復雜地質條件下船塢塢墻結構設計與應用

張淼臣，阮心

（中國電建集團山東電力建設有限公司，山東 濟南 250010）

公司承建的沙特薩拉曼國王國際港務綜合設施項目包含建設三座大型干船塢，其中兩座用于新造船只的建設，一座用于船只的檢修維護。因項目所在地所處的地質水文環境復雜，塢墻結構作為船塢正常使用以及抵抗極端事件的保障作用則更加突出。因此，塢墻結構的合理選型及設計是如何在安全可靠的前提下最大限度地提高經濟性、縮短施工周期的保證，也是塢墻結構設計需要完成的一項重要指標。

本研究從解決工程實際問題出發，通過對項目復雜地質進行分析，對塢墻結構的設計、選型研究過程及方法進行總結，尤其針對船塢塢墻結構優化過程中的計算分析過程進行說明，包括優化方向的確定、有限元分析及計算結果。

1 項目地質條件

項目所處地區原始地貌為砂質土層，其巖層埋深較深，且風化程度較高，船塢區域的地下土層依次為級配不良的粉砂、輕度至良好膠結的砂/軟弱砂巖、較軟弱的砂巖、粘土巖/泥巖/粉砂巖/粉砂屑石灰巖/石膏，偶有薄的粉砂/粘土透鏡體。地質的承載力低，天然地基往往不能滿足大型工程對土體變形和穩定的要求，因此，在工程建設前通常需要對地基進行處理、加固，增加土體的抗剪強度，提高軟基的承載力和穩定性。

表1 當地土層概覽

2 塢墻結構設計及選型

2.1 結構選型

船塢的結構形式按干船塢克服地下水揚壓力的方式可分為四大類，即重力式、錨桿式、錨樁式和排水減壓式。其中：

（1）重力適宜用于采用排水減壓式和錨拉式結構均有困難和地基較好的情況；

（2）錨桿式宜用于地基具有良好錨碇條件的情況；

（3）排水減壓式宜用于原地級或經防滲處理后地基的滲水量較小的情況。

而根據塢墻與底板的連接方式，又可以分為整體式和分離式兩大類。塢墻與底板剛性連接的稱為整體式，兩者用縫分開而相互獨立的稱為分離式。

分離式塢墻常用的結構形式有重力式（包括實體式、懸臂式和扶壁式）、樁基承臺式和板樁式，以及襯砌式和混合式。其中：

（1）重力式適用于承載力較高的地基；

（2）樁基承臺式和板樁式適用于承載力較低的地基；

（3）襯砌式和混合式適用于塢墻后全部或部分為巖體的情況。

考慮項目所處地區的復雜地質，錨碇能力有限；同時，沙特當地商混價格較高，鋼筋等建材大部分依賴進口；鑒于以上兩點，錨拉式與重力式無論是在技術層面還是經濟性上都不適合作為本工程項目的船塢選型。考慮到沙特當地豐富的油氣資源造就的低價電力，使用排水設施保證船塢穩定的排水減壓式結構相較于其它結構形式有著適應當地特色的較大優勢。

在綜合造價及技術難度等方面的考慮后，確定排水減壓式結構作為本工程項目中干船塢的結構形式。同時，考慮到船塢所在地區地基承載能力較好，地質分布較均勻，而且船塢埋深較大，墻體自重及上方覆土能夠提供足夠的穩定性。在保證安全穩定的前提下，為盡量節省成本，綜合考慮后，決定使用分離式的扶壁式塢墻作為船塢塢墻結構形式。

2.2 方案優化

項目塢墻結構原設計方案由荷蘭某公司進行設計，其塢墻主體由400mm 厚鋼筋混凝土墻面板、扶肋（3m間距）、800—2100mm 變截面墻踵及1400—2100mm 墻趾組成。

圖1 扶墻原設計方案（截面圖）

原塢墻設計方案在設計之初未完全考慮上部設備等因素施加在塢墻主體上的外荷載及底板提供的約束，設計相對保守，通過精細化設計考慮，塢墻墻趾及墻踵設計、塢墻間距存在優化的空間，具體為：

（1）通過對上部設備荷載取值及布置的精確化確定，將墻踵及墻趾最大厚度進一步優化；

（2）通過對塢墻穩定性分析，探索墻趾及墻踵長度上的優化空間；

（3）優化扶肋的間距。

在確定優化方向后，根據類似工程的設計經驗及設計參數分析，擬定了新的設計方案：考慮現場模板的尺寸，將底板劃分由原方案的25m x 25m 改為24m x 24m；底板厚度保持不變；塢墻扶肋改為4.5m 間隔，墻踵最小厚度由1400mm 優化為800mm，長度由3m 優化為2.5m；墻趾最大厚度優化為1500mm，長度不變。

2.3 整體穩定計算分析

圖2 優化后的扶墻設計方案

塢墻結構的穩定性分析主要包括四個部分：抗滑移（Sliding）、抗傾覆（Overturning）、抗浮（Uplift）以及承載力分析（Bearing Capacity）。

其中，每個部分的安全系數標準值為：

表2 穩定性分析安全系數標準值

塢墻的抗傾覆分析原理是對比塢墻的傾覆力矩與塢墻本身抗傾覆的能力，即塢墻本身抗傾覆能力需大于塢墻受到的傾覆力矩一定倍數（本工程為1 倍）；塢墻的抗浮分析原理為對比塢墻自身重力及其它使塢墻有向下移動趨勢的合力與塢墻受到的浮力，其分析結果同樣為兩者的比值。

2.3.1 塢墻計算模型

塢墻的穩定性計算使用Staad Pro 有限元結構計算軟件進行驗算分析，其電算模型如下圖所示：

圖3 塢墻電算模型及尺寸

2.3.2 計算分析結果

表3 計算分析結果

經過計算分析，新方案下的塢墻設計滿足穩定性需求。

3 結論

本項目塢墻結構設計的亮點之一，在塢墻設計過程中充分考慮了底板抗水平力的約束效應，有效減小了塢墻的設計尺寸，在保證安全穩定的同時進一步增強了結構設計的經濟性。此外，在塢墻設計過程中，在原方案的基礎上，進一步優化了結構荷載的配置，將原方案中較不明確的荷載分布進行了細致的劃分，將底板及塢墻按照其使用目的配置荷載，在簡化了結構分析的同時，使得結構布置更加趨于合理，進而實現了結構總量的優化。

總體來看，塢墻結構的設計要點著重體現在荷載配置的合理性方面。對于船塢這類使用目的明確，設備配置固定的結構，設計初期的方案選型對設計過程影響較大。因此船型配置、工藝設備、設計容量這三項必須在整體方案敲定前盡可能完善，并作為結構設計的設計目標時刻校核設計成果，才能保證最終的設計安全、經濟。