某貨運碼頭水工結構設計方案比選

孫資舜

（中交上海港灣工程設計研究院有限公司,上海 200030）

0 引言

高樁碼頭是我國目前應用相對廣泛的碼頭結構形式，其適用于沿海、河口及河流下游地區等軟土地基。該結構形式波浪反射小，泊穩條件好，砂石用量少，對挖泥超深適應性強。板樁碼頭主要依靠板樁入土段的土抗力及上端錨碇系統維持結構穩定性，具有結構簡單、材料用料少，構件可預制施工簡單等特點。

1 工程概況

工程由碼頭平臺及皮帶機引橋組成。共建設7個500（水工兼顧1 000）t級泊位貨運碼頭。方案一采用高樁框架碼頭，平臺尺寸520 m×20 m。方案二采用板樁碼頭，板樁擋墻總長586 m。水工建筑等級Ⅱ級。

2 設計條件

2.1 設計船型

考慮渦河航道等級、航道條件及水運量預測貨種，考慮船型標準化、大型化的趨勢，單船推薦500 t級貨船，水工結構兼顧1 000 t級貨船。具體設計船型[1]如表1：

表1 設計船型表

2.2 設計水位

參考附近航道整治工程相關成果，該工程水位如下：

十年一遇防洪水位：34.48 m

設計高水位： 32.4 m（平灘水位）

設計低水位： 26.28 m（保證率95%）

常水位： 28.2 m

2.3 設計荷載

（1）自然荷載。風壓力：按照基本風壓0.35 kPa計算確定。水流力：按照碼頭前沿最大垂線流速2.0 m/s計算。

（2）堆貨荷載。碼頭區域20 kPa。

（3）工藝荷載。10 t—18 m固定吊：額定起重量10 t，最大外伸距18 m。

（4）流動機械荷載。55 t汽車：前軸壓30 kN，中軸壓2×120 kN，后軸壓2×140 kN，沖擊系數1.3。10 t檢修車：前軸壓30 kN，后軸壓70 kN。

（5）其他荷載。人群荷載：按3.0 kPa考慮。

（6）船舶荷載。船舶系纜力：250 kN；船舶撞擊力：309 kN。

2.4 地質條件

根據勘察結果，勘探深度范圍內揭露的地層主要為第四系全新統人工填土（Q4ml）、第四系全新統沖積層（Q4al）和第四系上更新統沖積層（Q3al）。現自上而下分別敘述如下：

①層雜填土（Q4ml）：雜色、灰褐色，松散，稍濕，主要由碎石、生活垃圾及黏性土等回填而成。揭露厚度為0.30~5.10 m，層底標高為28.34~36.48 m。

②1層粉土（Q4ml）：灰褐色、黃褐色，稍密，濕，搖震反應迅速，夾粉砂。揭露厚度為2.30~3.10 m，層底標高為29.15~33.97 m。

②2層粉質黏土（Q4al）：軟塑，夾粉土。該層由靜探揭露，僅ZK9分布，推測由于上部填土過厚，長期積水致含水量增大，性狀變差，揭露厚度為1.60 m，層底標高為33.70 m。

③層粉質黏土（Q4al）：灰褐色、黃褐色，可塑~硬塑，含鐵錳氧化物及少量鈣質結核，夾粉土。揭露厚度為1.00~6.90 m，層底標高為26.42~31.81 m。

④層粉質黏土（Q4al）：灰褐色，可塑，局部硬塑，含鐵錳氧化物，夾粉土薄層。揭露厚度為0.90~3.50 m，層底標高為18.32~27.64 m。

⑤層粉土（Q4al）：灰褐色、褐黃色，中密，飽和，搖震反應迅速，夾粉質黏土。揭露厚度為1.30~4.20 m，層底標高為16.46~26.34 m。

⑥層粉質黏土（Q3al）：灰褐色、褐黃色，可塑，局部硬塑，含鐵錳氧化物和鈣質結核，夾粉土薄層。揭露厚度為11.20~13.90 m，層底標高為5.26~5.92 m。

⑦層粉土（Q3）：褐黃色，密實，飽和，搖震反應迅速，局部夾粉細砂薄層。揭露厚度為1.50~3.70 m，層底標高為1.95~4.37 m。

⑧層粉質黏土（Q3al）：黃褐色，可塑，局部硬塑，含鐵錳結核，局部砂姜富集。揭露厚度為1.90~3.50 m，層底標高為-1.55~1.97 m。

⑨層粉土（Q3al）：黃褐色，密實，飽和，搖震反應迅速，夾粉質黏土。揭露厚度為2.30~6.20 m，層底標高為-4.23~-2.24 m。

⑩層粉質黏土（Q3al）：黃褐色，可塑，局部硬塑，含鐵錳結核，局部砂姜富集。揭露厚度為1.50~3.40 m，層底標高為-7.63~-3.88 m。

3 結構方案

根據碼頭區地形、地質及水文等自然條件，對應總平面布置及裝卸工藝方案，碼頭水工建筑物提出兩個設計方案進行比選。

方案一：

碼頭水工建筑物由高樁框架碼頭、皮帶機引橋組成。碼頭面頂標高32.5，港池底標高23.08。前方平臺連續布置，為現澆混凝土框架結構，長520 m，寬20 m，一般排架間距8 m，固定吊處排架間距4.0 m，伸縮縫跨間距3.5 m，樁基采用φ100 cm混凝土鉆孔灌注樁。上部結構由現澆橫梁、預制縱向梁系、現澆系靠船構件和疊合面板等組成。靠船構件上布置橡膠護舷，豎向和橫向均采用SA-300H型。根據水位變化幅度，碼頭共設兩層系纜，均設250 kN系船柱。

皮帶機引橋采用預制板梁，向后延伸至倉庫，總長279.5 m。靠近碼頭平臺的5跨為斜坡段，坡度為15.6%，通過長16.25 m的硬化路面與碼頭平臺后沿相接。皮帶機引橋標準跨上部為20 m預制混凝土空心板，下部為φ800 mm PHC管樁基礎。倉庫內與皮帶機引橋相連的為布料機基礎，總長149 m，標準跨間距15 m，蓋梁及下部結構與皮帶機引橋相同。

緊鄰下游三泊位碼頭平臺后沿平行布置一條硬化道路，道路長為363 m，寬10 m，其和大堤之間通過硬化道路連接。護坡坡比均為1∶3，采用12 cm混凝土預制塊護坡。

方案二：

碼頭平臺為板樁結構，板樁長586 m，碼頭面標高為32.5 m。由胸墻、鋼板樁、鋼導梁、拉桿、錨碇墻、碼頭面層、吊機墩臺和基樁組成。胸墻間隔21 m設置2 cm伸縮縫，采用C30鋼筋混凝土結構，頂寬1.0 m，底寬0.75 m，高5.2 m，墻前設SA-300H橡膠護舷；板樁型號采用U650×280×12鋼板樁；拉桿（Q345）直徑為80 mm，間距為260 cm；錨碇墻尺寸為250 cm×100 cm×50 cm，墻前回填塊石，墻底設置10 cm C15墊層、40 cm碎石墊層。吊機墩處設置4.8 m×5.0 m墩臺，墩臺基礎采用4根φ100 cm的灌注樁，樁底標高-1.0 m。碼頭面層結構自上而下依次為26 cm C35混凝土、32 cm水泥穩定碎石、10 cm填隙碎石。

4 結構計算

碼頭平臺排架結構計算方法參照《碼頭結構設計規范》（JTS 167—2018）[2]、《港口工程荷載規范》（JTS144—1—2010）[3]、《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS151—2011）[4]等相關規范。排架和桁架計算采用《上海易工工程技術服務有限公司—港口工程設計系列軟件》進行計算。

4.1 水工建筑物計算

水工建筑物主要計算結果如表2、表3。

表2 水工結構主要計算結果表（方案一）

表3 水工結構主要計算結果表（方案二）

4.2 岸坡穩定計算結果

該次設計對岸坡穩定性進行了計算。根據工程地質勘察報告和地形測圖建立模型，利用《理正巖土工程系列軟件》進行計算，根據計算結果，岸坡整體滑動安全系數為1.83，滿足規范要求。

4.3 樁基承載力計算

經計算，碼頭平臺單樁軸向承載力設計值為4 109.60 kN，皮帶機引橋單樁軸向承載力設計值為2 720.54 kN。

4.4 碼頭整體穩定計算結果

該次設計對碼頭進行了整體穩定性計算。根據工程地質勘察報告和地形測圖建立模型，利用《理正巖土工程系列軟件》進行計算，根據計算結果，整體滑動安全系數為1.53，滿足規范要求。

5 方案比選及推薦方案

5.1 方案比選

兩種方案結構形式不同，但經結構計算方案一與方案二均滿足設計要求。下面，從結構形式特點、施工要求及結合碼頭建設的實際需求多方面進行綜合分析比較。

5.1.1 結構特點

高樁碼頭通過樁基連接上部結構與地基基礎，荷載通過樁基傳遞至地基，同時樁基也起到穩定地基的作用，減小地基沉降。同時，采用透空式結構形式，使得碼頭整體阻水面積小，波浪反射更小，結構穩定[5]。

板樁碼頭通過板樁入土部分的傾向土抗力和安設在碼頭上部的錨碇結構來維持其整體穩定。結構簡單，主要構件均可提前預制，但結構耐久性一般。

5.1.2 施工

高樁碼頭構件相對較多，大部分預制構件均可現場裝配，減少現場施工工作量，但施工順序較多，導致施工工期較長。板樁碼頭施工工序少，施工工期較短，但板樁墻后未填土前，抗浪能力差，不利于無掩護條件下施工；板樁墻在施工過程中易向前傾斜，傾斜后不易或不允許作糾正處理，抗震性能差，震壞后不易修復。

5.1.3 碼頭建設實際需求

需要在無掩護條件下進行碼頭建設，且碼頭建設期塊石大量采購相對困難。

兩種碼頭結構方案比選匯總如表4。

表4 結構方案比選表

5.2 推薦方案

根據該工程的地質條件，兩種方案在技術上均為可行，相對而言，方案二施工期在無掩護的情況下抗浪能力差，且所需的大量塊石對前期建設有采購困難。方案一結構形式與施工技術成熟，整體碼頭結構形式穩定且整體沉降較小，如圖1。

圖1 推薦方案高樁碼頭結構斷面圖

綜上所述，結合結構、施工及建設要求，該工程推薦方案為高樁碼頭結構。

6 結語

通過對碼頭結構方案的分析，比較兩種結構后可知，對于該工程采用的高樁碼頭可以有效避免建設期的各項問題。同時，隨著高樁碼頭施工工藝更加成熟且構件可大量預制并現場裝配，施工工期可以進一步縮短。該項目的水工結構設計方案比選可為類似工程提供相關思路。