深水重力式海港碼頭與引堤銜接段結構選型

劉潛兵，柏龍武

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

深水重力式海港碼頭與引堤銜接段結構選型

劉潛兵，柏龍武

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

文章基于建設條件與設計經驗篩選出了斜坡式與直立式兩種結構方案，并分別進行了結構設計，通過物理模型試驗進行波浪特性分析，從兩方案的泊穩條件、工程造價、結構穩定進行比較。結果表明，兩方案均滿足港池泊穩條件以及碼頭作業天數要求，而直立堤結構方案的造價比斜坡堤方案造價低。相關結論可供類似深水重力式海港碼頭與引堤銜接段結構設計參考。

結構設計；直立式沉箱；波浪力；物理試驗；泊穩條件；抗滑、抗傾穩定

節能減耗是目前水運工程的發展趨勢與重要評價指標[1-3]，而科學合理的結構選型是滿足碼頭作業泊穩條件、降低工程造價的重要保障[4]。

本文以廣東雷州某深水海港碼頭工程的碼頭平臺與引堤銜接段為研究對象，采用常用的斜坡式結構與直立堤式結構為研究方案，從泊穩條件、工程造價、結構穩定等方面進行綜合對比，進行科學、系統的選型研究。

1 項目概況

1.1 工程簡介

廣東雷州某碼頭工程位于廣東省雷州半島雷州市中西部沿海，地處雷州市西南部烏石鎮港，面向北部灣。

該工程擬新建1座10萬噸級煤炭碼頭和1座3 000噸級重件碼頭，在煤炭碼頭和重件碼頭之間通過實體引堤過渡銜接（圖1）。水工建筑物的結構安全等級為Ⅱ級，結構重要性系數取1.0，碼頭設計使用年限50 a。

1.2 設計水位

設計水位[5-6]（自海域理論最低潮面起算）：

設計高水位為2.67 m（高潮累計頻率10%）；

圖1 工程平面布置示意圖Fig.1 Sketch map of project layout

設計低水位為-0.89 m（低潮累計頻率90%）；

極端高水位為4.07 m（重現期為50 a）；

極端低水位為-1.71 m（重現期為50 a）。

1.3 主要設計荷載

碼頭過渡段設計荷載主要有流動機械荷載和波浪荷載。其中流動機械荷載主要包括20 t汽車荷載以及25 t牽引平板車荷載；波浪荷載主要包括迎浪面水平沖擊力與豎向浮托力，該值通過各工況下的物理模型試驗測得。

1.4 設計波浪要素

設計波浪要素見表1所示。

表1 設計波要素Table 1 Design wave elements

2 結構方案設計

重件碼頭至煤炭碼頭銜接段長223.7 m，根據工程實際建設條件分別采用斜坡式結構與直立堤式結構進行方案設計。

2.1 斜坡式結構

斜坡堤堤頂凈寬20 m，高16.8 m，兩邊斜坡坡比均為1∶1.5，邊坡先依次堆砌1.0 m厚與1.3 m厚2層塊石，坡面上再用2.4 m厚扭王塊護面，斜坡堤堤頂設有鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程為11.7 m（圖2）。

圖2 斜坡式結構剖面圖Fig.2 Slope structure section

2.2 直立堤式結構

直立堤采用沉箱結構，標準沉箱尺寸24.4 m× 18.65 m×19 m（16 m），單個沉箱最大質量3 882 t，倉格內采用中粗砂回填，臨海側透水孔以上回填塊石，并鋪設倒濾層。沉箱頂部高程為1.20 m，其上方設置鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程港池側和外海側均為12.0 m。沉箱底部采用拋石基床，為暗基床形式，基床開挖高程至-23.8 m，其沉箱兩側泥面按1∶2進行放坡，整個基礎采用夯填10～100 kg塊石。基床上安放實體沉箱，沉箱兩側采用柵欄板、扭王字塊壓腳。防浪墻后碼頭過渡段頂面高程為6.5 m；沉箱兩側坡腳分別采用200～300 kg塊石進行護底（圖3）。

3 波浪特性物理模型試驗設計

為驗證兩種結構形式下碼頭港區內泊穩條件、銜接段結構穩定安全并測量相關波浪荷載，建立了物理模型進行試驗研究。

3.1 試驗模型設計

圖3 直立堤式結構剖面圖Fig.3 Verticalbreakwater structure section

物理模型試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究所海洋工程研究中心水工廳完成，根據模型試驗范圍、試驗研究目的、場地要求、相似性原理所要求的水流流態、表面張力等條件[7]，本模型采用平面比尺和垂直比尺相等的正態模型，其中，幾何比尺為1∶40，流量比尺為1∶252.98，時間比尺為1∶6.32，糙率比尺為1∶1.92。

試驗水槽長68.0 m，寬1.0 m，高1.5 m。造波機為電機伺服驅動推板吸收式造波機（圖4）。

圖4 風浪水槽布置圖Fig.4 Wind-wave flume arrangement

3.2 波浪模擬

試驗波浪主要采用頻譜不規則波，波譜采用JONSWAP譜[8]，譜的表達式為：

式中：S（f）為譜密度；f為頻率；βJ為水面比降修正系數；TP為完整波周期；fP為峰頻；H1/3為有效波高；TH1/3為有效波周期；γ為譜峰因子，取3.3；σ為峰形參數。

水槽兩端均設有消波裝置，同時設有連通管，以使試驗過程中模型兩側的水位保持不變。模型高程用水準儀控制，長度用鋼尺測量，波高采用波高傳感器，并通過SG2008型動態水位測量系統對波高進行采集分析，波壓力數據通過2008型點壓力傳感器采集。

3.3 波浪率定

不規則波采用頻譜模擬[9]，將給定的有效波高及周期送入計算機進行波譜模擬，經過修正后，使峰頻附近譜密度、峰頻、譜能量、有效波高等滿足試驗規程要求[10]。即：

1）波能譜總能量的允許偏差為±10%；

2）峰頻模擬值的允許偏差為±5%；

3）在譜密度≥0.5倍譜密度的范圍內，譜密度分布的允許偏差為±15%；

4）有效波高、有效波周期或譜峰周期的允許偏差為±5%；

5）模擬的波列中1%累積頻率波高、有效波與平均波高比值的允許偏差為±15%。

每組波要素的波列都保持波個數在100以上，根據試驗要求，針對不同斷面，在各個水位依據給定的波浪要素進行率定，將最后得到的造波參數存儲在計算機中。試驗時，依據對應率定好的造波信號進行造波。

4 結構選型研究

通過對2種結構形式的泊穩條件、工程造價、結構穩定進行比較，在滿足泊穩與結構安全條件的前提下，選擇造價低的結構形式。

4.1 泊穩條件分析與對比

4.1.1 預留波能緩沖消散區

模擬工程2種結構形式的整體平面布置，進行波浪整體穩定試驗，驗證工程實施后的港內泊穩條件。見圖5、圖6。

圖5 波浪整體穩定物理試驗Fig.5 The overallstable physicaltest on waves

圖6 兩方案預留波能緩沖消散區Fig.6 Wave energy reserved buffer dissipation area of the two schemes

本次實驗對煤炭泊位停泊水域及過渡段引堤內側12號、13號、15號、32號進行布點，針對過渡段兩種結構形式進行泊穩分析，在NNW向浪作用下，波浪沿煤碼頭傳播，遇過渡段反射后在局部形成波能集中區，過渡段為斜坡式結構時反射作用較直立式結構稍弱，其它方向波浪由于前沿煤炭泊位的掩護，對港池基本無影響。通過實驗測試確定相近泊穩條件下，直立堤和斜坡堤方案波能緩沖消散區分別約為40 m和30 m。原斜坡堤方案放坡占用67 m水域長度，已包括30 m范圍，直立堤無需考慮放坡影響。

4.1.2 作業天數分析

結合泊穩試驗數據對各結構方案下煤炭碼頭作業天數進行分析，并列于表2。

表2 各結構方案下碼頭作業天數對比Table 2 The terminaloperation days contrast under each structure scheme

分析表2可知，銜接段采用直立式結構時，每年碼頭前H4%波高大于1.2 m的出現天數為25.4 d；過渡段采用斜坡式結構時，每年碼頭前H4%波高大于1.2 m的出現天數為19.1 d。同時考慮各因素重疊發生的情況后分別為60 d和55 d，確定煤炭碼頭1 a不可作業天數分別有60 d和55 d，即碼頭年可作業天數直立堤方案與斜坡堤方案分別為305 d和310 d，均能滿足≥300 d作業天數的要求。

4.2 工程造價對比

根據工程所在地各類建材實際價格，以及兩種方案的工程量，將其工程造價對比列于表3。

由表3可知，直立堤方案比斜坡堤方案節省工程造價1 126.52萬元，節約比例高達10.5%。

表3 兩結構方案下工程造價對比Table 3 The engineering costcontrast of the two structure schemes

4.3 直立堤結構穩定驗證

由之前分析可知，兩方案均滿足港區泊穩條件與作業天數要求，而直立堤方案造價明顯低于斜坡堤結構，因此，只要驗證直立堤方案滿足抗滑抗傾穩定、結構安全，就可采取該方案。本節將從物理模型試驗和借助理正軟件進行結構設計兩方面進行驗證。

4.3.1 沉箱、胸墻、碼頭頂面受力試驗

針對直立式實體沉箱和其上方胸墻迎浪面、頂面，在極端高水位4.07 m、設計高水位2.67 m、設計低水位-0.89 m和極端低水位-1.71 m重現期50 a波浪作用下進行波浪力的測量，得出沉箱水平力和浮托力分布結果，胸墻迎浪面水平力和碼頭頂面受到的沖擊力，以及胸墻、沉箱和碼頭頂面為一整體時受到的水平、豎向總力。將試驗結果列于表4。

表4 結構段最大特征力試驗結果Table 4 Test results of the max characteristics force

分析表4可知，在重現期50 a波浪作用下，受越浪的影響，碼頭頂面所受沖擊力，極端高水位時最大，極端低水位時最小，最大沖擊力為454 kN/m；沉箱和胸墻的受力均在設計高水位時最大，即沉箱所受水平力最大為1 574 kN/m，此時箱底浮托力為578 kN/m；胸墻受到最大水平力為949 kN/m，主要原因是在極端高水位時越浪量較大，減少了對沉箱的沖擊，而低水位時，波浪沖擊沉箱位置也減小。

將表4數據與直立式沉箱結構設計承載力進行對比可知，在各種工況下，結構段所受最大特征力均小于設計承載力，直立式沉箱結構穩定、安全。

另外，通過試驗發現，沉箱與胸墻整體所受的最大總水平力和總豎向力與沉箱所受最大水平力和浮托力表現在同一時刻。

4.3.2 越浪試驗

在低水位波浪作用下，由于堤前水位較低，入射波浪雖然不能直接越過胸墻頂，但由于沉箱為實體直立式結構，因此在波浪連續沖擊沉箱后形成垂直上升的水體，上升水體跌落后，大部分水體被反射回海側，少量水體則越堤，形成越浪。

在高水位波浪作用下，隨著堤前水深和入射波高的增加，則波浪能直接越過堤頂，水體跌落至堤后，尤其是重現期50 a波浪作用。

波浪作用下堤頂越浪試驗結果見表5。

表5 不同水位波浪作用下堤頂越浪量Table 5 The wave overtopping ofcrest under the wave action of differentwater level

4.3.3 護底穩定性試驗

在各水位波浪作用下，通過試驗觀測可得，即使在極端低水位，200～300 kg護底塊石表面上方淹沒水深仍達16.09 m，因此在波浪連續作用下，波浪對塊石穩定性影響不大，波浪連續作用3 h，200～300 kg護底塊石保持穩定。

4.3.4 穩定性計算

基于基礎資料以及波浪特性物理模型試驗結果，借助軟件進行結構穩定計算，將計算結果列于表6。

分析表6可知，在各工況下，直立式沉箱結構碼頭過渡段的抗滑、抗傾安全系數均高于規范要求，地基沉降量較小，結構穩定、安全。

表6 直立式沉箱結構碼頭過渡段穩定計算結果Table 6 Stability calculation results ofthe transition period ofverticalcaisson structure terminal

5 結語

1）根據工程建設條件以及以往類似工程經驗，銜接段宜采用斜坡式或者直立堤式結構。經過物理模型試驗，兩方案均滿足港池泊穩條件以及碼頭作業天數要求，且直立堤結構方案的造價比斜坡堤方案造價低1 126.52萬元，節約比例高達10.5%。

2）經過直立堤結構穩定物理模型驗證，在各水位波浪作用下，護底塊石均保持穩定；越浪量低于臨界值，不會對直立式沉箱結構安全造成威脅，可滿足泊穩條件；沉箱所受特征荷載均小于設計承載力，直立式沉箱結構穩定、安全。

3）綜合波浪特性分析與結構穩定計算，示例工程采用直立式沉箱結構可以滿足泊穩條件與結構承載要求，安全性能較好，同時，由于該結構工程量相對較小，造價較低，推薦采用。

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Type selection of connecting segment between deep-water gravity seaport and embankment

LIU Qian-bing,BAILong-wu
（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei430060,China）

Based on the construction conditions and design experience,we selected two kinds ofstructure schemes,slope type and uprighttype,and carried out structure design respectively,then established the physical model test for wave characteristics analysis,compared berthing conditions,engineering cost,structural stability of the two schemes.The conclusion shows that the two schemes can meet the requirements of berthing stability and the work days of wharfs in the harbor.The cost of the upright embankment structure scheme is lower than thatofthe slope embankment.Related conclusions can be used for reference on the design ofsimilar projects ofthe connecting segment between deep-water gravity seaportand embankment.

structure design;vertical caisson;wave force;physical test;berthing stability condition;anti-slipping,antidumping stability

U656.111

A

2095-7874（2017）02-0058-07

10.7640/zggwjs201702012

2016-10-09

2016-12-12

劉潛兵（1970— ），男，湖北孝感人，高級工程師，注冊土木工程師（巖土），注冊一級建造師（港航），主要從事港口及航道工程設計、項目管理。E-mail：Liuqianbing@ctesi.com.cn