防城港鋼鐵基地20萬噸級礦石碼頭結(jié)構(gòu)選型

莫建新，吳黎紅

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430071）

1 概述

防城港位于我國沿海西南端，廣西西南部，地處北部灣北岸，是我國大陸海岸線最西端的一個深水海港。

防城港水域三面丘陵環(huán)抱，東為企沙半島，西為白龍尾半島，灣口向南敞開，中間被漁漫島分為東西兩個海灣，水域呈Y型。

根據(jù)防城港市臨海工業(yè)區(qū)港口總體規(guī)劃，防城港鋼鐵基地20萬噸級礦石碼頭工程位于防城港進(jìn)港航道東側(cè)、企沙半島西岸，見圖1。

圖1 碼頭位置圖

工程擬建1個20萬噸級鐵礦石進(jìn)口泊位，結(jié)構(gòu)兼顧25萬噸級船舶。本文主要通過對影響碼頭結(jié)構(gòu)型式選擇的各種因素的分析，從眾多結(jié)構(gòu)型式中根據(jù)本碼頭的特點逐一分析、優(yōu)化，最終確定較為合理且適宜本碼頭的結(jié)構(gòu)型式，為今后類似大型碼頭的設(shè)計提供參考和經(jīng)驗。

2 基礎(chǔ)資料

2.1 波浪、潮流

本碼頭面臨外海，碼頭正面斜向迎外海西南向波浪，碼頭側(cè)面正向迎外海正南向波浪，碼頭背面斜向迎外海東南側(cè)波浪。各方向50 a一遇波浪要素如表1。

表1 50 a一遇波浪要素

碼頭區(qū)前沿最大漲潮垂線平均流速0.68m/s，流向353°，最大落潮垂線平均流速0.60m/s，流向 180°。

2.2 地質(zhì)

本工程碼頭區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)為海積層（Q4m）、殘積層（Q3el）、基巖風(fēng)化層（S）。表層海積層、殘積層等覆蓋層厚度均較薄，基本為粉細(xì)砂、中粗礫砂、粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂混黏性土等，其下為全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖（或弱風(fēng)化巖），而強(qiáng)風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖巖面埋深較淺且?guī)r石強(qiáng)度較高。

2.3 主要高程參數(shù)

本文中高程采用當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面。校核高水位+5.69m，設(shè)計高水位+4.64m，設(shè)計低水位+0.30m，校核低水位-0.73 m，設(shè)計海底高程-22.40m，碼頭面高程+10.00m。

2.4 總平面布置

根據(jù)裝卸工藝及總平面布置的要求，碼頭平臺主尺度為467.90m×33.0m（長×寬）。

3 碼頭結(jié)構(gòu)方案

本碼頭水工結(jié)構(gòu)采用大直徑圓沉箱重力墩式結(jié)構(gòu)，因碼頭平臺寬度為33.0m，同時考慮沉箱的預(yù)制、浮運(yùn)及安裝等因素，將33.0m的碼頭平臺按并排排列2個圓沉箱進(jìn)行設(shè)計，單個圓沉箱高度為25.5m，直徑為13.8m，沉箱上部為現(xiàn)澆混凝土墩體，橫向2個沉箱墩之間及縱向相鄰沉箱墩之間以梁板結(jié)構(gòu)相連接。

碼頭斷面見圖2。

圖2 碼頭斷面圖

根據(jù)本碼頭的自身特點，該圓沉箱重力墩式結(jié)構(gòu)是在與其他多種結(jié)構(gòu)型式經(jīng)過充分比選后最終確定的。

4 碼頭結(jié)構(gòu)選型

4.1 樁基與重力式結(jié)構(gòu)的比選

現(xiàn)今沿海各海港碼頭應(yīng)用的結(jié)構(gòu)型式種類較多，總的來講，重力式和樁基式為應(yīng)用最為廣泛、成熟的結(jié)構(gòu)型式；而對于本碼頭而言，基于擬建碼頭工程區(qū)為基巖地質(zhì)，強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖面埋深較淺且承載能力均較高。因此，對于樁基嵌巖結(jié)構(gòu)和重力式沉箱結(jié)構(gòu)在技術(shù)上均是可行的方案；而本碼頭設(shè)計船型（25萬t）等級較大、碼頭面卸船機(jī)（2 500 t/h）荷載較大，碼頭承受豎向與水平向外荷載均較大。

若采用嵌巖樁方案，嵌巖樁自由長度為29.5m，為使碼頭平臺能有效適應(yīng)較大水平外力的作用，同時滿足工藝設(shè)備對碼頭位移的要求，樁基方案宜采用大直徑嵌巖斜樁方案，該方案與重力式沉箱墩式方案相比，嵌巖斜樁方案施工難度較大、施工工期較長且耐久性差；而重力式沉箱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的砂填料可就地取材，顯然重力式沉箱方案更具有優(yōu)勢，更能適應(yīng)大噸位船舶及大型裝卸設(shè)備的使用，因此重力式沉箱結(jié)構(gòu)為首選方案。

4.2 圓沉箱與方沉箱的比選

在已有的大型海港碼頭工程實例中，不論是岸壁式碼頭還是獨立墩式碼頭，方沉箱與圓沉箱均都有所應(yīng)用，而就其形狀而言，通過物模試驗可知圓沉箱在波浪入射作用下所受的波浪力明顯較方沉箱要小得多，且在內(nèi)力計算中拱形沉箱壁要比直板形沉箱壁受力更好，能有效減少配筋量。因此，對于受波浪影響較大的碼頭結(jié)構(gòu)而言，圓沉箱更具優(yōu)勢。

4.3 圓沉箱與圓筒的比選

從外形上講，圓沉箱與圓筒僅一底之差，圓沉箱有底板，外側(cè)為趾結(jié)構(gòu)；而圓筒無底板，內(nèi)側(cè)與外側(cè)一樣，均為趾結(jié)構(gòu)。圓沉箱結(jié)構(gòu)的受力模式是將上部豎向荷載及內(nèi)部填料的荷載通過箱體最終由底板傳遞給下部的基床，因其底部底板面積較大，最終產(chǎn)生于基床頂部的應(yīng)力會比較均勻且較小；而圓筒結(jié)構(gòu)的受力模式是將上部豎向荷載的絕大部分通過圓筒壁及下部的趾結(jié)構(gòu)傳遞給基床，而小部分荷載則是通過圓筒壁與圓筒內(nèi)填料的摩擦經(jīng)填料傳給下部的基床，而圓筒結(jié)構(gòu)的底部面積較小，因此在基床頂部產(chǎn)生的地基應(yīng)力很大，且遠(yuǎn)大于同直徑大小的圓沉箱結(jié)構(gòu)，造成基床不均勻沉降，因此從受力分析角度講圓沉箱結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。

而另一方面，在實際的施工過程中，施工方往往為了滿足沉箱浮運(yùn)和安裝的要求，會自行在圓筒底部加設(shè)一個底板結(jié)構(gòu)，如此一來，實際施工完成后碼頭使用期階段的圓筒受力模式與設(shè)計時是有相當(dāng)大的差異的，且圓筒的實際工程用量及造價與圓沉箱相比也并不經(jīng)濟(jì)。

因此，大直徑圓筒結(jié)構(gòu)方案不予采用。

4.4 圓沉箱消浪孔設(shè)置與否的比較

根據(jù)碼頭所在位置的波浪條件，碼頭可受到多個方向的波浪作用，而對于海港碼頭而言，波浪作用力是碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全設(shè)計中最為主要的研究內(nèi)容之一。而在碼頭自身結(jié)構(gòu)中采取消浪措施以減小波浪作用力也是碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要研究內(nèi)容。

一般情況下在靜水位上下約0.5～0.6倍設(shè)計波高范圍內(nèi)為波浪力作用的主要區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)沉箱壁及上部結(jié)構(gòu)承受了波浪的絕大部分沖擊能量。

對此，設(shè)計提出了兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行波浪作用力的實驗與比選，并對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行波浪物理模型試驗，其結(jié)果如表2。

表2 波浪物理模型試驗

A型結(jié)構(gòu)：不設(shè)置消浪孔。

B型結(jié)構(gòu)：沉箱上部設(shè)置消浪孔（見圖3）。

通過以上波浪物模試驗結(jié)果，設(shè)置消浪孔的結(jié)構(gòu)波浪力有一定減少，兩種水位情況下減少12%左右，而減少的這部分水平力僅占結(jié)構(gòu)本身自重力的1.5%，占比較小。

至此，對A、B型結(jié)構(gòu)給予如下分析：

1）在沉箱上部設(shè)置消浪孔后可一定程度減少沉箱外壁波浪作用力，而同時將大大減小了開孔區(qū)域沉箱截面面積，使該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力增大并伴有應(yīng)力集中現(xiàn)象，削弱了沉箱上部橫截面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使沉箱這一區(qū)域成為一薄弱截面。

2）在物模試驗過程中，發(fā)現(xiàn)沉箱上部設(shè)置消浪孔后，波浪通過消浪孔透射到沉箱內(nèi)部空腔內(nèi)，波浪在空腔內(nèi)的形態(tài)是比較紊亂的，基本是無規(guī)則地在空腔內(nèi)與沉箱內(nèi)壁發(fā)生碰撞、反射、再碰撞、再反射，直至波能最終消失殆盡。而在整個過程中空腔內(nèi)紊亂的波浪對沉箱內(nèi)壁產(chǎn)生了一定的作用力，而該作用力無法準(zhǔn)確計算出具體數(shù)值的大小，而在進(jìn)行沉箱內(nèi)力計算時，也無法考慮該作用力的不利影響。

圖3 B型結(jié)構(gòu)

3）在沉箱上部設(shè)置消浪孔后，海水能夠自由進(jìn)出沉箱，這將不利于沉箱內(nèi)壁及隔墻的防腐。同時在施工中，設(shè)消浪孔沉箱內(nèi)的填料的倒濾結(jié)構(gòu)施工也較為繁瑣且要求較高。

4）一般情況下消浪孔宜設(shè)置在靜水位上下約0.5～0.6倍設(shè)計波高范圍內(nèi)，而基于本碼頭上部結(jié)構(gòu)高度的限制，除去上部必要的梁、板及墩體結(jié)構(gòu)外，余下可設(shè)置消浪孔的范圍基本在設(shè)計高水位以下，靜水位以上波峰面范圍內(nèi)波浪作用力基本沒有消減，因此，B型結(jié)構(gòu)實際消浪效果并不理想。

基于以上幾方面的綜合分析、比較，本碼頭結(jié)構(gòu)最終采用了不設(shè)消浪孔的大直徑圓沉箱方案，即A型結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

碼頭結(jié)構(gòu)的選型主要是根據(jù)每個工程所在位置的特定自然條件、使用條件、施工條件等因素，經(jīng)過多方面、多方案比選后最終確定的。

本碼頭根據(jù)自身特點最終選用了不設(shè)消浪孔的大直徑圓沉箱墩式結(jié)構(gòu)方案，否定了其它幾種結(jié)構(gòu)型式，并非其它的結(jié)構(gòu)型式?jīng)]有優(yōu)點，而是在本碼頭的特定條件下，更適宜采用重力式圓沉箱結(jié)構(gòu)。而其它幾種未被采用的結(jié)構(gòu)型式在現(xiàn)今碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中也是普遍應(yīng)用的，且有各自的優(yōu)點和適用特點。

[1] JTJ213—98，海港水文規(guī)范[S].

[2] JTS167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[S].

[3] 防城港鋼鐵項目礦石及煤炭進(jìn)口泊位碼頭工程波浪局部整體模型試驗報告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2009.