方案，1 号、2 号泊位码头结构断面见图3，3 号泊位码头结构断面见图4。

图3 1 号、2 号泊位码头结构断面图（方案二）

图4 3 号泊位码头结构断面图（方案二）

方案二同方案一的主要区别在于： 方案二沉箱后侧为回填10～100 kg 抛石减压棱体， 减压棱体分为两级，上级减压棱体底高程为+3.0 m。 减压棱体坡面表层抛设0.5 m 厚的二片石垫层， 其上再设置5～100 mm 混合倒滤层，倒滤层表层铺设一层400 g/m2土工布，最后为回填海砂。 沉箱尺寸为长13.9 m、底宽17.65 m、高18.61 m，单个沉箱重约2 026 t。 方案二供布置沉箱55 个，沉箱之间采用平接型式。

4 方案比选

4.1 结构计算

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1～2，码头整体稳定计算详见表3。

表1 码头结构计算成果（方案一，持久组合）

表2 码头结构计算成果（方案二，持久组合）

表3 码头整体稳定性计算结果

4.2 比选结果

两个结构方案均可行，但在技术、经济、施工等方面存在差异，两个方案的主要优缺点比较见表4。

表4 水工结构方案比选

为了尽可能缩短工期，实现快速施工，又要尽量避免施工阶段可能遇到的施工风险，方案一满足了方案技术可靠、施工工艺成熟、施工速度快及施工阶段稳定性高的要求。 故推荐水工结构方案一。

5 结语

泊位水工建筑物结构选型是水运码头工程设计研究的重点内容，需要考虑工程区域及周边地区的建设条件和自然条件，综合考虑经济性、安全可靠性，通过计算和经济技术比较，确定各构件的型式、尺寸。 本文通过对码头水工建筑物结构选型的研究，希望可以给类似工程提供参考。