遠洋漁業基地碼頭結構設計要點分析

■鄭 煒

（福建省交通規劃設計院有限公司， 福州 350004）

1 工程概況

遠洋漁業是國家戰略性產業， 是建設海洋強國、實施“走出去”戰略和“一帶一路”倡議的重要組成部分。2019 年，國家農業農村部批準設立福州（連江）國家遠洋漁業基地，建設全國第三個國家遠洋漁業基地。

本工程基地核心區位于閩江口的粗蘆島[1]，需配套建設遠洋漁業母港，一期工程建設4 個遠洋漁業泊位， 其中3#～5#泊位為1 萬噸級泊位，6# 泊位為5000 噸級泊位，預測年吞吐量為60 萬t，年設計通過能力為70 萬t。

2 設計條件

2.1 地理地形

本項目所位于粗蘆島處于閩江口（圖1），閩江口為強潮河口，工程海域潮差較大。

圖1 工程區域位置

2.2 水文條件

2.2.1 設計水位

設計水位以當地理論最低潮面為基準，設計高水位：6.38 m； 設計低水位：0.90 m； 極端高水位：8.02 m；極端低水位：－0.14 m。

2.2.2 設計波浪

工程區域強浪向為SE 向， 重現期為50 年時，極端高水位下，碼頭前沿H1%達4.34 m。

2.3 設計船型

本工程為遠洋漁業碼頭， 主要靠泊遠洋捕撈船及運輸船， 當前國內遠洋漁船、 運輸船缺少統一標準，尺度大小相差較大。 本工程采用雜貨船的船型尺度進行類比分析， 預計到港船型以1000～10000噸級為主，主要設計船型及尺度如表1 所示。

表1 主要設計船型尺度

2.4 工程地質

根據工程地質報告揭示，擬建碼頭區域土層自上而下依次為：①淤泥、②中砂、③淤泥混砂、④砂混淤泥、⑤中砂、⑥卵石、⑦砂土狀強風化凝灰熔巖。 其中②中砂、④砂混淤泥的結構松散，工程性能差；⑤中砂、⑥卵石的土質結構較均勻，中密狀為主，工程地質性能較好。 各土層的樁基設計參數如表2 所示。

表2 各土層樁基設計參數

2.5 設計荷載

荷載設計如下：（1）恒載：結構自重。 （2）均布荷載：20 kN/m2。 （3）裝卸機械荷載：10 t×30 m 門機荷載。 （4）流動機械荷載：集裝箱拖掛車（遠期預留，按荷載代號Tr-40 考慮）、20 t 汽車。 （5）船舶荷載：1 萬噸級船舶（類比雜貨船）作用力。 （6）波浪荷載：根據相關規范[2]計算波浪力。 （7）地震荷載：按基本烈度7 度設防，地震動峰值加速度值為0.1 g。

3 設計要點

設計要點如下：（1）工程區域水文條件具有波浪大、潮差大的特點，表現在50 年一遇波高H1%達4.34 m，設計高、低水位差達5.48 m。 （2）工程區域地質條件較差，硬土層埋藏深。 （3）本工程需滿足高水位差條件下各類大、中、小型遠洋漁船的靠泊、系纜要求。

4 設計方案

4.1 樁基選型

工程區地質情況較復雜， 軟弱土覆蓋層較厚，綜合工程區域用海要求及地質條件，碼頭結構采用高樁梁板式結構。 從各土層物理力學指標分析，本工程宜采用⑤中砂、⑥卵石、⑦砂土狀強風化凝灰熔巖等土層作為樁基持力層， 碼頭設計樁長約60～80 m。 樁型選擇是高樁碼頭結構設計的關鍵因素，對工程造價有直接影響。 目前，高樁碼頭通常采用的樁型為預應力混凝土空心方樁、 鋼管樁、 灌注樁、PHC 樁及預應力混凝土大管樁等。 由于設計樁長較長，若采用鋼管樁或灌注樁，工程造價明顯較高。 且工程部分區域存在卵石層、密實中砂層，PHC樁與大管樁沉樁困難、存在開裂風險且縱向裂縫難以檢測。 而預應力混凝土方樁對于中砂或卵石的持力層具有沉樁可行性，技術成熟、工程造價低。 雖然方樁因截面尺寸較小，存在承載力及抗彎能力較小的缺點， 但本工程最大靠泊船型為1 萬噸級漁船，碼頭使用荷載不大，通過工程措施可以解決波浪大的問題。 綜合碼頭規模、工程造價、地質條件等因素，基樁采用預應力混凝土方樁。 受施工條件限制，福建省港口工程以往使用方樁最大尺寸為600 mm×600 mm。 近年來，北方地區部分港口工程突破尺寸限制，開始使用700 mm×700 mm 方樁，其制作、沉樁施工的可行性已得到驗證[3]。 700 mm×700 mm 方樁在一定程度上彌補了方樁承載力及抗彎能力偏小的缺點。

4.2 結構方案

本工程碼頭平臺長640 m，寬24 m，分為10 個分段，標準段排架間距為7 m，共計86 跨96 排。 每榀排架樁基由4 根直樁和1 對叉樁、1 根斜樁（斜率為4.5∶1）組成，基樁持力層主要為中砂或卵石，結構斷面如圖2 所示。 擬定碼頭結構方案后，通過結構受力分析確定碼頭面高程及樁基截面。

圖2 碼頭結構斷面

4.3 結構受力分析

4.3.1 波浪影響分析及碼頭面高程確定

根據受力標準控制的碼頭面高程計算結果為11.07 m，碼頭設計應綜合考慮波浪、泊位等級等因素合理選取碼頭面高程。 波浪對碼頭的作用力主要表現為浮托力與水平沖擊力。 浮托力對樁基產生拔樁力，水平沖擊力對樁基產生水平位移和彎矩。 為降低大浪對碼頭結構的影響，可采用合理抬高碼頭面高程減小波浪作用面的辦法來減小波浪力；同時可適當增加樁基斜樁數量來增加結構剛度，減小碼頭位移。

針對波浪大的設計要點，本工程經對比分析+11.0 m 與+12.0 m 不同高程的樁力設計值來確定合適的碼頭面高程，樁力計算采用易工結構設計軟件。 根據《碼頭結構設計規范》[4]，打入樁承載能力可按式（1）～（2）計算：

式中：Qd為單樁軸向承載力設計值；Td為單樁抗拔承載力設計值；γR為單樁軸向承載力抗力分項系數；U 為樁身截面周長；ξi為折減系數；qfi為第i 層土的極限側阻力標準值；li為樁身穿過第i 層土的長度；qR為單樁極限端阻力標準值；A 為樁身截面面積；G 為樁重力；α 為樁軸線與垂線夾角。

碼頭面高程為+11.0 m 與+12.0 m 時，最大樁力設計值與承載力計算結果如表3 所示。 該樁截面尺寸為700 mm×700 mm，樁身入土深度為48.7 m，樁底高程為－53.0 m。 結果顯示：當碼頭面高程為+11.0 m時，基樁所承受的最大拔樁力較大，抗拔承載力無法滿足要求。 若要進一步增大抗拔承載力，基樁普遍應至少增加3 m 以上的入土深度，部分區域還需打入巖面以下數米，造價高且施工困難。 當碼頭面高程抬高至+12.0 m 時，大浪對碼頭上部結構的作用力隨之減小，樁力設計值顯著降低，單樁極限承載力滿足要求。 因此，綜合考慮結構受力、工程造價及施工可行性等因素，碼頭面高程確定為+12.0 m。

表3 樁基最大樁力設計值與承載力計算結果

4.3.2 基樁受力驗算及樁截面尺寸確定

根據《碼頭結構設計規范》4.3.1 的規定：“計算樁使用期的內力時，應考慮施工期產生的在使用期仍然存在的內力，如斜樁自重力產生的內力等”。 本工程單個排架中斜樁較之直樁所承受的彎矩更大。其原因在于受波浪影響，碼頭面高程較高，致使基樁自由長度長、受彎長度大，由于預應力混凝土方樁具有自重大的特點，其自重產生的彎矩較大。 鑒于此， 為確定斜樁合適的樁截面尺寸， 本工程對600 mm×600 mm 與700 mm×700 mm 兩種規格方樁進行受力對比分析，截面尺寸如圖3 所示，樁力計算結果如表4 所示。

表4 樁力計算結果

圖3 樁基截面尺寸

結果顯示：兩種規格的方樁均能滿足承載力極限狀態下的抗壓與抗拉要求。 根據《水運工程混凝土結構設計規范》[5]，混凝土構件除應滿足承載力極限狀態下的受力要求外，還應滿足正常使用極限狀態下的抗裂驗算，二級構件抗裂驗算公式如下：

式中：σck、σcq為在標準組合、 準永久組合下抗裂驗算邊緣的混凝土法向拉應力；σpc為扣除全部預應力損失后在抗裂驗算邊緣混凝土的預壓應力；αct為混凝土拉應力限制系數；σtk為混凝土的軸心抗拉強度標準值。

預應力混凝土方樁邊緣在樁身彎矩和偏心距較大時出現最大法向拉應力，此時為抗裂驗算的最不利工況，方樁抗裂驗算結果如表5 所示。 結果顯示： 由于斜樁彎矩較大，600 mm×600 mm 斜樁在標準組合與準永久組合下均無法滿足抗裂要求。700 mm×700 mm 方樁抗裂能力較600 mm×600 mm方樁有顯著提高，其抗裂驗算結果符合要求，因此本工程直樁選用600 mm×600 mm 方樁， 斜樁選用700 mm×700 mm 方樁。

表5 最不利工況下抗裂驗算結果

4.4 靠泊、系纜結構設計

本工程水位大且碼頭面較高， 而遠洋漁船、運輸船尺寸大小相差大。 設計時應妥善考慮各類船舶靠泊、系纜需要。 由于該類船舶舷側形狀區別大，采用傳統的DA 型護舷容易卡頓、撞壞。 本工程通過采用三鼓一板的護舷設計滿足了不同類型船舶的靠泊需要， 解決了該類型碼頭護舷容易損壞的問題。 由于靠泊船型種類多，船舶干舷高度相差大，若僅在碼頭面設置系船柱，則在低水位時，小型漁船系纜不便。 因此設計時采用雙層系纜方式，上層系纜位于碼頭面， 下層系纜平臺頂高程為+8.1 m，通過現澆踏步與碼頭面銜接（圖4），以保證船舶的安全系纜。

圖4 碼頭系纜平臺立面圖

5 結語

（1）預應力混凝土方樁具有技術成熟、造價低、耐久性好的優點，增大預應力方樁截面尺寸，可有效提高基樁抗彎性能。 部分風浪大、潮差大海域建設中型碼頭基樁采用700 mm×700 mm 方樁可滿足結構受力要求，降低工程造價。 （2）開敞水域碼頭設計應綜合考慮波浪、泊位等級等諸多因素合理選取碼頭面高程，可有效改善碼頭結構受力。 （3）針對潮差大、兼靠大小噸級船型的碼頭可通過采用三鼓一板護舷滿足船舶靠泊，采用多層系纜的方式保證船舶系纜。