外海開敞墩式碼頭的上水情況研究

李 斌，馬 旭

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

近年來，隨著水運行業的蓬勃發展，沿海各港口的天然岸線資源已基本被開發利用，越來越多的新建碼頭或泊位不得不選址在外海開敞海域。外海開敞式碼頭大多面臨水深、浪大等不利條件，在這種自然條件下，碼頭頂面的上水情況會較為嚴重，因而很多工程碼頭前沿頂高程的確定是由碼頭上水控制的。碼頭前沿頂高程與船舶系纜、裝卸作業、結構安全、周邊銜接等息息相關，對工程投資造價有直接影響，因此從結構的角度出發，在保持碼頭前沿頂高程不變的情況下，通過研究結構的優化設計方案來達到降低碼頭面上水高度的目的，是十分必要且意義重大的。

本文以某港30萬t級原油泊位為例，分析外海開敞墩式碼頭的結構優化方案，并通過物理模型試驗驗證不同結構方案對碼頭上水的影響效果，為今后類似工程提供借鑒。

1 設計條件

1.1 工程概述

某港30萬t級原油泊位長度為401 m，碼頭前沿設計底高程為-26.0 m，頂高程11.0 m。工程區域地質較好且分布規律，下伏基巖為強風化白云巖和中風化白云巖，可作為良好的持力層。該原油泊位采用蝶形布置的重力式沉箱墩式結構，中間布置工作平臺1座，平臺兩側各布置靠船墩1座和系纜墩3座，后方通過1座4跨引橋與陸域銜接，引橋下方布置消控平臺墩1座和引橋墩2座，泊位效果見圖1。

圖1 某港30萬t級原油泊位效果

1.2 設計水位

設計高水位：2.46 m

設計低水位：0.25 m

極端高水位：3.56 m

極端低水位：-0.95 m

1.3 設計波浪要素

表1 設計波浪要素

2 結構優化設計

由于原油泊位工作平臺的碼頭面上需布置大量油工藝、消防的設備、管線和控制閥門等，對碼頭頂面的上水情況較為敏感，因此主要針對工作平臺進行結構研究。根據平面布置和工藝需求，工作平臺平面尺度為43.4 m×30 m，基礎由2座方沉箱構成，沉箱頂高程為2.0 m，高度為29 m，單個沉箱長31.45 m×寬22.15 m。沉箱頂安放預制蓋板后現澆疊合板，其上為現澆胸墻結構。

對于墩式碼頭而言，在不改變碼頭前沿頂高程和碼頭平面尺度的情況下，為改善碼頭上水情況，需采用具有透浪或消浪效果的結構，使部分入射波浪透過碼頭結構或消能，進而降低其波峰面高度，減少碼頭面上水高度。具體優化思路可分為兩種：對上部結構的優化設計和對沉箱的優化設計。

1）上部結構優化設計

已有部分工程進行了胸墻開孔或透空式上部結構的研究和實踐，其中透浪效果最好的設計方案為在沉箱蓋板上現澆一定數量的墩柱結構，其上現澆鋼筋混凝土頂板形成碼頭面。這種上部結構能在較大程度上使入射波浪透過墩式碼頭，有效降低波浪反射和波峰面高度，然而，對于外海開敞式碼頭，由于缺少有效的掩護，施工過程中需面對外海較大的波浪條件，采用大量透空式的現澆結構會極大地增加施工難度，對工程進度和施工費用均有較大影響。曾有外海開敞墩式碼頭在上部結構現澆施工過程中遭遇極端天氣導致大量鋼模板和未到齡期的混凝土結構發生破壞，遭受經濟損失的案例。因此，如能采用自重較輕、可以預制安裝的結構來實現透浪或消浪效果最為理想。

雙柱消浪塊體[1]（如圖 2）具有形狀特殊、外觀優美、消浪性能極佳的特點，透空率約為50 %，對長周期波的反射率與其它類型塊體相比較低。主要由開孔的水平板和前端為橢圓形壁面的豎板組成，上下交錯安放，不但能形成波流的橢圓形消能通道，而且形成弧面與孔道上下左右交替的優美外觀（如圖3）。其消浪原理[2]為將波浪水體的上下運動改變為水平運動，波浪導入橢圓形消浪室內，產生摩擦、沖擊，達到消浪和減少墻前反射波的目的。雙柱消浪塊體已在廈門環島路、煙臺濱海路、威海金線頂等景觀護岸工程中得到應用，作為直立式護岸岸壁的一部分，其消能和降低波浪反射的效果已經過了模型試驗和實際工程的檢驗。

圖2 雙柱消浪塊體三維結構

圖3 雙柱消浪塊體吊裝完成后

基于以上特點，擬將雙柱消浪塊體創新性地應用到墩式碼頭的上部結構設計中。將兩層預制的雙柱塊體疊砌安放于沉箱蓋板四周，并在平臺四角現澆胸墻，進而對內部結構施工形成掩護，使其形成干施工條件，能很好地適應外海及冬季施工。在形成墩式碼頭上部結構的同時兼備消能和美觀的效果，優化設計后的結構立面如圖4所示。

圖4 工作平臺結構立面（上部結構優化設計）

2）沉箱優化設計

開孔沉箱作為一種較成熟的重力式結構型式，已有許多實際工程經驗，也有應用在外海開敞海域的工程案例。研究表明[3,4]，相比于實體沉箱，開孔沉箱能起到一定的透浪效果，有利于減小波浪反射作用。因此，對沉箱的優化設計采取外壁和隔墻均開孔的沉箱結構，保持沉箱主體尺度不變，在沉箱外壁設矩形孔3排，單個孔寬2.5 m×高1.2 m，在沉箱隔墻設矩形孔1排，單個孔寬2.2 m×高3.5 m，開孔沉箱模型見圖5。

圖5 開孔沉箱模型

3 物理模型試驗

3.1 試驗方案

為驗證上述結構優化設計方案能否達到預想的降低碼頭面上水高度的效果，需進行波浪局部整體物理模型試驗。試驗水池尺度為12 m×50 m，深度為 1.5 m，造波機為電機伺服推板式，可生成規則波和不規則波。

根據結構方案，本次物理模型試驗主要驗證 2組對比因素對波峰面高度和碼頭面上水的影響，在NE向波浪作用下，進行2種胸墻結構（雙柱塊體上部結構和實體胸墻結構）和2種沉箱結構（實體沉箱和開孔沉箱）相互組合的模型試驗，具體試驗方案如下：

方案1為實體沉箱、雙柱塊體上部結構；

方案2為實體沉箱、實體胸墻結構（試驗模型見圖6）；

方案3為開孔沉箱、雙柱塊體上部結構（試驗模型見圖7）；

方案4為開孔沉箱、實體胸墻結構。

圖6 試驗模型擺放（方案2）

圖7 試驗模型擺放（方案3）

3.2 試驗結果

在工作平臺和靠船墩前布置波高傳感器，測點位置如圖8所示，測定NE向不規則波H13%作用下各方案的波峰面高程，試驗結果匯總見表2。

圖8 波峰面測點布置

表2 波峰面高程試驗結果（單位：m）

3.3 試驗結果分析

根據波高傳感器布置情況，S1～S3測點位于左側靠船墩前沿，S4～S6測點位于工作平臺前沿，S7～S9測點位于右側靠船墩前沿。由試驗結果可以發現，在設計低水位和極端低水位時，測得的波峰面高程均低于碼頭結構頂高程11.0 m，即低水位情況碼頭頂面沒有上水，因此針對高水位情況（極端高水位和設計高水位）分析碼頭面上水情況，每個墩臺上的最大上水高度為試驗測得的最大波峰面高程與墩臺結構頂高程的差值。

將方案1和方案2的結果進行對比（如圖9）可以發現，在沉箱均為實體沉箱時，采用雙柱塊體上部結構相比傳統實體胸墻結構，能明顯改善碼頭面上水情況，在高水位情況，每個墩臺的最大上水高度降低了0.6～0.7 m。將方案3和方案4的結果進行對比，在沉箱均為開孔沉箱時，也能得到類似的結論。由此可見，對胸墻結構進行優化設計，采用具有一定透空效果的雙柱消浪塊體上部結構對降低波峰面高程，改善上水情況具有較為顯著的效果。

圖9 方案1和方案2上水結果對比

將方案1和方案3的結果進行對比（如圖10）可以發現，在上部結構均為雙柱消浪塊體時，采用開孔沉箱相比實體沉箱，能略微改善碼頭面上水情況，但效果非常微弱，在高水位情況，每個墩臺的最大上水高度降低的幅度均小于 0.1 m。這主要是由于本工程前沿水深較深，受單個沉箱預制總重量和現場施工水位等因素制約，工作平臺沉箱頂高程定為 2.0 m，因此沉箱開孔的位置處于水位變動區和水下區。在此區域內開孔，雖能起到一定的透浪效果，但對于高水位而言，開孔位置明顯低于入射波浪的平衡位置，對波能的消散作用十分有限，對碼頭面上水情況的影響較小。

圖10 方案1和方案3上水結果對比

綜上，經物理模型試驗驗證，采用透空結構來替代傳統的實體結構，可以實現降低高水位情況下波峰面高程，減少碼頭面上水的目的。采用雙柱塊體上部結構，即對胸墻結構進行透空設計時，對改善碼頭面上水情況影響較大，而采用開孔沉箱，即對沉箱結構進行透空設計時，對改善碼頭面上水情況影響較小，這主要是因為透空結構所處位置的不同導致的。由于碼頭面上水主要發生在高水位情況，高水位以上的結構高度為波能集中的主要位置，在此區域內進行透空設計，使波浪透過結構消能、破碎，方能有效降低碼頭面上水高度；在高水位以下的位置進行透空設計，即使透空效果更好、透空率更高，對碼頭面上水高度的影響也微乎其微，無法實現預想的設計意圖。

4 結 語

本文從結構的角度出發，研究如何通過優化結構設計來實現降低碼頭面上水高度的目的，以某港30萬t級原油泊位為例，分析外海開敞墩式碼頭的結構優化設計方案，并開展不同對比因素的波浪局部整體物理模型試驗，驗證優化后的結構方案對碼頭面上水的影響效果。試驗結果表明，采用透空結構（如雙柱塊體上部結構、開孔沉箱）來替代傳統的實體結構，能降低高水位情況下碼頭面上水高度，而透空結構所處的位置決定了其對上水高度影響的大小，透空結構位于波能集中區域時對上水高度的影響最為顯著。后續進行類似工程結構設計時，可加以借鑒。

雙柱消浪塊體以其優美的外觀和良好的消浪效果已在多個景觀護岸工程中得到應用，本文創新性地將雙柱消浪塊體應用到墩式碼頭上部結構設計中，通過物理模型試驗驗證，與傳統實體胸墻結構相比，雙柱塊體上部結構在高水位情況下能有效降低碼頭前沿波峰面高度，對上水控制也較為明顯；同時由于雙柱塊體結構自重輕，施工方便，其預制安裝施工后，可對內部結構施工形成掩護，使其形成干施工條件，適應外海及冬季施工。為改善外海開敞墩式碼頭的上水情況提供了新的解決辦法，對雙柱消浪塊體的應用進行了拓展和豐富，為今后類似工程建設積累了理論和實踐經驗。