斯里蘭卡漢班托塔港二期碼頭結構優化

趙瑞東，吳遵奇，鄧凌

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

斯里蘭卡是“21世紀海上絲綢之路”的重要一站，而漢班托塔港離最繁忙的歐洲-遠東國際主航線僅10 nmile，是該國港口戰略的一個重點工程。漢班托塔港二期工程位于斯里蘭卡南部省漢班托塔市，處于已建一期工程北側，采用挖入式港池。碼頭工程主要包括總長2 137 m岸線，含2個10萬噸級集裝箱泊位，2個10萬噸級多用途泊位以及2個1萬噸級支線集裝箱泊位，另包括堆場、進港路、護岸、公務碼頭和人工島等工程。其中10萬噸級泊位結構按15萬噸級船型設計，1萬噸級泊位結構按2萬噸級船型設計。港池底標高為-17m，受回旋水域和進港航道寬度限制，近期滿足10萬t設計船型滿載進出港要求，待拓寬航道和回旋水域后，可滿足15萬噸級集裝箱船控制吃水在14.5m以內進出港，港區總平面布置如圖1所示。

圖1 港口平面布置Fig.1 Layoutof the port

2 工程條件

2.1 設計水位

設計高、低水位分別為+0.6m和-0.15m，極端高、低水位分別為+1.0 m和-0.5 m，均以最低大潮低潮位為基面（下同）。

2.2 地質情況

二期港池設計底標高為-17m，碼頭主體建筑所在區域整體地質條件良好，瀉湖內覆蓋層較薄，區域內巖石主要為片麻巖，主集裝箱泊位西側600m中風化和微風化巖層平均標高分別為-3.3m和-8.1 m，最低標高分別為-7.8 m和-18.1 m。支線集裝箱泊位沿線中風化和微風化巖層平均標高分別為+0.8 m和-6.4 m，最低標高分別為-5.23 m和-14.88 m；多用途泊位西側200 m中風化巖面最低標高-0.2 m，中間460 m中風化巖面平均標高為-6.8 m，東側靠近一期位置較低，鉆孔顯示最低處接近-19.5m[1]。

巖層的淺埋深以及港池的大規模開挖，為工程帶來了十分可觀的石料來源。

2.3 施工條件

港區位于原Mirijjawila瀉湖內，原地表高程為-1～0m，一期工程充分考慮了當地的資源情況，并結合項目的地理位置、地質情況、地形地貌情況及海況，合理選擇了設計、施工方案。提出選擇瀉湖區作為建港地點，采用總長為4 238 m圍堰加防滲墻的工藝，成功實現了干地施工建設深水港口項目的創新建港理念[2-3]，大大降低了施工難度，加快了施工進度，并大幅度降低了造價。

二期工程延續一期的建港理念，采用干地施工，新建1 582.604 m的北圍堰與1 025.694 m新建南圍堰，采用與一期相同的圍堰結合塑性混凝土防滲墻工藝，并在新建南圍堰與一期碼頭結構相交位置結合帷幕灌漿處理。碼頭主體結構在現場得以進行干地施工，無需另外設置預制場地和大型的船機設備進行安裝。圍堰布置如圖2所示。

3 結構方案

優越的施工條件為水工結構選型提供了較大的發揮空間，同時因為開挖量巨大、工期緊，對主體結構的合理性與優化程度要求較高。在滿足結構安全、經濟高效的前提下，對二期碼頭主體結構的選型進行了全面的對比及設計優化選型。

3.1 一期已建沉箱（方案1）

圖2 圍堰布置圖Fig.2 Layoutof the cofferdam

原一期碼頭采用了常規的重力式沉箱方案，單個沉箱底寬為12.6 m，長度17.51 m，高18 m，倉格尺寸為4m×5.2m（雙排8倉格），單件質量約為1 888 t，配筋率約為174 kg/m3，如圖3所示。

圖3 一期碼頭典型斷面（方案1）Fig.3 Typicalsection of thewharf in phase I(scheme1)

常規沉箱的特點是整體性好、結構堅固耐久，構件受力明確，且能夠很好地適應海側軌荷載很大的情況，但其工程量相對較大，造價相對較高。

3.2 臺階式沉箱方案（方案2）

在一期沉箱的基礎上，考慮充分發揮沉箱各構件的受力性能以進行優化。沉箱內部隔墻一般僅受倉儲壓力，通常按照結構配筋，剩余的承載能力難以得到充分的發揮。而后墻由于直接受后方土壓力作用，底部配筋較大且通常滿墻布置，因此其上部富余較大。優化的首選是降低后隔艙的標高，使中間隔墻充分發揮其能力。同時，因為后倉格得到降低，受倉頂壓力增大的影響，后墻實際的控制壓力得到有效減小，其工程量降低而可靠性也會得到優化。

此方案需要注意驗算前部倉格及其上部結構視為懸臂段，因此雙排倉格沉箱后方不可降得太低，同時考慮根據胸墻實際需要的使用寬度進行重新設計，如圖4所示，把2×4的8倉格改進為3×4的12倉格沉箱，倉格尺寸從原來的4 m×5.2 m調整為4 m×3.7 m，寬度增加到13.68 m，長度保持17.51m，高17.5m，雖然多出1排倉格，沉箱混凝土總方量控制在700 m3左右，較一期沉箱混凝土方量減小，同時寬度增加、倉格尺寸減小，可獲得更小的地基應力以及更小的胸墻工程量。

圖4 臺階式沉箱（方案2）斷面圖Fig.4 Section ofbenched caisson(scheme2)

3.3 臺階式基床方案（方案3）

考慮利用微風化巖層埋深較淺的有利條件，作為天然墻體用以減少工程量。因此，在階梯式沉箱的前提下，提出了通過控制開挖坡面結合錨桿襯砌加固后的微風化巖體作為沉箱基礎，根據微風化巖面高低不同，沉箱結構采用多種底標高的方案。此舉意在把大碼頭做成小碼頭，在不侵入船只靠泊區域的前提下，有效減小結構高度，從而大幅減輕結構所受的土壓力、地基反力等控制力的作用。

以臺階頂部為-10 m的基礎為例，如圖5所示，同等條件下僅需小型沉箱即能滿足使用要求，沉箱混凝土方量為365 m3，配筋率與常規沉箱相仿，但需增加錨桿以及每延米約8 m3的現澆混凝土襯砌加固坡面。

3.4 新型箱肋式重力碼頭結構（方案4）

根據本項目特點，設計提出了一種新型箱肋式的重力碼頭結構，即沉箱前倉格加扶壁后肋板的新型組合結構方案。

圖5 臺階式基礎（方案3）斷面圖Fig.5 Section ofbenched foundation(scheme3)

結構兼具了重力式沉箱碼頭結構與扶壁碼頭結構的優點，既保證了結構的整體性，又充分利用了各構件的受力特點。結構前部采用沉箱倉格結構，前倉格結構作為一個整體共同承擔水平波浪力、系纜力、土壓力以及很大的豎向荷載（軌道荷載等），相對于扶壁碼頭結構，受力更合理，整體性更好；對于大型碼頭，相對于不太適用的扶壁結構，新型組合結構的前倉格構件受力更小，在能夠滿足規范要求的情況下，可靠性更高；方案后部采用扶壁后肋板結構，作為前倉格與底板的連接結構，充分利用了扶壁結構受力特點，取消了常規沉箱的后壁與后縱隔墻等后倉格結構，充分發揮了構件的受力性能，肋的高度可以根據受力計算確定，肋布置與前箱格側、隔板對應。側倉格的設置為隔墻兩側倉格壓力的抵消提供了條件，同時其寬度的設計受前后墻和底板懸臂段受力計算結果控制。

方案如圖6所示，采用前排三倉格加兩側倉設計，倉格尺寸為4.25 m×3.7 m，底寬12.68 m，長為17.51 m，高17.5 m，后肋板結構厚度為300 mm，典型胸墻斷面為15.09 m3，混凝土量約為545m3，配筋率約為185 kg/m3。

3.5 對比分析

由表1，臺階式沉箱方案相對一期沉箱而言工程量有所減小，但在沉箱高度不變的情況下，受首排倉格懸臂段高度限制，節省工程量有限。

圖6 新型箱肋式重力碼頭結構（方案4）斷面及三維模型Fig.6 Section ofnew typebuttresscaisson gravity wharf structure(scheme4)

表1 各方案對比Table 1 Comparison of differentschemes

同樣的條件下，以-10 m臺階式基礎結合臺階式沉箱方案，其工程量對比常規沉箱結構優勢較為明顯，每延米混凝土和鋼筋量分別減少了30%和46%。但該方案對巖層的整體性、完整性要求較高，錨桿工作量較大，不可預見性較高，對施工要求很高；同時，由于巖面起伏，對施工模板及進度等要求較多，經對比，最終并未選擇。

新型箱肋式結構在工程量方面相比常規結構，具有很大優勢，相比常規沉箱結構的鋼筋和混凝土用量減少21%和22%，相比臺階式沉箱也有11%和14%的優勢。其受力形式明確，施工過程相對普通沉箱沒有明顯區別，配筋方面肋板受拉力控制，使性能能夠得到充分發揮，受力合理。

最后，經綜合考慮造價、施工質量可控性、施工過程中不確定性以及施工工期等多方面因素，決定采用箱肋式結構或稱扶壁式沉箱方案。

4 結語

1）在漢班托塔港二期碼頭結構的選型中，結合當地地質特性以及干地施工條件，對多種結構類型進行了全面的對比及優化選型，創新的提出了箱肋式重力結構。

2）箱肋式重力結構既有常規沉箱結構整體性好的特點，又利用了扶壁結構的受力特點，充分發揮各構件的受力性能，很好地解決了扶壁結構應用于大型碼頭結構時受力較大的問題。

3）優化后的箱肋式結構大幅度減小了碼頭結構工程量，有效降低了工程造價。

4）本文在一定程度上推動了碼頭結構向降低造價、節約資源、提高資源利用率的方向發展，可為類似碼頭結構優化設計提供借鑒。

[1]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.斯里蘭卡漢班托塔港發展項目二期工程工程地質勘察報告：施工圖設計[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2011.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.geological investigation report on Hambantota Port development project phase II in Sri Lanka：Construction drawing design[R].Guangzhou：CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,2011.

[2] 盧永昌，李蘇.斯里蘭卡Hambantota港口項目港址選擇及一期工程設計介紹[J].水運工程，2009（7）：44-48.LUYong-chang,LISu.Site selection ofHambantota Portdevelopment project in Srilanka and introduction of Phase Iproject design[J].Port&Waterway Engineering,2009(7)：44-48.

[3] 王征亮，林佑高，盧永昌，等.混凝土防滲墻在HAMBANTOTA港一期工程中的應用[J].水運工程，2009（7）：173-176，193.WANGZheng-liang,LIN You-gao,LUYong-chang,etal.Application of concrete cut off wall in Hambantota Phase I project[J].Port&Waterway Engineering,2009(7)：173-176,193.