自动化集装箱堆场结构与排水系统优化设计

元 征，贺春晖

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

青岛港前湾港区迪拜环球码头工程是全国第一个建设投产的集装箱自动化码头。该项目在自动化装卸工艺、自动化控制系统、创新技术综合运用等方面达到了全球领先水平。工程建设岸线长度1 320 m，陆域纵深784 m，设计自动化集装箱堆场39条，堆场垂直码头岸线布置，跨距28.5 m，采用堆5过6模式。在堆场结构和排水设计中，设计人员根据现代化的设计理念不断完善优化，取得了不错的效果。

在现有港口工程集装箱堆场排水系统设计中，影响排水系统设计主要因素有以下几个方面：

1）集装箱堆场的平面布置。集装箱堆场布置分为平行码头岸线和垂直码头岸线两种布置形式。堆场布置形式影响了排水系统设置方向。

2）集装箱堆场的装卸设备。目前自动化集装箱码头多采用轨道式龙门起重机，轨道基础采用钢筋混凝土轨道梁或轨枕道砟结构。对于自动化集装箱堆场，堆场区铺面结构要求满足设备精准定位、减少后期维护等新要求。

3）集装箱堆场的铺面。堆箱区铺面结构形式包括：全部高强连锁块铺面、箱角梁加碎石铺面、箱角梁加连锁块铺面等。

1 海绵城市设计理念

所谓“海绵城市”，在学术上定义为“低影响开发雨水系统构建”，主要指在降雨时，利用聚集、渗透、净化的作用，最大化地降低地表给水，在旱季时节，又可通过补充水资源来调节水循环目的的一种新型城建系统。我国《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》中，把海绵城市定义为让城市跟海绵一样，在降雨时节能够通过吸水、储水、渗水、净水、放水的功能，从而有良好弹性来适应环境变化，应对自然灾害。

在自动化集装箱堆场设计中，我们改变了原有堆场雨水必须全部收集的观念，借鉴了海绵城市的设计理念，在允许场区部分渗流的条件下，对集装箱堆场排水系统进行优化设计，有效缓解排水系统压力，减少排水系统的投入。

2 集装箱堆场结构设计

集装箱港区堆场设计主要考虑因素包括，集装箱堆高、工艺设备精度、地基沉降、施工水平等。由于自动化集装箱场区存在堆高高，设备精度高等特点，对堆场铺面结构提出了更高的要求。

自动化集装箱堆场水平运输通过自动化轨道式龙门起重机完成，因此集装箱堆场内不设置水平运输设备，堆场面层结构设计仅考虑集装箱箱角的集中荷载。在实际设计过程中，我们采用了连锁块铺面结构和箱角梁配合级配碎石两种设计方案，并在实践进行了验证比较。

2.1 连锁块铺面结构

高强联锁块铺面结构在各大港口的实际应用效果，由于自动化堆场设备定位精准，落箱冲击荷载小，联锁块结构具有价格优势。青岛港前湾港区迪拜环球码头一期工程（5#、6#泊位）的重箱堆场结构采用了常规高强混凝土联锁块结构。

集装箱重箱堆场最大堆高5层，堆场全部采用高强混凝土联锁块铺面结构，联锁块结构断面自上而下分别为：100 mm厚C60联锁块、40 mm厚中粗砂垫层、600 mm厚水泥稳定级配碎石、200 mm厚级配碎石。堆场中间设置排水沟，堆场坡度要满足自动化集装箱龙门起重机精度的要求，设计地面排水坡度为3 ‰。

由于3 ‰坡度太缓，实际施工难度较大，施工坡度检验较难达到设计要求，实际实施按照水平坡度施工。使用一段时间后，由于部分区域不均匀沉降，场区会造成局部坑洼积水以及排水不畅等情况。图1为堆场结构断面示意。

1.2.2 党参总皂苷含量测定。人参皂甙Re标准品用甲醇溶解，配制1.2 mg/mL标准品母液。移取标准品母液30、60、90、120、150 μL于具塞试管中，60 ℃水浴中蒸干，经香草醛-高氯酸-冰醋酸显色反应后，以试剂空白(随行处理的甲醇)为参比溶液，分光光度计测定吸光度，绘制标准曲线[11]。

图1 堆场连锁块结构断面示意

2.2 箱角梁配合级配碎石铺面结构

由于高强混凝土联锁块结构受其块体质量、施工因素影响制约较大，自动化集装箱堆场重箱箱角区域要求较高，施工中对块体质量及铺砌施工难以作到精细化管理。使用中微小的平整度误差会对自动化轨道吊作业效率产生影响，同时箱角区域若出现块体损坏需要维修时，必须整个堆场停产维修。在二期工程（7#、8#泊位）设计时，我们总结了一期工程施工和运营的经验，对自动化集装箱堆场结构进行了优化设计。

二期工程堆场结构采用钢筋混凝土条形基础+PHC桩基础，其力学强度高、平整度可以得到很好的保证且使用年限长，使用年限内基本无沉降，运营期间维修频率较小，有益于提高生产作业效率。

重箱集装箱箱角采用PHC桩支撑钢筋混凝土条形基础；条基空挡区采用级配碎石铺面结构。各条堆场分置于左右两条条基上，条基之间设置排水沟。堆场箱角梁条基之间铺面结构断面为：200 mm厚级配碎石，下层为压实地基。

该设计方案利用了海绵城市设计理念，箱角梁条基空挡区域设置级配碎石，不设排水坡度，允许部分雨水渗入，多余雨水再通过排水沟排出。图2为二期工程堆场结构断面示意。

图2 堆场箱角梁结构断面示意

3 排水沟断面结构设计

根据《海港总体设计规范》（JTS 165-2013），雨水设计流量计算公式为：

式中：

Q为雨水设计流量（L/s）；

ψ为径流系数；

q为设计暴雨强度[L/(s·hm2)]；

F为汇水面积（hm2）。

根据规范，采用联锁块铺面，径流系数ψ=0.60，采用级配碎石铺面，ψ=0.40～0.50，在汇水面积和暴雨设计强度相同的条件下，采用级配碎石面层结构，相当于雨水设计流量减少17 %～33 %。在其他条件相同的情况下，过水断面面积可减少17 %～33 %。

实际设计中，方案1排水沟设计宽度600 mm，方案2排水沟设计宽度为400 mm，排水沟过水断面方案比较如表1。

表1 排水沟设计方案比较

方案1排水沟结构主要受力为堆场集装箱箱角荷载传递产生的侧压力；方案2采用箱角梁条基后，箱角荷载沿箱角梁向下传递，排水沟结构主要受力为覆土的侧压力，排水沟侧壁受力情况小于方案1。

根据结构计算结果，方案1排水沟设计壁厚为300 mm，方案2排水沟设计壁厚为200 mm。

方案1排水沟内壁设计宽度为600 mm，壁厚300 mm；方案2排水沟内壁设计宽度为400 mm，壁厚200 mm。

根据两个方案绘制排水沟断面图，根据排水沟设计宽度和沟深的不同，比较排水沟设计断面面积变化，计算钢筋混凝土用量。

比较方案1与方案2排水沟断面面积如图3～图5。

图3 排水沟设计断面示意

图4 排水沟设计断面比较

图5 排水沟断面随沟深变化趋势

如图所示，随着排水沟深增加，方案2设计断面减少比例有所降低，但平均值达到了约44 %。从结论可知，在忽略钢筋配筋率影响的情况下，方案2比方案1钢筋混凝土用量减少了约44 %，排水沟结构投资减少在40 %以上。

3 结语

青岛港前湾港区迪拜环球码头一期工程（5#、6#泊位）堆场采用联锁块铺面方案，堆场中间设置排水沟，排水沟结构需要满足箱角集中荷载传递土压力对排水沟侧壁的影响。排水沟设计结构断面较大，壁厚较大，配筋较多，排水沟投资大。二期工程（7#、8#泊位）堆场采用箱角梁配合级配碎石铺面方案，排水沟布置在两条箱角梁条基中间，排水沟侧壁不再受箱角荷载传递的影响，同时条基之间设置级配碎石，允许雨水部分渗入，地表径流量大大降低，因此结构断面得到了优化，优化设计后，排水沟工程投资节约44 %。

通过优化设计，堆场采用箱角梁结构，不再设置排水坡度，对自动化集装箱堆场设施定位和维护有显著效益，避免由于地面不均匀沉降，集装箱堆存过高顶端产生较大偏角。

借鉴海绵城市设计理念，箱角梁条基之间的堆场允许部分渗流，排水沟结构不再考虑集装箱箱角基础荷载，壁厚减少100 mm，钢筋混凝土用量大大减少，整体排水沟结构断面得到优化。

本文通过对两种堆场结构在一个工程的设计实例，对自动化集装箱堆场排水系统进行了比较。影响集装箱堆场排水系统设计的因素主要是堆场的结构形式，在借鉴海绵城市的设计理念后，允许堆场雨水部分渗入，降低了堆场雨水径流量，优化了堆场排水沟结构断面，节约了排水沟工程投资。