復雜水文條件下某客運碼頭結構設計

王捷

（上海市土地儲備中心，上海 200336）

近年來，我國經濟進入了高速發展的良好局面，人民生活水平得到普遍提高，海洋海島旅游產業蓬勃發展，客運碼頭成為海島對外交通的主要樞紐。隨著游客數量逐年增長，旅客出行的不均衡性，尤其是旅游旺季和春運期間表現尤為明顯，導致很多地區的客運碼頭不能滿足高峰期的出行需求。

目前，宜居島嶼建港條件較好的港址已基本被前人開發，受制于歷史條件，碼頭吞吐量已遠不能滿足現今的出行需求，而剩余可供利用的自然岸線建港條件往往較差，考慮到客運碼頭后方配套設施的特殊性，新開辟客運碼頭港址代價高昂，為充分發揮規模效益，在原成熟客運碼頭外側開闊水域新建客運碼頭也成為一種較合理的選擇，而這意味著需要面臨復雜的水文條件，如水深大、波高流急、流態復雜等。

客運碼頭對泊位掩護要求較高，因此，在復雜水文條件下，如何消浪、改善泊穩條件至關重要。本文總結分析了有擋浪設施的透空高樁碼頭不同消浪型式及其效果，并以某客運碼頭三期工程為例，采用密排樁作為擋浪設施，并以此為基礎，分析不同密排樁布置方式下碼頭水工結構方案的設計，對今后復雜水文條件下透空式防波堤兼碼頭的建設有一定借鑒意義。

1 工程案例

本文所引工程為某客運碼頭三期工程，位于一期、二期工程外側。三期工程碼頭長210m，寬20m～46.5m，兩側靠船，外檔為3000GT 客貨滾裝泊位，內檔為1000GT 客輪泊位。碼頭通過一座引橋與后方陸域連接。碼頭前沿天然泥面-20.0m。本工程設計條件如下。

1.1 風況

工程海區風向季節變化明顯，在7～10 月受波浪及大風影響，作業天數相對較少，而該段時間正好為旅游旺季，因此采用消浪措施以滿足高峰期客輪的泊穩要求十分必要。

1.2 波浪

工程海域附近以風浪為主，大風大浪相伴而生。碼頭前沿設計波浪50 年一遇H1%為5.63m，波長203.1m，波周期12.8s。

1.3 水流

碼頭前沿設計流速1m/s，漲潮流向59°～85°，落潮流248°～271°。

1.4 地質

本工程場地上部為厚軟土層，其中淤泥質土層厚度約20m，粉質黏土層厚度約35m，中間夾雜的粉細砂層厚度約10m。雜色粉質黏土層分布較穩定，工程地質性質良好，可作為擬建碼頭的樁基持力層。場地下部強風化層及中等風化層工程地質性質好，上部土層不滿足的條件下可考慮作為擬建碼頭的樁基持力層。

1.5 設計荷載

設計荷載主要包括結構自重、均布荷載、流動機械荷載、船舶荷載、波浪荷載等。根據計算結果可知，波浪荷載為結構的控制荷載，而由于客運碼頭對泊穩條件有較高要求，因此如何采取措施達到較好的消浪效果并使得結構合理可行是本工程的重點難點。

2 技術路線的確定

本工程港址水深大，天然泥面達到-20m；水域開闊，北側建有防波堤，南側及西側屬于完全開敞式水域，2 年一遇H4%達到2.49m，泊穩條件相對于客船非常差，同時50 年一遇波浪屬于長周期波，對建筑物受力極為不利；流速不大，但流態復雜，漲潮流流向夾角達到26o，落潮流流向夾角達到23o，最大橫流達到0.25m/s，對客船靠泊不利。在如此復雜的水文條件下，結合本工程地質條件，綜合考慮造價、水域資源、環保要求等各個因素，采用傳統的實體式防波堤加碼頭的建設方案顯然是不合理的，而采用兼具擋浪和碼頭使用功能的透空式結構則既能改善港區內客船的泊穩條件，又能滿足客船的靠泊要求，工程投資大幅降低，這即是本工程建設方案重點攻關方向。

2.1 一期工程和二期工程的建設情況

2.1.1 一期工程—高樁碼頭+擋浪板

已建一期碼頭采用兩側設置擋浪板的型式，擋浪板與上部結構相連并深入水中。該設施主要依據波能集中分布在水體表層的特性[1]，通過在適當的位置設置擋浪設施達到消浪的效果。

根據《防波堤與護岸設計規范》（JTS154-2018，以下簡稱“規范”）[2]6.3.3 條，擋浪板入水深度與水深之比宜取0.3～0.5。一期碼頭前沿設計泥面為-5.0m，設計高水位時擋浪板入水深度與水深之比為0.32，極端高水位時擋浪板入水深度與水深之比為0.39，根據規范式（6.3.2-1）和（6.3.2-2），設計高水位和極端高水位時透浪系數Kt（透射波高與入射波高的比值）分別為0.66和0.59。當水位位于設計低水位及以下時，擋浪板入水深度為0，透浪系數Kt 為0.95。由此可見，擋浪板在高水位時具有一定消浪效果，但隨著水位降低，消浪效果逐漸變差，在低水位情況下，尤其水位低于擋浪板底高程時，波浪透射情況明顯，船舶泊穩條件不佳。與一期碼頭的實際使用情況相符。

2.1.2 二期工程—高樁擋浪碼頭+密排樁

已建二期工程在一期碼頭的設計經驗及使用情況的基礎上進行改進，以密排樁和高樁平臺相結合的方式來擋浪，平臺設置擋浪板，兼做碼頭使用，密排樁設置于碼頭下方。

密排樁的布置分為兩種型式。一種型式為密排樁位于碼頭中部或后部，樁頂與碼頭上部結構相連（整體式），另一種型式為樁頂與碼頭上部結構脫開（分離式）。從受力角度分析可知，整體式結構的波浪力通過密排樁部分傳至碼頭結構，另一部分水平力由土體承受，因此主體結構受波浪力較大，尤其對拉樁要求較高，而分離式結構的密排樁與上部高樁結構分離，密排樁和上部結構主體分別承受波浪力，受力清晰，有效增加主體結構的安全度。

經過比選，二期碼頭采用分離式密排樁結合消浪板的結構型式。高水位時利用消浪板和密排樁聯合消浪，低水位時主要利用密排樁進行消浪。該種分離式結構會導致波浪從密排樁頂部越浪傳入港內，在一定水位和波浪條件下，消浪效果較差。由于擋浪板的設置，波浪會在擋浪板與密排樁之間形成反射且水體擴散被阻擋，從而在碼頭下方形成復雜而紊亂的波態，使得上部結構承受較大的浮托力，樁基、擋浪板受到較大的波浪水平力。

2.2 本工程技術路線

一期工程采用擋浪板結構，高水位時消浪效果明顯；低水位時，擋浪板進入水面以下高度較小，擋浪作用較小，波浪透射明顯，針對這個問題，二期工程建設時，初步采取適當降低擋浪板底高程的方案，物模試驗表明碼頭前沿擋浪板降低至泥面時波浪條件可大幅改善。

二期工程最終設計考慮到擋浪板底高程太低，碼頭結構安全和施工存在較多的問題而沒有采用，而是另辟蹊徑，在碼頭下方布置密排樁，與碼頭結構分離，高水位時，擋浪板作用明顯，可有效降低港內波高，而低水位時，密排樁和擋浪板共同發揮作用，有效降低港內波高。

本三期工程碼頭前沿天然泥面高程-20.0m，后沿天然泥面-16.50m，若采用擋浪板進行消浪，參照一期工程的建設經驗，顯然無法實現消浪目標；若采用二期工程的方案，在碼頭下方布置密排樁，則樁基泥面以上自由長度太長，在波浪力作用下，樁基直徑達到4m 以上才能滿足使用要求，該方案顯然是不合理的。

總結一期工程和二期工程建設經驗，一個明顯的特點就是，擋浪設施透空率越小，則消浪效果越好，在擋浪板結構往下延伸受限的情況下，考慮將密排樁結構和上部結構結合為整體則成為本工程技術路線的必然選擇。

3 設計方案及結構計算分析

本三期工程由于碼頭前沿水深較大，且水工結構擬采用密排樁方案，因此碼頭承受的波浪水平力和上托力均較大，導致樁身拉應力較大，在滿足碼頭使用功能和結構安全的前提下，本工程選用抗拉抗彎能力較強的鋼管樁。對于密排樁，可適當加大樁徑以提高抗彎能力。根據密排樁布置的不同，考慮兩種結構方案。

方案一密排樁位于碼頭中部。碼頭寬度25m，排架間距7.6m。自前沿向后7m寬以及后沿向前7m寬范圍內，上部結構采用現澆橫梁、疊合面板，通過現澆面層連成整體。中間11m 寬范圍內上部結構采用墩臺形式。每榀排架下共2根Φ1500mm鋼管樁（1根直樁，1根斜樁），墩臺下采用Φ1800mm 鋼管樁（斜樁，間距1900mm，密排樁），每兩榀排架中間設置4 根Φ1500mm 鋼管樁（斜樁，間距3800mm）。方案一詳見圖1。

圖1 方案一斷面圖及樁位示意圖

方案二密排樁位于碼頭前部。碼頭寬度25m，排架間距7.6m。自前沿向后14m 寬范圍內上部結構采用墩臺形式，自后沿向前8m 范圍內上部結構采用現澆橫梁、疊合面板，通過現澆面層連成整體，上部墩臺和排架間采用簡支板連接。每榀排架下共2 根Φ1200mm 鋼管樁（斜樁），墩臺下采用Φ1800mm 鋼管樁（斜樁，間距1900mm，密排樁）、Φ1800mm 鋼管樁（斜樁，間距3800mm）和Φ1200 鋼管樁（斜樁，間距5700mm）。方案二詳見圖2。

圖2 方案二斷面圖及樁位示意圖

本工程計算中將結構簡化為平面剛架，采用桿系有限單元法進行求解，樁頂與橫梁形心采用剛性連接。主要構件內力計算成果見表1。

表1 碼頭斷面主要構件內力計算成果

根據計算可知，波浪力為主導荷載。方案一與方案二相比，迎浪面積較小，所受波浪水平力較小，但上部結構位于密排樁以外的部分受到較大的波浪浮托力，故樁基所受拉力較大且上部排架結構所受彎矩較大。方案一由于墩臺和排架結構固接，整體性較好，故碼頭的水平位移較小。

方案二由于密排樁位于碼頭前部，可較好地掩護后方樁基及上部結構，且通過簡支板將墩臺和排架結構相連，可避免排架結構與墩臺共同承受波浪力，結構受力更加合理，可有效減少樁基數量、減小上部結構的尺寸和配筋，優化結構且節省投資。

值得一提的是，若密排樁采用直樁，周期較大、波長較長的波浪作用會導致拉樁的最大拉力非常大，而采用密排斜樁可有效改善這一問題。

4 結束語

（1）針對水深較大、波浪條件較惡劣且對泊穩要求較高的碼頭，透空式防波堤兼碼頭可利用碼頭結構本身的消浪功能來改善泊位前水域的水文條件，兼有碼頭和消浪雙重功能。

（2）本文所引工程采用密排樁與上部結構相連的型式，根據密排樁位置不同分為密排樁前置和密排樁中置兩種布置方式，根據計算結果可知密排樁前置且上部結構墩臺與排架脫開的方案結構內力較小，受力更加合理，造價更低，是較優的方案。

（3）本文所述的基于密排樁與高樁碼頭相結合的透空防浪結構，較傳統的利用防波堤加碼頭的結構形式具有經濟性及節約海洋資源的顯著優點，對后續海島客運碼頭工程的選址和建設具有一定的指導意義。