關(guān)于基巖埋深較好的區(qū)域采用框架式生態(tài)沉箱的探討

常 江，申瑞婷，李 梅，周子駿

(1.山東港口集團(tuán)日照港，日照 276808；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100007；3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220；4.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

國家為加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)，嚴(yán)格控制圍填海活動(dòng)，不僅嚴(yán)格控制新增圍填海造地，同時(shí)也對(duì)新建的碼頭設(shè)施提出了更高的生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求。隨著國家用海政策的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)重力式碼頭結(jié)構(gòu)(實(shí)體結(jié)構(gòu))已不適應(yīng)生態(tài)環(huán)保的要求，因此需要研究開發(fā)一種適應(yīng)于巖基等較好地質(zhì)的新型透空式碼頭結(jié)構(gòu)——框架式生態(tài)沉箱碼頭結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式在港口工程施工建造、生產(chǎn)運(yùn)營時(shí)期均能采取有效措施減小對(duì)海洋生態(tài)的影響，保證海洋水體的流動(dòng)和交換。因此，積極研究該新型透空式碼頭結(jié)構(gòu)，為綠色港口建設(shè)提供一種新思路。

框架式生態(tài)沉箱新型碼頭是一種全新的透空重力式沉箱碼頭結(jié)構(gòu)，其上部承臺(tái)大板結(jié)構(gòu)與預(yù)制的樁柱結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆成整體，能夠抵抗波浪上浮作用，無需抬高碼頭面高程，充分利用碼頭岸線；其樁柱和下部生態(tài)沉箱共同預(yù)制成為整體，樁柱的長度不受施工水位限制，大大提高了其透空率，提高了水體交換能力；同時(shí)，該結(jié)構(gòu)在生態(tài)沉箱頂人工設(shè)置底棲環(huán)境，更利于底棲生物的恢復(fù)及生長，適應(yīng)目前國家政策對(duì)生態(tài)環(huán)保的要求。框架式生態(tài)沉箱碼頭具有明顯的實(shí)用、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

框架式生態(tài)沉箱新型碼頭的使用能夠避免大面積的圍填海，便于盡快投資、盡快建設(shè)、盡快投產(chǎn)。同時(shí)，框架式生態(tài)沉箱新型碼頭的使用對(duì)我國北方現(xiàn)有的重力式沉箱結(jié)構(gòu)也是一種創(chuàng)新，在施工工藝、運(yùn)行維護(hù)以及海洋環(huán)保均有進(jìn)步。

1 框架式生態(tài)沉箱概述

框架式生態(tài)沉箱碼頭結(jié)構(gòu)包括下部潛沉箱、與沉箱整體澆筑的樁柱、上部承臺(tái)大板及回填料四部分。該結(jié)構(gòu)將重力式沉箱和樁基兩種碼頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，適應(yīng)巖基等較好地質(zhì)，能顯著提高水體交換能力，通過在潛沉箱頂面設(shè)置人工魚礁、利于底棲生物的恢復(fù)及生長、適應(yīng)目前國家政策對(duì)生態(tài)環(huán)保的要求。另外，新結(jié)構(gòu)采用沉箱與上部樁柱整體預(yù)制、出運(yùn)，施工快捷高效，實(shí)現(xiàn)了碼頭構(gòu)件的大型化、裝配化。框架式生態(tài)沉箱碼頭結(jié)構(gòu)作為一種新型透空式碼頭結(jié)構(gòu)，無成熟設(shè)計(jì)計(jì)算方法和實(shí)施案例。依托我國北方某港口的實(shí)際工程對(duì)框架式生態(tài)沉箱碼頭結(jié)構(gòu)所受波浪力進(jìn)行專題研究，總結(jié)框架式生態(tài)沉箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 生態(tài)沉箱的類別

巖基等地基條件較好的港區(qū)采用透空式碼頭時(shí)通常考慮重力式沉箱墩+大跨度梁板及開孔沉箱兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案。重力式沉箱墩+大跨度梁板結(jié)構(gòu)由多個(gè)沉箱墩基礎(chǔ)和橫跨在沉箱墩上的梁板組成，為滿足大跨度梁板抗浮穩(wěn)定要求和解決支座上水問題，碼頭面高程往往比一般重力式碼頭高2～4 m，影響船舶作業(yè)效率，增加工程造價(jià)，且與港區(qū)周邊碼頭高程不協(xié)調(diào)，尤其碼頭順岸連片布置時(shí)，嚴(yán)重影響港口生產(chǎn)組織和效益。開孔沉箱結(jié)構(gòu)有的在胸墻上開孔、有的在沉箱上部開孔、還有的在沉箱底部開孔；在胸墻上及沉箱上部開孔的防波堤主要利用波浪自身動(dòng)能消能、降低開孔沉箱前的波浪力、降低堤后波高和減少越浪量、進(jìn)而降低工程量、節(jié)約投資；在沉箱底部開孔的防波堤，允許港內(nèi)外水體交換，同時(shí)可作為生物通道；但以上開孔沉箱都是在結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行開孔處理，主要用于消浪和適當(dāng)提高水體交換；為保證結(jié)構(gòu)本身的安全性，往往開孔率相對(duì)較低，水體交換量不大，且大多應(yīng)用在防波堤結(jié)構(gòu)中。

我國離岸深水港建設(shè)過程中提出重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)，也可作為巖基等地基條件較好的港區(qū)透空式碼頭結(jié)構(gòu)方案。該結(jié)構(gòu)為重力式結(jié)構(gòu)和樁基結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)外海環(huán)境特點(diǎn)、施工特點(diǎn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)[1-8]。該種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是隨著碼頭水深的增加，造價(jià)增加較少，在水深較大時(shí)工程造價(jià)相對(duì)較低，適合于地質(zhì)較好、水深較深的開敞式碼頭建筑物。由于上部樁基和下部沉箱為兩個(gè)獨(dú)立構(gòu)件，需現(xiàn)場將樁基嵌固于沉箱艙格混凝土內(nèi)，使其連接成為整體，嵌固位置和嵌固施工是該結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，施工較為復(fù)雜。目前重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)國內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例總體較少[9-11]。

3 工程實(shí)例

某港區(qū)碼頭結(jié)構(gòu)按25萬t級(jí)泊位設(shè)計(jì)，泊位長度為345 m，包括碼頭新建主體結(jié)構(gòu)段(260.14 m)和與已有碼頭連接的過渡段(84.86 m)。碼頭面頂高程為7.0 m，碼頭前沿底高程為-24.0 m，碼頭面寬度42 m。疏港通道共2條，擬采用引堤或棧橋結(jié)構(gòu)，單通道長度158 m，頂寬11.0 m，頂高程7.0 m。如圖1和圖2所示。

圖1 框架式生態(tài)沉箱碼頭立面圖

碼頭主體結(jié)構(gòu)段擬采用框架式生態(tài)沉箱結(jié)構(gòu)。下部采用重力式潛沉箱框架，上部采用樁柱大板。為保證碼頭透空性要求，生態(tài)沉箱頂部設(shè)計(jì)標(biāo)高取為-2.0 m，生態(tài)沉箱底部設(shè)計(jì)標(biāo)高為-24.60 m。碼頭面寬度42.0 m，由前后2個(gè)生態(tài)沉箱組成，單個(gè)生態(tài)沉箱(含樁柱)質(zhì)量約5 800 t，總計(jì)28個(gè)框架沉箱。泊位前后沉箱大小保持一致，每個(gè)框架沉箱寬17.60 m，在碼頭面的長度15.50 m，高22.60 m，共計(jì)9個(gè)倉格，四周設(shè)腳趾；沉箱頂部由混凝土進(jìn)行封倉，封蓋厚0.50 m，蓋板頂部標(biāo)高為-3.00 m，其上為底棲生物的生活空間；結(jié)構(gòu)柱直徑1.0 m，橫斷面間距5.70～5.45 m，碼頭面間距5.0～4.75 m，總計(jì)16個(gè)構(gòu)造柱，構(gòu)造柱的頂部標(biāo)高為4.50 m。碼頭基槽底高程從-25.6～-29.0 m，持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖，拋石基床厚度從1.0～4.4 m；沉箱內(nèi)吹填砂至封倉蓋板底；樁柱上現(xiàn)澆混凝土大板。前軌距碼頭前沿距離4.0 m，前沉箱上大板厚度為2.5 m，后沉箱上大板厚度為2.0 m；碼頭系船設(shè)施采用2 000 kN系船柱，靠船設(shè)施采用SC2250H(RO)型一鼓一板橡膠護(hù)舷，護(hù)舷中心標(biāo)高4.8 m。

過渡段總長84.86 m，該段碼頭結(jié)構(gòu)及系靠船設(shè)施已建設(shè)完成，其中45.5 m范圍后方拋石棱體已回填完成，39.36 m范圍內(nèi)后方尚未回填。泊位過渡段已建碼頭面頂高程7.0 m，碼頭前沿底高程為-24.0 m。采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱底標(biāo)高-24.0 m，頂標(biāo)高-3.00 m；沉箱縱向5個(gè)倉格，橫向4個(gè)倉格，沉箱尺寸為19.58 m×19.21 m×27.0 m(長×寬×高)，重約為4 520 t。沉箱內(nèi)回填10～100 kg塊石，頂面設(shè)300 mm二片石墊層和100 mm素混凝土墊層，沉箱上部現(xiàn)澆混凝土胸墻。碼頭以強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖為基礎(chǔ)持力層，拋石基床采用10～100 kg塊石，基床厚1.0～2.2 m。前軌直接坐落在現(xiàn)澆胸墻上，距碼頭前沿4.0 m，鋼軌采用A150型。碼頭設(shè)2 000 kN系船柱和2 250 H(標(biāo)準(zhǔn)反力)一鼓一板鼓型橡膠護(hù)舷，每個(gè)沉箱設(shè)置一套。該段碼頭面頂高程、碼頭前沿底高程、系靠船設(shè)施均與新建主體結(jié)構(gòu)段相同，滿足25萬t級(jí)散貨船使用要求，僅需進(jìn)行后方回填、護(hù)面、護(hù)底、擋浪墻及軌道梁等結(jié)構(gòu)的施工。在已建沉箱、胸墻后方未回填處回填10～100 kg拋石棱體，棱體后方采用100～200 kg護(hù)面塊石，下部采用60～100 kg護(hù)底塊石；拋石棱體上方設(shè)混凝土擋浪墻，擋浪墻下部設(shè)100 mm素混凝土墊層和300 mm碎石墊層。裝卸設(shè)備前后軌距12 m，后軌應(yīng)作用在沉箱上，在已建沉箱最后一個(gè)倉格上現(xiàn)澆面板，面板厚度1.0 m，面板上現(xiàn)澆后軌道梁，軌道梁高3.0 m，底寬2.4 m，采用現(xiàn)澆彈性地基梁結(jié)構(gòu)。

4 模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)要求

針對(duì)碼頭工程，物理模型試驗(yàn)是較為有效的研究方法[11-16]，本次試驗(yàn)在波浪試驗(yàn)港池進(jìn)行。港池長52 m、寬24 m、高1.2 m，配有不規(guī)則波造波機(jī)，可根據(jù)試驗(yàn)要求產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。波高測量采用電容式波高儀及自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。波壓力采用壓強(qiáng)傳感器測量，總力采用拉壓力傳感器測量，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集量測數(shù)據(jù)。

遵照《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，采用正態(tài)模型，按重力相似模型設(shè)計(jì)。根據(jù)場地條件和工程的平面尺寸，模型比尺取為1：45。主要物理量的比尺為：幾何比尺λh=λ1=45，時(shí)間比尺λt=λ11/2，重量比尺λw=λ13，波浪力比尺λF=λ13，壓強(qiáng)比尺λp=λ1。

試驗(yàn)的波向?yàn)镾SE和SE兩個(gè)波向，模型范圍包括擬建泊位及過渡段。工程模型布置于距離造波機(jī)約10 m處，大于6倍波長，符合《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。整體模型中地形、碼頭等都按《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》要求準(zhǔn)確模擬，做到與原型幾何相似。

波浪按重力相似準(zhǔn)則模擬，不規(guī)則波的波譜采用JONSWAP譜，其表達(dá)式為

(1)

模型試驗(yàn)中波高和周期與目標(biāo)值的誤差控制在±5%以內(nèi)，使之在模型放置處滿足所要求的波要素。

在碼頭前沿和后方布置波高儀測量碼頭前波面高度，碼頭前沿布置9個(gè)波高儀，其中7個(gè)布置在擬建生態(tài)結(jié)構(gòu)碼頭前，2個(gè)位于過渡段。擬建生態(tài)結(jié)構(gòu)碼頭后方布置2個(gè)，距后沿線25 m。

對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)前排沉箱墩、沉箱墩上部大板結(jié)構(gòu)(前、后沉箱，包括立柱)等測量波浪水平力及浮托力。測量的沉箱結(jié)構(gòu)位置有三處，分別位于擬建生態(tài)沉箱段中部及兩端。進(jìn)行總力測量時(shí)，結(jié)構(gòu)除與總力傳感器接觸外不受其他外力作用。總力傳感器用鐵架和金屬螺桿固定住。總力采用拉壓力傳感器測量，采樣頻率為125 Hz，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集量測數(shù)據(jù)。總力儀器布置見圖3。

圖3 總力傳感器布置(沉箱墩水平力和上托力)

在前排沉箱墩上布置4列垂線，每列5個(gè)壓力測點(diǎn)，并在沉箱底部布置壓強(qiáng)測點(diǎn)；對(duì)于沉箱上部結(jié)構(gòu)，在大板底面布置壓強(qiáng)測點(diǎn)測量面板上托力；對(duì)于壓倉板結(jié)構(gòu)，在每塊板頂面中心布置壓力測點(diǎn)測量下壓壓強(qiáng)。波壓力采用壓力傳感器測量，采樣頻率為125 Hz，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集量測數(shù)據(jù)。壓強(qiáng)傳感器布置見圖4。

圖4 壓強(qiáng)傳感器布置(沉箱墩)

4.2 試驗(yàn)條件[3]

(1)設(shè)計(jì)水位(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫峦?。

極端高水位(50 a一遇)： +6.48 m

設(shè)計(jì)高水位： +5.34 m

設(shè)計(jì)低水位： +0.63 m

極端低水位(50 a一遇)： -0.55 m

對(duì)于部分工況，補(bǔ)充了3.70 m水位時(shí)波浪及波浪力測量。

(2)試驗(yàn)波浪要素見表1。

表1 試驗(yàn)波浪要素

5 模型試驗(yàn)結(jié)果以及討論

圖5 壓強(qiáng)傳感器布置(上部大板底面)

(1)在擬建碼頭及過渡段(直立結(jié)構(gòu))前沿布置波高儀測量碼頭前、后波面高度，以分析碼頭上水及透浪情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)高水位及相應(yīng)10 a一遇SSE和SE向波浪作用下，擬建生態(tài)沉箱碼頭段基本不上水，SSE向浪波列中大浪作用時(shí)過渡段有少量上水。SSE向波浪作用下生態(tài)沉箱段和過渡段碼頭前沿最大波面高程(D4%)分別為7.00 m和7.73 m，SE向波浪作用下生態(tài)沉箱段和過渡段碼頭前沿最大波面高程(D4%)分別為6.49 m和6.80 m。極端高水位及相應(yīng)50 a一遇SSE和SE向波浪作用下，碼頭上水量較大，碼頭生態(tài)沉箱段前最大波面高程(D1%)分別為9.22 m和8.63 m，SSE向波浪作用下最大波面高于碼頭面頂高程(7.00 m)2 m以上。高水位時(shí)，水位超過碼頭上部面板底高程，透射波浪較小。50 a一遇波浪作用下，最大透射波高出現(xiàn)在設(shè)計(jì)高水位，H13%=1.61 m；10 a一遇波浪作用下，最大透射波高出現(xiàn)在設(shè)計(jì)低水位，H13%=1.12 m，波浪方向?yàn)镾SE向。

(2)試驗(yàn)中對(duì)擬建碼頭中部及兩端三個(gè)位置處生態(tài)沉箱進(jìn)行波浪力試驗(yàn)，波浪力試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于各結(jié)構(gòu)，SSE向浪與碼頭前沿線交角較大，通常對(duì)結(jié)構(gòu)作用力也大，但對(duì)于擬建碼頭北端與過渡段連接處前排沉箱上部大板，由于過渡段為全直立沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱側(cè)面對(duì)SE向波浪的反射較大，波浪浮托力也較SSE向浪作用時(shí)的值大。擬建碼頭中部段前排沉箱上部大板，設(shè)計(jì)高水位5.34 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，水平波浪力和浮托力最大，分別為954 kN和4 764 kN；后排沉箱上部大板最大水平波浪力和浮托力分別為417 kN和3 465 kN。對(duì)于擬建碼頭南端前排沉箱，補(bǔ)充水位3.70 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，橫向和縱向水平波浪力最大，分別為5 762 kN和4 996 kN；設(shè)計(jì)高水位5.34 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，浮托力最大，為5 218 kN。后排沉箱，補(bǔ)充水位3.70 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，橫向和縱向水平波浪力最大，分別為3 523 kN和4 194 kN；設(shè)計(jì)高水位5.34 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，浮托力最大，為4 203 kN。對(duì)于擬建碼頭南端前排沉箱上部大板，設(shè)計(jì)高水位5.34 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，橫向水平波浪力、縱向水平波浪力和浮托力最大，分別為843 kN、607 kN和5 026 kN；后排沉箱上部大板最大橫向水平波浪力、縱向水平波浪力和浮托力分別為402 kN、604 kN和4 113 kN。對(duì)于擬建碼頭北端與過渡段連接處前排沉箱上部大板，設(shè)計(jì)高水位5.34 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，水平波浪力最大，為744 kN；設(shè)計(jì)高水位5.34 m及相應(yīng)的SE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，波浪浮托力最大，為5 066 kN。對(duì)于擬建碼頭中部段前排沉箱小立柱，設(shè)計(jì)高水位5.34 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，最大水平波浪力為13 kN。

(3)試驗(yàn)中對(duì)碼頭中部及北端兩個(gè)位置處生態(tài)沉箱進(jìn)行波浪壓強(qiáng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于擬建碼頭中部段前排沉箱，極端高水位6.48 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，最大波壓力為32.5 kPa，出現(xiàn)在沉箱后側(cè)。對(duì)于擬建碼頭中部段前排沉箱上部大板，補(bǔ)充水位3.70 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，最大波壓力為36.5 kPa；后排沉箱上部大板波壓力較小；設(shè)計(jì)低水位0.63 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，封倉板最大波壓力為26.7 kPa。對(duì)于擬建碼頭北端與過渡段連接處前排沉箱上部大板，補(bǔ)充水位3.70 m及相應(yīng)的SSE向50 a一遇不規(guī)則波作用下，最大波壓力為30.3 kPa。

6 結(jié)論

采用1:45的正態(tài)模型對(duì)港區(qū)泊位工程開展波浪局部整體物理模型試驗(yàn)工作，驗(yàn)證了波浪作用下碼頭主體結(jié)構(gòu)及護(hù)底結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，測定了沉箱、上部大板、樁柱、封倉板等構(gòu)件上波浪力及分布情況，測定了碼頭主體結(jié)構(gòu)段及過渡段碼頭前沿波峰面高程及碼頭后方透射波高等。主要結(jié)論如下：

(1)碼頭面上水試驗(yàn)表明，由于生態(tài)沉箱結(jié)構(gòu)上部采用透空結(jié)構(gòu)，碼頭前波高小于過渡段碼頭(直立結(jié)構(gòu))前波高；設(shè)計(jì)高水位及相應(yīng)10 a一遇SSE和SE向波浪作用下，擬建生態(tài)沉箱碼頭段都不上水，SSE向浪波列中大浪作用時(shí)過渡段有少量上水；極端高水位及相應(yīng)50 a一遇SSE和SE向波浪作用下，碼頭上水量較大。

(2)SSE和SE向波浪作用下，由于前方碼頭的掩護(hù)，后方波高較小，SE向透射波高略小。高水位時(shí)，水位超過碼頭上部面板底高程，受上部結(jié)構(gòu)阻擋透射波浪較小。

(3)對(duì)于各結(jié)構(gòu)，SSE向浪與碼頭前沿線交角較大，通常對(duì)結(jié)構(gòu)作用力也大，但對(duì)于擬建碼頭北端與過渡段連接處前排沉箱上部大板，由于過渡段為全直立沉箱結(jié)構(gòu)，SE向波浪的反射較大，波浪浮托力也較SSE向浪作用時(shí)的值大；前排沉箱波浪力通常大于后排沉箱。

(4)對(duì)于擬建碼頭中部段前排沉箱，極端高水位最大波壓力出現(xiàn)在沉箱后側(cè)。前排沉箱上部大板波浪壓強(qiáng)大后排沉箱上部大板。

(5)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，在各級(jí)水位及相應(yīng)50 a一遇波浪作用3 h后，前、后排沉箱及沉箱前10～100 kg塊石基床均滿足穩(wěn)定要求。需要說明的是，對(duì)于本工程碼頭上部大板結(jié)構(gòu)，極端高水位時(shí)，部分已沒于水下，本次試驗(yàn)給出的波浪上托力未考慮浮力的影響。