远洋渔业基地码头结构设计要点分析

■郑 炜

（福建省交通规划设计院有限公司， 福州 350004）

1 工程概况

远洋渔业是国家战略性产业， 是建设海洋强国、实施“走出去”战略和“一带一路”倡议的重要组成部分。2019 年，国家农业农村部批准设立福州（连江）国家远洋渔业基地，建设全国第三个国家远洋渔业基地。

本工程基地核心区位于闽江口的粗芦岛[1]，需配套建设远洋渔业母港，一期工程建设4 个远洋渔业泊位， 其中3#～5#泊位为1 万吨级泊位，6# 泊位为5000 吨级泊位，预测年吞吐量为60 万t，年设计通过能力为70 万t。

2 设计条件

2.1 地理地形

本项目所位于粗芦岛处于闽江口（图1），闽江口为强潮河口，工程海域潮差较大。

图1 工程区域位置

2.2 水文条件

2.2.1 设计水位

设计水位以当地理论最低潮面为基准，设计高水位：6.38 m； 设计低水位：0.90 m； 极端高水位：8.02 m；极端低水位：－0.14 m。

2.2.2 设计波浪

工程区域强浪向为SE 向， 重现期为50 年时，极端高水位下，码头前沿H1%达4.34 m。

2.3 设计船型

本工程为远洋渔业码头， 主要靠泊远洋捕捞船及运输船， 当前国内远洋渔船、 运输船缺少统一标准，尺度大小相差较大。 本工程采用杂货船的船型尺度进行类比分析， 预计到港船型以1000～10000吨级为主，主要设计船型及尺度如表1 所示。

表1 主要设计船型尺度

2.4 工程地质

根据工程地质报告揭示，拟建码头区域土层自上而下依次为：①淤泥、②中砂、③淤泥混砂、④砂混淤泥、⑤中砂、⑥卵石、⑦砂土状强风化凝灰熔岩。 其中②中砂、④砂混淤泥的结构松散，工程性能差；⑤中砂、⑥卵石的土质结构较均匀，中密状为主，工程地质性能较好。 各土层的桩基设计参数如表2 所示。

表2 各土层桩基设计参数

2.5 设计荷载

荷载设计如下：（1）恒载：结构自重。 （2）均布荷载：20 kN/m2。 （3）装卸机械荷载：10 t×30 m 门机荷载。 （4）流动机械荷载：集装箱拖挂车（远期预留，按荷载代号Tr-40 考虑）、20 t 汽车。 （5）船舶荷载：1 万吨级船舶（类比杂货船）作用力。 （6）波浪荷载：根据相关规范[2]计算波浪力。 （7）地震荷载：按基本烈度7 度设防，地震动峰值加速度值为0.1 g。

3 设计要点

设计要点如下：（1）工程区域水文条件具有波浪大、潮差大的特点，表现在50 年一遇波高H1%达4.34 m，设计高、低水位差达5.48 m。 （2）工程区域地质条件较差，硬土层埋藏深。 （3）本工程需满足高水位差条件下各类大、中、小型远洋渔船的靠泊、系缆要求。

4 设计方案

4.1 桩基选型

工程区地质情况较复杂， 软弱土覆盖层较厚，综合工程区域用海要求及地质条件，码头结构采用高桩梁板式结构。 从各土层物理力学指标分析，本工程宜采用⑤中砂、⑥卵石、⑦砂土状强风化凝灰熔岩等土层作为桩基持力层， 码头设计桩长约60～80 m。 桩型选择是高桩码头结构设计的关键因素，对工程造价有直接影响。 目前，高桩码头通常采用的桩型为预应力混凝土空心方桩、 钢管桩、 灌注桩、PHC 桩及预应力混凝土大管桩等。 由于设计桩长较长，若采用钢管桩或灌注桩，工程造价明显较高。 且工程部分区域存在卵石层、密实中砂层，PHC桩与大管桩沉桩困难、存在开裂风险且纵向裂缝难以检测。 而预应力混凝土方桩对于中砂或卵石的持力层具有沉桩可行性，技术成熟、工程造价低。 虽然方桩因截面尺寸较小，存在承载力及抗弯能力较小的缺点， 但本工程最大靠泊船型为1 万吨级渔船，码头使用荷载不大，通过工程措施可以解决波浪大的问题。 综合码头规模、工程造价、地质条件等因素，基桩采用预应力混凝土方桩。 受施工条件限制，福建省港口工程以往使用方桩最大尺寸为600 mm×600 mm。 近年来，北方地区部分港口工程突破尺寸限制，开始使用700 mm×700 mm 方桩，其制作、沉桩施工的可行性已得到验证[3]。 700 mm×700 mm 方桩在一定程度上弥补了方桩承载力及抗弯能力偏小的缺点。

4.2 结构方案

本工程码头平台长640 m，宽24 m，分为10 个分段，标准段排架间距为7 m，共计86 跨96 排。 每榀排架桩基由4 根直桩和1 对叉桩、1 根斜桩（斜率为4.5∶1）组成，基桩持力层主要为中砂或卵石，结构断面如图2 所示。 拟定码头结构方案后，通过结构受力分析确定码头面高程及桩基截面。

图2 码头结构断面

4.3 结构受力分析

4.3.1 波浪影响分析及码头面高程确定

根据受力标准控制的码头面高程计算结果为11.07 m，码头设计应综合考虑波浪、泊位等级等因素合理选取码头面高程。 波浪对码头的作用力主要表现为浮托力与水平冲击力。 浮托力对桩基产生拔桩力，水平冲击力对桩基产生水平位移和弯矩。 为降低大浪对码头结构的影响，可采用合理抬高码头面高程减小波浪作用面的办法来减小波浪力；同时可适当增加桩基斜桩数量来增加结构刚度，减小码头位移。

针对波浪大的设计要点，本工程经对比分析+11.0 m 与+12.0 m 不同高程的桩力设计值来确定合适的码头面高程，桩力计算采用易工结构设计软件。 根据《码头结构设计规范》[4]，打入桩承载能力可按式（1）～（2）计算：

式中：Qd为单桩轴向承载力设计值；Td为单桩抗拔承载力设计值；γR为单桩轴向承载力抗力分项系数；U 为桩身截面周长；ξi为折减系数；qfi为第i 层土的极限侧阻力标准值；li为桩身穿过第i 层土的长度；qR为单桩极限端阻力标准值；A 为桩身截面面积；G 为桩重力；α 为桩轴线与垂线夹角。

码头面高程为+11.0 m 与+12.0 m 时，最大桩力设计值与承载力计算结果如表3 所示。 该桩截面尺寸为700 mm×700 mm，桩身入土深度为48.7 m，桩底高程为－53.0 m。 结果显示：当码头面高程为+11.0 m时，基桩所承受的最大拔桩力较大，抗拔承载力无法满足要求。 若要进一步增大抗拔承载力，基桩普遍应至少增加3 m 以上的入土深度，部分区域还需打入岩面以下数米，造价高且施工困难。 当码头面高程抬高至+12.0 m 时，大浪对码头上部结构的作用力随之减小，桩力设计值显著降低，单桩极限承载力满足要求。 因此，综合考虑结构受力、工程造价及施工可行性等因素，码头面高程确定为+12.0 m。

表3 桩基最大桩力设计值与承载力计算结果

4.3.2 基桩受力验算及桩截面尺寸确定

根据《码头结构设计规范》4.3.1 的规定：“计算桩使用期的内力时，应考虑施工期产生的在使用期仍然存在的内力，如斜桩自重力产生的内力等”。 本工程单个排架中斜桩较之直桩所承受的弯矩更大。其原因在于受波浪影响，码头面高程较高，致使基桩自由长度长、受弯长度大，由于预应力混凝土方桩具有自重大的特点，其自重产生的弯矩较大。 鉴于此， 为确定斜桩合适的桩截面尺寸， 本工程对600 mm×600 mm 与700 mm×700 mm 两种规格方桩进行受力对比分析，截面尺寸如图3 所示，桩力计算结果如表4 所示。

表4 桩力计算结果

图3 桩基截面尺寸

结果显示：两种规格的方桩均能满足承载力极限状态下的抗压与抗拉要求。 根据《水运工程混凝土结构设计规范》[5]，混凝土构件除应满足承载力极限状态下的受力要求外，还应满足正常使用极限状态下的抗裂验算，二级构件抗裂验算公式如下：

式中：σck、σcq为在标准组合、 准永久组合下抗裂验算边缘的混凝土法向拉应力；σpc为扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力；αct为混凝土拉应力限制系数；σtk为混凝土的轴心抗拉强度标准值。

预应力混凝土方桩边缘在桩身弯矩和偏心距较大时出现最大法向拉应力，此时为抗裂验算的最不利工况，方桩抗裂验算结果如表5 所示。 结果显示： 由于斜桩弯矩较大，600 mm×600 mm 斜桩在标准组合与准永久组合下均无法满足抗裂要求。700 mm×700 mm 方桩抗裂能力较600 mm×600 mm方桩有显著提高，其抗裂验算结果符合要求，因此本工程直桩选用600 mm×600 mm 方桩， 斜桩选用700 mm×700 mm 方桩。

表5 最不利工况下抗裂验算结果

4.4 靠泊、系缆结构设计

本工程水位大且码头面较高， 而远洋渔船、运输船尺寸大小相差大。 设计时应妥善考虑各类船舶靠泊、系缆需要。 由于该类船舶舷侧形状区别大，采用传统的DA 型护舷容易卡顿、撞坏。 本工程通过采用三鼓一板的护舷设计满足了不同类型船舶的靠泊需要， 解决了该类型码头护舷容易损坏的问题。 由于靠泊船型种类多，船舶干舷高度相差大，若仅在码头面设置系船柱，则在低水位时，小型渔船系缆不便。 因此设计时采用双层系缆方式，上层系缆位于码头面， 下层系缆平台顶高程为+8.1 m，通过现浇踏步与码头面衔接（图4），以保证船舶的安全系缆。

图4 码头系缆平台立面图

5 结语

（1）预应力混凝土方桩具有技术成熟、造价低、耐久性好的优点，增大预应力方桩截面尺寸，可有效提高基桩抗弯性能。 部分风浪大、潮差大海域建设中型码头基桩采用700 mm×700 mm 方桩可满足结构受力要求，降低工程造价。 （2）开敞水域码头设计应综合考虑波浪、泊位等级等诸多因素合理选取码头面高程，可有效改善码头结构受力。 （3）针对潮差大、兼靠大小吨级船型的码头可通过采用三鼓一板护舷满足船舶靠泊，采用多层系缆的方式保证船舶系缆。