自動化集裝箱碼頭高程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

舒開連，李 彬

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510290)

自動化集裝箱碼頭通常采用電力驅(qū)動的自動化水平運(yùn)輸設(shè)備，該設(shè)備的價值較高、視覺導(dǎo)航功能對路況的要求也較高，并且堆場內(nèi)大量堆存的集裝箱中也是經(jīng)濟(jì)價值高的貨物。近年來臺風(fēng)、強(qiáng)暴雨等惡劣天氣頻繁加劇，若高程設(shè)計不合理導(dǎo)致港區(qū)積水過深，不僅影響自動化水平運(yùn)輸設(shè)備的導(dǎo)航定位，而且會導(dǎo)致貨物財產(chǎn)損失和自動化設(shè)備故障。因此，通過合理的高程設(shè)計提高港區(qū)防洪抗?jié)衬芰κ亲詣踊b箱碼頭設(shè)計的重要課題之一。

本文通過對自動化集裝箱碼頭的特點進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有高程設(shè)計方法存在的問題和優(yōu)化方向，提出適用于自動化集裝箱碼頭的高程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。

1 自動化集裝箱碼頭特點

自動化集裝箱碼頭因堆存集裝箱和采用電力驅(qū)動的自動化水平運(yùn)輸設(shè)備，其具有以下特點：1)集裝箱在堆場內(nèi)堆存時，首層集裝箱距地面高度較小，堆場內(nèi)積水易造成貨損現(xiàn)象。2)目前主流的自動化水平運(yùn)輸設(shè)備電池一般布置在底部，距地面凈高較小。若道路積水較多，積水濺起進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部或者積水淹沒底部，將損壞電池或?qū)е聝?nèi)部元件短路，造成重大財產(chǎn)損失。3)對于采用自動駕駛技術(shù)的水平運(yùn)輸設(shè)備，視覺導(dǎo)航為其中重要的導(dǎo)航方式。若道路大范圍積水也將嚴(yán)重影響自動化水平運(yùn)輸設(shè)備的導(dǎo)航定位。

近年來臺風(fēng)、強(qiáng)暴雨等惡劣天氣頻繁加劇，經(jīng)常出現(xiàn)降水量超過設(shè)計排水能力以及碼頭前沿越浪上水倒排入堆場的現(xiàn)象，導(dǎo)致港區(qū)積水嚴(yán)重，極大影響港口貨物保值和正常生產(chǎn)作業(yè)。因此，自動化集裝箱碼頭高程設(shè)計需要適當(dāng)提高港區(qū)的防洪抗?jié)衬芰Α?/p>

2 現(xiàn)有高程設(shè)計方法存在問題及優(yōu)化方向

2.1 碼頭高程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》[1]，碼頭前沿高程應(yīng)滿足當(dāng)?shù)卮蟪睍r碼頭面不被淹沒的要求，對于實體結(jié)構(gòu)形式的碼頭前沿頂高程按照上水標(biāo)準(zhǔn)確定時，按下式計算：

HE=HDWL+ΔW

(1)

式中：HDWL為設(shè)計水位(m)；Δw為上水標(biāo)準(zhǔn)的富余高度(m)，基本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計高水位的富余高度采用10～15 a重現(xiàn)期H4%波浪的波峰面高度(并不小于1.0 m)，復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)極端高水位的富余高度采用2～5 a重現(xiàn)期H4%波浪的波峰面高度。

由于碼頭高程計算時采用的波浪重現(xiàn)期較短，導(dǎo)致波浪的超越概率較大，在臺風(fēng)天氣下時常發(fā)生碼頭上水現(xiàn)象。

2.2 陸域高程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)提高

陸域高程根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計，同時按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]復(fù)核。根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》，陸域高程應(yīng)滿足在設(shè)定的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)水位時港區(qū)陸域不被淹沒的要求，不宜低于極端高水位以上0.3～0.5 m。同時為滿足防洪要求，陸域高程應(yīng)按防洪標(biāo)準(zhǔn)確定的設(shè)計高潮位+安全超高進(jìn)行復(fù)核。《防洪標(biāo)準(zhǔn)》中，對于海港最高防護(hù)等級的設(shè)計高潮位取100～200 a一遇的高潮位。

隨著極端天氣頻繁加劇，海港需要面臨超過防洪標(biāo)準(zhǔn)高潮位的影響。對于自動化碼頭，陸域受淹后損失大于普通碼頭。另外由于目前海港碼頭通常采用吹填港池疏浚土的方式造陸，陸域高程取值偏低也會減少陸域吹填納泥量，從而增加疏浚土外拋量，增加工程投資。

2.3 抗?jié)衬芰Φ?/h3>

集裝箱碼頭高程設(shè)計時，為便于設(shè)備通行，通常陸域高程與碼頭高程取值一致，極端天氣時碼頭越浪上水易進(jìn)入后方陸域形成積水。同時由于陸域高程設(shè)計一般采用平坡式系統(tǒng)，港區(qū)整體較為平坦。但根據(jù)《自動化集裝箱碼頭設(shè)計規(guī)范》[3]，自動化集裝箱碼頭雨水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期僅規(guī)定為不小于3 a，出現(xiàn)超標(biāo)雨水的概率較大，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)超標(biāo)雨水無處排放而在港區(qū)形成內(nèi)澇。

另外由于海港吹填造陸固有的后期沉降特點，使用期經(jīng)常出現(xiàn)箱區(qū)和道路局部不均勻沉降形成洼地，導(dǎo)致陸域積水。

2.4 優(yōu)化方向

綜上，現(xiàn)有高程設(shè)計方法的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和抗?jié)衬芰ζ停y以與自動化集裝箱碼頭的特點相適應(yīng)，需要提高碼頭高程和陸域高程以減小碼頭越浪上水的影響，同時提高堆場抗?jié)衬芰p少陸域積水。

3 高程優(yōu)化設(shè)計

3.1 碼頭高程優(yōu)化設(shè)計

自動化集裝箱碼頭受淹后損失巨大，高程設(shè)計時，碼頭前沿在滿足《海港總體設(shè)計規(guī)范》的情況下，可以考慮適當(dāng)抬高碼頭高程以適應(yīng)更高的波浪重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。

以南方某集裝箱碼頭[4]為例，設(shè)計高水位對應(yīng)的不同重現(xiàn)期的波峰面高度見表1。

表1 波峰面高度

該碼頭原方案基本標(biāo)準(zhǔn)的富余高度根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》取10 a一遇H4%的波峰面高程；碼頭高程增加0.2 m時，富余高度對應(yīng)為25 a一遇H4%的波峰面高程。因此，碼頭高程小幅度增加即可大幅提高波浪重現(xiàn)期，從而有效提高抵抗越浪的能力。

3.2 陸域高程優(yōu)化設(shè)計

自動化集裝箱碼頭設(shè)備和貨物價值高，受淹后損失大于普通碼頭。為減少高潮位時碼頭越浪上水對堆場的影響，陸域高程設(shè)計可參考城市防護(hù)區(qū)適當(dāng)提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，保證陸域高程高于碼頭前沿。另外陸域高程抬高還可增加陸域納泥量，減少工程投資。

以南方某集裝箱碼頭為例，當(dāng)?shù)胤篮闃?biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，對應(yīng)水位為4.87 m，原方案陸域高程取5.4 m。考慮減少臺風(fēng)期碼頭越浪，陸域高程設(shè)計按300 a一遇高潮位5.19 m進(jìn)行復(fù)核，同時考慮到港池疏浚土較多，陸域高程設(shè)計優(yōu)化后取6.0 m，高于碼頭前沿0.4 m，能夠大幅提高陸域防洪能力，同時可增加納泥約25萬m3，并且堆場積水可通過地表排向碼頭前沿，后方陸域為自動化水平運(yùn)輸設(shè)備提供了一個安全的停放區(qū)域。后方陸域與碼頭高程銜接見圖1。

圖1 后方陸域與碼頭前沿高程銜接(高程：m)

3.3 堆場高程優(yōu)化設(shè)計

提高堆場抗?jié)衬芰煽紤]采取工程措施將超標(biāo)雨水暫時蓄存，減少堆場和道路積水。對于自動化集裝箱碼頭，可考慮設(shè)置臺階式箱區(qū)，將通常與箱角基礎(chǔ)平齊的箱間區(qū)鋪面布置為下凹式場地，從而形成蓄水空間，因此間接增加了集裝箱箱底距離地面的高度，保證即使出現(xiàn)一定程度的超標(biāo)雨水也不會在道路和箱角基礎(chǔ)以上形成積水，提高了堆場抗?jié)衬芰Α?/p>

臺階式箱區(qū)高程設(shè)計主要包括箱間區(qū)鋪面高程和箱角基礎(chǔ)高程兩部分內(nèi)容。箱間區(qū)鋪面高程應(yīng)低于道路和箱角基礎(chǔ)，與周邊道路和箱角基礎(chǔ)之間形成臺階，在箱區(qū)范圍形成下凹式蓄水空間，并且將路面的匯水距離由道路中心到排水溝縮短至道路中心到道路邊沿。箱間區(qū)鋪面高程越低，形成的蓄水空間越大，但是箱角基礎(chǔ)埋深越小，因此需要綜合蓄水空間需求和箱角基礎(chǔ)穩(wěn)定性、投資等確定箱角區(qū)鋪面與周邊的臺階高度。箱間區(qū)鋪面可采用由兩側(cè)向中間傾斜或由中間向兩側(cè)傾斜的多向傾斜平坡式系統(tǒng)，也可采用由一側(cè)向另一側(cè)傾斜的單向傾斜平坡式系統(tǒng)。從增加蓄水空間和減少工程投資的角度，建議采用由兩側(cè)向中間傾斜的方案，在堆場中間設(shè)置1條排水溝。

箱角基礎(chǔ)的高程設(shè)計應(yīng)不低于道路高程，同時箱角基礎(chǔ)高程越高，抗?jié)衬芰υ綇?qiáng)，對于后期沉降的適應(yīng)性也越高，但是為保證箱角基礎(chǔ)穩(wěn)定性需要額外增加基礎(chǔ)高度，導(dǎo)致投資增加；高程越低，抗?jié)衬芰蛯笃诔两档倪m應(yīng)性越低。因此箱角基礎(chǔ)的高程需要根據(jù)抗?jié)衬芰屯顿Y綜合確定。

以南方某海港集裝箱碼頭為例，堆場高程設(shè)計采用臺階式箱區(qū)設(shè)計方案[5]，見圖2。箱間區(qū)鋪面高程根據(jù)箱角基礎(chǔ)高度、軌道梁高程取5.73～5.78 m，由箱區(qū)兩側(cè)往中間傾斜，坡度i約3‰，箱角基礎(chǔ)高程綜合考慮工后沉降和箱間區(qū)鋪面下凹高度取6.1 m，臺階高差約0.35 m，箱區(qū)可額外提供約9.5萬m3蓄水容量。

圖2 臺階式箱區(qū)設(shè)計方案(單位：m)

當(dāng)箱間區(qū)鋪面和箱角基礎(chǔ)頂面取不同高差時可得出港區(qū)累計降雨厚度，即在設(shè)計重現(xiàn)期下降雨厚度與臺階高差之和，見表2。根據(jù)歷年降雨與重現(xiàn)期的擬合公式可推算出不同高差所對應(yīng)的暴雨重現(xiàn)期，見圖3。

表2 臺階高差對應(yīng)累計降雨厚度

圖3 臺階高差與暴雨重現(xiàn)期關(guān)系

考慮極端情況下箱區(qū)、道路均積水至箱角基礎(chǔ)頂面時，對應(yīng)的暴雨重現(xiàn)期為27.8 a，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的3.0 a重現(xiàn)期。因此，采用臺階式箱區(qū)的堆場高程設(shè)計方案可大幅提高堆場抗?jié)衬芰ΑＡ硗猓鋮^(qū)側(cè)邊道路寬度20.0 m，路面匯水距離由原來的25.5 m減少至10.0 m，大幅提高了道路的排水能力。

4 結(jié)語

1)由于自動化水平運(yùn)輸設(shè)備和堆存貨物的特點，自動化集裝箱碼頭對于防洪抗?jié)车囊蟾撸梢詮奶岣叽a頭高程和陸域高程、提高堆場抗?jié)衬芰Φ慕嵌葍?yōu)化高程設(shè)計。

2)碼頭和陸域高程設(shè)計可以在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高波浪重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)和防洪標(biāo)準(zhǔn)，從而提高防洪能力。

3)采用臺階式箱區(qū)的高程設(shè)計方案可以為超標(biāo)雨水提供蓄存空間，提高堆場的抗?jié)衬芰Α?/p>