高樁墩式碼頭結構在開敞水域的適用性

凌霄

【摘 要】 為分析高樁墩式碼頭上部結構的波浪受力特性，采用不同的波浪水平力計算方法進行計算。結果表明，考慮碼頭上部結構反射系數的計算方法更合理，同時對高樁墩式碼頭結構方案與高樁梁板式碼頭結構方案進行比選，高樁墩式碼頭結構因其良好的波浪受力特性和系纜裝卸便利性，適用于開敞水域的碼頭平臺建設。

【關鍵詞】 高樁墩式碼頭結構;高樁梁板式碼頭結構;波浪水平力;結構反射系數

0 引 言

港口作為水陸聯運的節點，近年來為國家“一帶一路”建設發揮了至關重要的作用。外海波浪較大是制約碼頭建設朝深水化、大型化發展的關鍵因素，尤其是當碼頭前沿頂高程較低時，在波浪水平力及浮托力的共同作用下，碼頭結構受損時有發生。碼頭結構及碼頭前沿頂高程的確定，不僅涉及結構安全，而且影響工程投資。文章結合工程中遇到的碼頭結構選型問題，分析波浪較大時高樁墩式結構的適用性。

1 工程概況

1.1 地理位置

本工程位于興化灣北岸江陰半島，地處福清市江陰鎮壁頭村西南側海域，西側緊鄰江陰港區1號集裝箱碼頭，為規劃的江陰港區壁頭作業區14號泊位工程。興化灣從東北向的牛頭尾到西南石城三面環山，東南向由興化水道及南日水道與臺灣海峽相通，口門外有南日群島作為屏障。擬建項目地理位置見圖1。

1.2 建設規模

本工程規劃建設5萬噸級集裝箱泊位1個（水工結構按可靠泊10萬噸級集裝箱船設計），近期按10萬噸級通用散雜貨泊位使用，泊位長度325 m，年設計通過能力236萬t。

1.3 水文地質條件

（1）設計水位（當地理論最低潮面）：極端高水位8.58 m，設計高水位7.45 m，設計低水位0.69 m，極端低水位 0.51 m。

（2）波浪：碼頭前沿線近似呈東西走向。根據平海及平潭站風速、波浪資料推算，強浪向為東南或東南偏東向。工程設計波浪要素見表1。

（3）地質：場地內地層自上而下分布有淤泥、 淤泥混砂、中砂混淤泥、中砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖。

2 碼頭結構選型

目前圍填海政策管控嚴格，實施填海審批難度較大。為避免造成岸線資源浪費，碼頭建設需采用透空式結構。海港工程中常見的透空式結構有高樁梁板式、高樁無梁板式及高樁墩式，其中高樁墩式結構由靠船墩、系船墩、工作平臺組成，工作平臺多采用高樁梁板結構。

工程設計中碼頭前沿頂高程需同時滿足上水控制標準與上部結構受力控制標準的要求。受力控制標準是碼頭結構在波浪作用下根據受力安全要求設定的碼頭前沿頂高程控制標準，也是碼頭結構強度設計與設定的波浪條件互相適應和妥協的結果。本工程按上部結構不受力計算出碼頭面高程為+11.2 m，而相鄰已建1號集裝箱碼頭為重力式結構，碼頭面高程為+9.5 m，兩碼頭面之間存在高差不便于一體化經營。若考慮上部結構受力而降低碼頭面高程時，波浪力水平力及浮托力又增大明顯。高樁碼頭在波浪作用下，通常梁先產生裂紋。[1] 面板等細薄構件在波浪和汽車荷載往復作用下極易發生疲勞破壞，且梁格的存在使得碼頭上部結構受到的浮托力明顯大于相同條件下平板的浮托力。[2]? 參考國內外工程實例，結合高樁碼頭結構受力特點，通過加強碼頭上部結構以降低碼頭面高程往往并不經濟;因此，波浪較大時可考慮采用高樁墩式結構，既降低碼頭面高程，又避免梁格對碼頭上部結構波浪浮托力的放大效應，兼具實體結構抗浪性良好的優點。

經多方案比選論證，碼頭擬采用高樁墩式結構。墩臺厚3 m，平面尺寸為正方形（邊長37 m），樁基采用直徑1.5 m的灌注樁，樁間距5.5 m，樁端持力層為中風化花崗巖，樁端進入持力層不少于6 m。

3 結構波浪力計算

根據計算，墩臺底部所受波浪浮托力為樁基抗拔力控制荷載，其作用效應設計值小于結構自重產生的穩定作用;而墩臺側面所受波浪水平力為樁基彎矩控制荷載。因此，結構設計應合理確定墩臺頂面高程及迎波面厚度。

3.1 計算方法

目前相關規范及手冊對作用在高樁墩式碼頭上的波浪水平力計算公式均未作出說明。作用在高樁梁板式碼頭上的波浪水平力，可參考《海港碼頭結構設計手冊》的計算方法。[3] 作用在結構立面上的波浪力由動水壓力和靜水壓力兩部分組成，算式如下：

式中：為水的密度，t/m3; g為重力加速度，一般取9.8 m/s2; h為靜水面至波面的高度，m;v為水質點軌道水平運動的水平分速度，; 為建筑物所在處行進波高，m; l為波長，m;T為周期，s; d為水深，m; z為計算點在靜水面以下的深度（水面以上均取z=0）， m; x為波面點至波峰頂的水平距離，m。

這種計算方法假定樁基透空式碼頭波浪反射可忽略，波浪反射系數取0。根據波浪理論，當波浪橫向入射時，如果碼頭長度達到1倍波長時，碼頭前形成立波，此時反射系數應取1.0。當樁基透空式碼頭上部結構迎波面阻水面積較大（高樁墩式），其波浪反射系數不能忽略時，如仍按反射系數0取值進行計算，則與實際情況存在較大偏差。《海港總體設計規范》[4] 對上部結構阻水較大的樁基透空式碼頭前沿波浪反射系數給出了參考計算公式：

式中：n為波浪反射系數;k為波數;h0為按行進波計算的波峰面高度，m;h1為上部結構入水深度，m。

針對大尺度方形或矩形柱體上波浪力，可折算直徑后按圓形柱體上的波浪力計算。

針對本結構特點，擬對高樁墩式碼頭上部結構分別按動水壓力加靜水壓力、考慮上部結構的反射系數、將其簡化為直墻式建筑物、將其假定為大尺度墩柱等4種方法進行計算。

為便于比較，統一采用極端高水位時波浪對應不同的水位進行計算。不同計算方法下波浪水平力的分布見圖3。

3.2 結果分析

（1）從圖3可以看出，上部結構受到的波浪水平力均隨著水位的降低而減小。大尺度墩柱模式的計算結果明顯高于另外3種方法。這是由于將墩式結構考慮成從墩頂到泥面的豎向阻水斷面，忽略了樁基的透水作用，因此該方法不宜用作高樁墩式結構波浪水平力的計算。

（2）墻前形成立波的計算方法是考慮上部結構反射系數取1.0的理想狀態，實際反射系數與上部結構入水深度及波數等相關。當水位設置在+6.5 m以下時，考慮上部結構反射系數方法的計算結果與動水壓力加靜水壓力方法的計算結果比較接近，說明此時反射系數較小。

（3）工程設計時，多采用動水壓力加靜水壓力的計算方法，其計算結果較考慮上部結構反射系數方法的計算結果要小，特別是上部結構入水深度較大時不能忽略其阻水效應，因此考慮反射系數的計算方法是偏安全的。值得注意的是，對于高樁梁板式結構，單個波峰產生的波浪水平力會同時作用于幾根縱梁，導致波浪水平力較大，甚至高于立波計算值。[5] 相比高樁梁板式結構的梁格對波浪水平力的放大效應，高樁墩式結構僅碼頭前沿受到波浪水平力，具有穩定優勢。

（4）通過調整墩臺底面高程并進行計算發現，當墩臺底面高程設置在極端高水位以上0.5倍波高附近時，受到波浪作用產生的樁基彎矩最大。這是由于樁基彎矩與樁基計算長度的平方成正比關系，墩臺底面高程設置過高會導致結構穩定性降低;當降低墩臺底面高程時，雖然波浪水平力增大，但樁基計算長度減小，樁基的彎矩仍處于受控范圍。

（5）高樁墩式上部結構反射系數通常小于直墻式結構，其碼頭前沿越浪量也低于直墻式結構，從滿足碼頭上水控制標準考慮，其較低的碼頭面高程有利于節省工程造價。

4 結構特點

本工程對碼頭結構型式進行較為詳細的技術比選，最終推薦采用高樁墩式結構方案。高樁梁板式與高樁墩式兩種結構方案優缺點見表3。

經過計算，兩種結構方案均能滿足使用要求。高樁梁板式碼頭結構設計一般不考慮面板承受豎向波浪力，往往忽略了縱梁受到的波浪水平力。本項目縱梁加面層高度達到了2.85 m，即使碼頭面標高取+11.2 m，上部結構所受波浪水平力也未明顯低于高樁墩式結構，而隨著碼頭排架間距和縱梁高度增加，上部結構所受波浪水平力甚至會超過高樁墩式結構所受波浪水平力。同時，在面板結構受力復雜情況下，高樁墩式結構適應性更好。例如福建寧德霞浦核電工程大件碼頭就采用了高樁墩式結構方案。隨著類似工程開展，相應的研究越來越多，高樁墩式結構的波浪受力特性也會越來越明晰，其結構型式的推廣是具有現實意義的。

5 結 語

（1）高樁墩式碼頭結構具有良好的波浪受力特性，適用于開敞水域碼頭平臺建設。

（2）雖然碼頭結構型式采用高樁墩式的造價較高樁梁板式的高，但相比碼頭面高程降低帶來的系纜和裝卸作業便利，是可以接受的。

（3）考慮碼頭上部結構反射系數的計算方法是基于規則波的假設。波浪力對高樁墩式結構的作用會受到波浪傳遞方向的影響，實際海域中波浪是多向不規則波，波浪傳遞具有復雜性。目前關于高樁墩式結構在波浪作用下的受力特性研究并不多，建議通過物理模型試驗驗證該計算方法的適用性。

參考文獻：

[1] 沈才華，謝飛.離岸深水碼頭波浪力作用下頂高程對碼頭損傷的影響[J].水運工程，2018（9）：59-65.

[2] 王元戰，陳潔.高樁碼頭上部結構波浪沖擊作用研究[J].港工技術，2013（5）：19-23.

[3]交通部第一航務工程局設計研究院.海港碼頭結構設計手冊[M].北京：人民交通出版社，1975：143.

[4]中交水運規劃設計院有限公司，交通部第一航務工程局設計研究院.海港總體設計規范（JTS 165―2013）[S].北京：人民交通出版社，2014：176.

[5] 榮傳亞，周益人.高樁碼頭上部結構波浪水平力試驗研究[J]. 水運工程，2013（9）：55-59.

[6] 孫巖松. 大件碼頭現澆墩臺混凝土施工技術[J]. 中國水運，2019（6）：125-126.