湄洲湾港罗屿作业区某大型深水泊位水工建筑物结构选型研究

邹晓川 福建省罗屿港口开发有限公司

1.引言

本工程岸线长401m，设计代表船型为30万吨级散货船，码头水工结构按照可靠泊40万吨散货船进行设计。水工建筑物安全等级按二级建筑物设计，结构重要性系数1.0，码头结构设计使用年限为50年。本工程水工结构设计船型为40万吨级散货船，是散货码头设计船型中吨级最大的，因此水工建筑物选型对整个项目的研究至关重要。本次设计水工建筑物拟采用重力式方沉箱结构，本文详细介绍了水工建筑物结构选型研究及比选过程。

2.工程概况

罗屿作业区8号泊位建设规模为1个30万吨级矿石卸船泊位（码头结构按靠泊40万吨矿石船设计建设），岸线长度401m，设计年吞吐量980万吨，设计年通过能力995万吨，主要运输货种为铁矿石。

本泊位紧邻罗屿作业区已建9号、10号泊位，其中9号泊位为40万吨散货卸船泊位，是东南沿海最大的散货中转码头。本次拟新建8号泊位为30万吨级散货泊位，将与9号泊位构成2个大型专业化铁矿石接卸泊位，建成后罗屿作业区将初步形成规模效应。

3.设计条件

3.1 设计荷载

（1）永久荷载：结构自重。

（2）均布荷载：码头前沿至陆侧130m区域均布荷载：20kΝ/m2。距码头前沿130m至190m区域均布荷载：100kΝ/m2。距码头前沿190m以后均布荷载：300kΝ/m2。

（3）卸船机：轨距30m、基距20m、轮距1.2m，12轮/腿×4腿，两机间最小轮距3m。工作状态最大轮压：（1）海侧900KΝ；陆侧500KΝ；（2）海侧800K Ν；陆侧650K Ν。非工作状态最大轮压（处于锚定位时）：海侧900KΝ；陆侧900KΝ。水平力取值腿压的10%测算。

（4）流动机械：40t平板车（满载）。120t汽车吊（校核荷载，安装维修时使用），最大使用支腿压力420kΝ。

（5）船舶荷载：40万吨级散货船舶。

（6）水流、波浪力等：根据相关规范进行计算。

3.2 工程地质

本工程勘探深度范围内揭露的地层主要为第四纪松散堆积层和花岗岩及其风化层。成因类型主要以海积、坡积、残积为主。根据勘探揭露地层的地质时代、成因类型、埋藏深度、物理力学性质指标及其工程地质特征，自上而下分为六个大层及分属不同大层的亚层：I1-1深灰色淤泥；I1-2深灰色淤泥混砂；I2灰色淤泥质黏土；I3灰色中粗砂混淤泥；II2-1灰黄色中粗砂混黏性土；II2-2灰黄色中粗砂；V1花岗岩散体状强风化层；V2花岗岩碎裂状强风化层；Vt孤石；VI花岗岩中等风化层。

4.结构方案

4.1 结构选型原则

（1）满足国家及交通运输部现行相关的法规、规范。

（2）水工结构设计需满足本工程总平面布置及工艺使用要求。

（3）水工结构设计时充分考虑本工程自然条件及使用要求的特点。

（4）在满足使用功能、设计规范的前提下，最大限度节省工程投资，降低工程造价。结合当地施工条件，充分考虑工程施工的可行性及便利性。

4.2 结构选型

8号泊码北侧相邻的已建9号泊位码头结构采用重力式沉箱结构，基床坐落在强风化～中等风化岩面上。9号泊位码头基础采用夯实抛石基床，下部采用预制钢筋混凝土沉箱结构，上部为现浇砼胸墙结构，墙后设抛石棱体。沉箱间采用平接型式。

根据本工程8号泊位码头的总平面布置、地质条件，码头所在区域场地覆盖土层较薄，基岩面埋深较浅，码头水工结构适宜采用重力式结构。根据承载力要求，码头采用强风化岩层～中风化岩作为持力层。

码头水工建筑物为重力式沉箱结构。重力式沉箱结构传统上可分为卸荷板式沉箱和大沉箱结构方案，对于卸荷板式沉箱方案，本地区大型码头应用较少，同时，对大型码头卸荷板效果不明显，同时增加了施工工序，鉴于目前周边预制厂均有制作安装大型沉箱的能力，且大沉箱方案具备抗倾抗滑安全度大的特点，本次设计只考虑墙后设置抛石棱体的重力式沉箱结构和墙后回填砂的重力式沉箱结构两个方案，并进行方案比选。

4.3 码头水工结构方案

（1）码头结构方案一（图1）。

8号泊位岸线长401m，其中南段94m长度范围采用沉箱墩式结构，剩余码头结构拟采用连片重力式沉箱结构，基床坐落在强风化～中等风化岩面上。

码头基础采用夯实抛石基床，下部采用预制钢筋混凝土沉箱结构，上部为现浇砼胸墙结构，墙后设抛石棱体。沉箱间采用平接型式。

抛石基床厚度为3.5～8m，采用10～100kg块石。

沉箱外形尺寸为18.20×19×25.9m（长×宽×高），纵向有4个箱格，横向有4个箱格，共16个箱格。

沉箱内的回填料为块石。

码头后轨采用桩基结构，桩基选用直径1200mm冲孔灌注桩。

南段94m长度范围内布置4个沉箱墩，沉箱外形尺寸同前，上部为现浇胸墙及立墙，胸墙和立墙中间回填块石，并在块石上方现浇面层。沉箱墩之间搁置预制梁系结构相连。

该方案技术要点如下：

1）根据后方陆域开山有较多块石的特点，墙后回填料选择块石，可减少土压力，进而减少沉箱宽度，优化结构断面，就地取材，降低工程造价。

2）由于目前福建地区重视海洋生态保护，中粗砂来源困难，箱内回填中粗砂或块石对结构的整体稳定性影响不大，从环保角度和沉箱含钢率出发，箱内回填选择块石，有利于降低沉箱含钢率，简化材料采购手续，加快工程进度。

3）单件沉箱的预制重量为4758吨，福建地区现有的半潜驳出运能力最大的为8000吨，因此沉箱的预制、出运、安装是有保障的。

（2）码头结构方案二（图2）。

8号泊位岸线长401m，其中南段94m长度范围采用沉箱墩式结构，剩余码头结构拟采用连片重力式沉箱结构，基床坐落在强风化～中等风化岩面上。

码头基础采用夯实抛石基床，下部采用预制钢筋混凝土沉箱结构，上部为现浇砼胸墙结构，墙后回填砂。沉箱间采用对接型式，空腔内设置混合石料倒滤层。

抛石基床厚度为3.5～8m，采用10～100kg块石。

沉箱外形尺寸为14.22×25.20×25.9m（长×宽×高），纵向有3个箱格，横向有5个箱格，共15个箱格。

沉箱内的回填料为块石。

码头后轨采用桩基结构，桩基选用直径1200mm冲孔灌注桩。

南段94m长度范围内布置4个沉箱墩，沉箱外形尺寸同前，上部为现浇胸墙及立墙，胸墙和立墙中间回填块石，并在块石上方现浇面层。沉箱墩之间搁置预制梁系结构相连。

5.结构计算

按照《码头结构设计规范》(JTS167-2018)规定：对抗滑、抗倾、基床应力、基床底应力及整体稳定进行了计算，两个方案详细计算结果详见表1、表2。

表1 码头结构计算成果表（方案一，持久组合）

表2 码头结构计算成果表（方案二，持久组合）

整体稳定计算按平面问题考虑，滑动面按圆弧面。经计算，极端低水位时抗力分项系数方案一为2.170，方案二为2.247。

通过对各种水位、工况的计算，两个方案码头抗倾、抗滑、基床顶应力、基床底应力和整体稳定均满足结构安全要求。

6.结语

8号泊位码头（水工结构）优缺点比较见表3。

表3 结构方案比选

综上所述，结构方案一沉箱混凝土用量较少，就地取材，造价稍低，结构安全可靠，施工工艺成熟。本阶段8号泊位码头推荐采用结构方案一（码头沉箱后设置抛石棱体的结构方案）。