沉箱重力式码头抗滑抗倾稳定性设计方法在实际工程中的应用

刘来钰

（山东港通工程管理咨询有限公司,山东 烟台 264000）

在水运工程中，矩形沉箱码头具有制作简单，施工技术成熟的特点，施工时可以将其预先制作成有底空箱，随后在舱格内充填中砂，因此具有重力大、耐久性好、抗倾覆稳定性好、荷载适应性强的优点，在码头结构设计方案中得到广泛选择[1]。目前关于沉箱重力式码头的结构设计理论主要有安全系数经验方法、可靠度方法和分项系数法[2-3]。本文尝试基于可靠度方法提出一种简化可靠指标的设计方法，并将计算结果与基于分项系数法的抗滑和抗倾覆稳定性计算结果对比，验证简化可靠指标设计方法的可靠性和适用性。

1 工程概况

山东省烟台市某新建沉箱重力式码头长度为110 m，沉箱底部采用10~100 kg 的抛基床铺垫，基床迎波面坡度为1:1.5，背波面坡度为1:1，顶部宽度为22 m，沉箱采用现浇钢筋混凝土浇筑，为4 m×3 m 矩形格状，中隔壁厚度为200 mm，沉箱宽度为17.80 m，高度为15.01m，沉箱内部填充中砂，含泥量不大于5%。码头顶部高程为5.4 m，沉箱顶部高程为1.90m，码头底部高程为-17.0 m，码头面均布荷载为30 kN/m，船舶系揽力为1 500 kN，设计高水位为3.24 m，设计低水位为0.53 m，波浪要素波浪高H1%为3.29 m、波浪周期T 为5.5 s。场区的工程地质主要为①层细砂（Q4al）、②层粉质黏土（Q4al）、③层淤泥质黏土（Q4fl）、④层粉细砂（Q4mr），各土层天然状态下物理性质指标和力学性质指标如表1 所示。

表1 土层天然状态物理性质指标和力学性质

2 基于简化可靠指标设计方法的沉箱重力式码头抗滑抗倾覆稳定性计算

沉箱重力式码头抗滑抗倾覆稳定性计算时，水面以上混凝土容重取为23.0 kN/m3，水面以下混凝土容重取为13.0 kN/m3，水面上钢筋混凝土容重取为24 kN/m3，水面下钢筋混凝土取为14.0 kN/m3，水面上回填中砂容重取为18 kN/m3，水面下回填中砂容重取为9.5 kN/m3，水面上回填块石容重取为17.0 kN/m3，水面下回填块石容重取为10.0 kN/m3。码头的自重为其体积乘以容重，由自重引起的抗倾覆力矩为自重与力矩的乘积[4]。因此，可以计算得到每延米码头自重和抗倾覆力矩如表2 所示。

表2 码头自重及自重引起抗倾覆力矩

在不考虑波浪力对码头作用时，基于简化可靠指标设计方法的沉箱重力式码头抗滑及抗倾覆稳定性系数计算如公式（1）~公式（4）所示[5]。

式中：k1为基于简化可靠指标设计方法的填石抗滑稳定性系数；k2为基于简化可靠指标设计方法的填石抗倾覆稳定性系数；k3为基于简化可靠指标设计方法的填砂抗滑稳定性系数；k4为基于简化可靠指标设计方法的填砂抗倾覆稳定性系数；β为抗滑或抗倾覆可靠指标。

在考虑波浪力对码头作用时，基于简化可靠指标设计方法的沉箱重力式码头抗滑及抗倾覆稳定性系数计算如公式（5）~公式（8）所示[6]。

式中：k5为基于简化可靠指标设计方法的填石抗滑稳定性系数；k6为基于简化可靠指标设计方法的填石抗倾覆稳定性系数；k7为基于简化可靠指标设计方法的填砂抗滑稳定性系数；k8为基于简化可靠指标设计方法的填砂抗倾覆稳定性系数；β为抗滑或抗倾覆可靠指标；t为时间。

3 不同方法计算沉箱重力式码头抗滑抗倾覆稳定性结果对比

为了研究基于简化可靠指标设计方法的沉箱重力式码头抗滑抗倾覆稳定性计算精度，本文选取基于分项系数法和可靠指标法的沉箱重力式码头抗滑抗倾覆稳定性计算作为对比。首先将本项目沉箱重力式码头划分为20个计算断面，编号为CXZL01~CXZL20，计算其抗滑稳定性结果如图1、图2 所示。

图1 基于简化可靠指标设计方法的抗滑可靠指标计算结果

图2 基于简化可靠指标设计方法的抗滑稳定系数计算结果

从图1 中可以看出，在抗滑可靠指标方面，高水位和低水位条件下，不同计算断面填砂和填石的抗滑可靠指标均呈现不同程度的波动，但整体而言，高水位的抗滑可靠指标比低水位的抗滑可靠指标略大，同一水位条件下，填砂和填石的抗滑可靠指标相近。高水位填石的抗滑可靠指标变化范围为6.23~11.68，而低水位填石的抗滑可靠指标变化范围为4.10~8.46；高水位填砂的抗滑可靠指标变化范围为6.95~11.39，而低水位填砂的抗滑可靠指标变化范围为4.02~6.69。经过计算，填砂和填石的抗倾覆可靠指标也有与抗滑可靠指标一致的变化规律。

从图2 中可以看出，在抗滑稳定性系数方面，高水位和低水位条件下，不同计算断面填砂和填石的抗滑稳定性系数均呈现不同程度的波动，但整体而言，高水位的抗滑稳定系数比低水位的抗滑稳定性系数略小，同一水位条件下，填砂和填石的抗滑稳定性系数相近。高水位填石的抗滑稳定性系数变化范围为3.01~4.79，而低水位填石的抗滑稳定性变化范围为4.10~6.99；高水位填砂的可靠指标变化范围为3.39~4.81，而低水位填砂的可靠指标变化范围为4.05~6.96。经过计算，填砂和填石的抗倾覆稳定系数也有与抗滑稳定系数一致的变化规律。

以最不利工况高水位为例，基于简化可靠指标设计方法的抗滑抗倾覆稳定性计算结果和基于分项系数法的抗滑抗倾覆稳定性计算结果进行对比，结果如图3 所示。从图3 中可以看出，基于简化可靠指标设计方法的抗滑抗倾覆稳定性计算结果和基于分项系数法的抗滑抗倾覆稳定性计算结果具有一致性的变化关系，均呈现指数曲线，考虑风浪作用的抗滑稳定性系数和抗倾覆稳定性系数均相应地小于不考虑风浪作用的抗滑稳定性系数和抗倾覆稳定性系数。考虑风浪作用时，填砂的抗滑稳定性系数与抗倾覆稳定性系数的拟合关系均可以用公式（9）~公式（10）表达。

图3 基于分项系数法方法和基于简化可靠指标设计方法的稳定性系数计算结果对比

不考虑风浪作用时，填砂的抗滑稳定性系数与抗倾覆稳定性系数的拟合关系均可以用公式（11）~公式（12）表达。

4 结语

（1）高水位的抗滑可靠指标比低水位的抗滑可靠指标略大，同一水位条件下，填砂和填石的抗滑可靠指标相近。填砂和填石的抗倾覆可靠指标也有与抗滑可靠指标一致的变化规律。

（2）高水位的抗滑稳定性系数比低水位的抗滑稳定性系数略小，同一水位条件下，填砂和填石的抗滑稳定性系数相近。填砂和填石的抗倾覆稳定系数也有与抗滑稳定系数一致的变化规律。

（3）基于简化可靠指标设计方法的抗滑抗倾覆稳定性计算结果和基于分项系数法的抗滑抗倾覆稳定性计算结果具有一致性的变化关系，均呈现指数曲线，考虑风浪作用的抗滑稳定性系数和抗倾覆稳定性系数均相应地小于不考虑风浪作用的抗滑稳定性系数和抗倾覆稳定性系数。