寧波某內河港口作業區碼頭工程水工結構設計方案研究

陳晨 全裕龍 杭州港灣交通設計咨詢有限公司

1.工程概況

寧波某內河港口作業區碼頭工程位于余姚市姚江北岸，本工程為東港區2#作業區一期碼頭工程，新建5個500噸級泊位（水工結構按1000噸級預留)，包含3個散貨泊位和2個件雜貨泊位，泊位總長308m，碼頭可使用作業岸線308m。碼頭預測吞吐量為140萬噸/年，設計通過能力為185萬噸/年。碼頭配套建設堆場、道路及生產生活輔助建筑等設施。本文主要對該項目碼頭水工的建設自然條件、結構方案、結構方案論證和比選等方面進行介紹。

2.設計條件

2.1 設計水位、代表船型及主尺度

2.1.1 設計水位

本區域水域屬于平原內河水網，常年流速平緩。現與杭甬運河寧波段相統一，取用杭甬運河寧波段初步設計資料及《余姚市防洪排澇規劃修編報告》（2016年）相關資料，根據《河港總體設計規范》[1]4.3.1 規定并結合本工程碼頭實際情況，碼頭設計高水位按航道最高通航水位取值，設計低水位取航道設計最低通航水位。本工程設計水位如下（85國家高程系）：設計高水位（設計最高通航水位）：1.13m，設計低水位（設計最低通航水位）：0.33m，校核高水位：2.48m，常水位：0.92m。

2.1.2 設計代表船型

本碼頭泊位等級為500噸級，其中碼頭結構按停靠1000噸級船舶進行設計，設計代表船型尺度見表1。

表1 設計代表船型尺度表[2]

2.1.3 主尺度

本碼頭采用半挖入順岸式布置，綜合考慮碼頭前沿現狀，本工程碼頭沿現有防洪堤平均挖入9m，自西向東共布置5個泊位，依次為3個散貨泊位和2個件雜貨泊位，碼頭使用岸線長度為308m。碼頭前沿停泊水域布置于碼頭外側，碼頭前沿線距航道中心線最近距離約91m，滿足浙江省航道管理條例中建筑物外邊線與航道中心線最小距離應當為該航道等級標準船寬的五倍的要求[3]。碼頭前沿壓頂設計頂高程：3.50m；護輪坎頂高程：3.75m；碼頭前沿設計河底高程：-2.87m；碼頭長度：308m；銜接翼墻長度：109.8m。

2.2 設計荷載

（1）人群荷載標準值：3.5kPa。

（2）均布荷載標準值：距離碼頭前沿20m內均布20kPa；20m以外均布60kPa。

（3）起重運輸機械荷載標準值：①10t固定式起重機：傾覆力矩M=220t·m；垂直力G=100t；水平力H=10t。②45t軌道式龍門起重機：軌距40m，基距16m，起重量450kN，最大腿壓（輪壓）為1500kN（250kN），輪距750mm。

（4）船舶荷載：①船舶系纜力標準值：按水流力和9 級風風速22m/s共同影響計算，并結合《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010）相關規范計算。②船舶撞擊力標準值：船舶靠岸時有效撞擊能量為53.49kJ。

3.結構方案的設計

常見的內河碼頭結構型式主要有重力式、高樁式和板樁式結構。根據本工程區的水文、地質條件及碼頭的作用荷載，結合內河碼頭施工和使用經驗，本工程碼頭結構考慮了兩個方案：結構方案一為低樁承臺重力式結構，結構方案二為高樁梁板式結構。

3.1 碼頭結構方案一（低樁承臺重力式結構）

低樁承臺重力式結構方案：上部為衡重式C25砼墻身、C30砼壓頂，底板為700mm厚C30現澆鋼筋砼，其下為100mm厚C15素混凝土墊層和200mm厚級配碎石墊層，墻后為拋石棱體及回填宕渣[4]。考慮樁土共同承載，樁基采用φ800mm鉆孔灌注樁，樁頂與底板相連。由于工程所處位置地質條件較差，需對碼頭區域進行軟基處理，采用φ700mm雙頭水泥攪拌樁。

3.2 結構方案二（高樁梁板式結構）

碼頭主要由樁基、橫梁、縱梁和面板幾部分組成。平臺下方共設置2排φ1000mm鉆孔灌注樁，橫向樁間距為4.5m；樁頂為現澆橫梁，其前沿設置靠船構件，靠船構件之間設置水平撐連接；橫梁上方為預制縱梁，直接擱置于橫梁上方；縱梁上方為預制面板，厚約25cm，其上方設置20cm厚的現澆鋪裝層。

碼頭平臺后方接岸處設置一座3.5m高的重力式擋土墻：擋墻壓頂采用C30砼澆筑，頂部與碼頭平臺齊平；墻身采用C25砼澆筑，底板采用C30鋼筋砼結構，其下方設置100mm厚的C15素砼墊層，墻后為拋石棱體和回填宕渣。考慮樁土共同承載，樁基采用φ800mm鉆孔灌注樁，樁頂與底板相連。由于工程所處位置地質條件較差，需對碼頭區域進行軟基處理，采用φ700mm雙頭水泥攪拌樁。

4.結構方案的比選與確定

4.1 結構方案的比選

4.1.1 碼頭結構方案一（重力式結構）的優缺點

方案一的優點如下：1）結構堅固，耐久性強；2）能承受較大的地面荷載和船舶荷載，對地面超載和工藝變化適應強；3）施工比較簡單，維修費用少[5]。

方案一的缺點如下：1）砂、石料用量較多；2）對地基的承載力要求高。

4.1.2 碼頭結構方案二（高樁梁板式結構）的優缺點

方案二的優點如下：1）碼頭施工開挖土方量較少；2）疏浚對碼頭結構影響較小；3）對航道行洪影響較小。

方案二的缺點如下：1）對地面超載和裝卸工藝變化的適應性差[5]；2）耐久性不如重力式碼頭，構件易損壞且難修復；3）高樁平臺與兩側現有防洪堤結構銜接較為麻煩；4）接岸結構處理不當時易發生豎向位移、變形、開裂等現象；5）施工相對復雜，結構造價相對較高[6]。

4.1.3 方案比選結果

綜合比較，從碼頭運營效率及后期維護成本等各方面綜合考慮，決定以方案一：低樁承臺重力式結構作為確定方案。

4.2 碼頭結構方案的確定

碼頭低樁承臺重力式結構具體方案如下。

4.2.1 散貨泊位碼頭結構

散貨泊位碼頭采用低樁承臺重力式結構，碼頭墻身上部采用C30砼壓頂，寬1.2m，高1.0m；墻身采用C25砼結構，底寬3.20m，高5.37m；下部采用C30鋼筋砼底板，寬4.4m，厚0.7m；底板下部設置100mm厚C15素砼墊層和200mm厚級配碎石墊層；基礎采用φ800mm鉆孔灌注樁，樁長37m，斷面樁間距2.6m，沿碼頭長度方向上的樁間距為3.0m（部分結構段樁基縱向間距為3.1m），樁頂伸入底板100mm；墻身后方采用拋石棱體回填，拋石棱體上方設置倒濾結構，分別為300mm厚碎石層、200mm厚粗砂層及U400g無紡土工布，最后采用回填宕渣分層壓實，面層進行硬化處理[7]。

4.2.2 固定式起重機基礎結構

固定式起重機基礎采用低樁承臺重力式結構，碼頭墻身上部采用C30鋼筋砼基礎，寬5.2m，高2.5m；起重機基座高出碼頭面0.5m，起重機中心距離碼頭前沿3.0m。碼頭墻身采用C25砼結構，底寬約5.49m，高3.87m；下部采用C 30 鋼筋砼底板，寬6.7m，厚0.7m；底板下方設置100mm厚C15素砼墊層和200mm厚級配碎石墊層；基礎采用φ1000mm嵌巖灌注樁，斷面樁間距4.3m，沿碼頭長度方向上的樁間距為3.0m，樁頂伸入底板100mm，樁端進入中風化巖層不小于2倍樁徑；墻身后方采用拋石棱體回填，拋石棱體上方設置倒濾結構，分別為300mm厚碎石層、200mm厚粗砂層及U400g無紡土工布，最后采用回填宕渣分層壓實，面層進行硬化處理[8]。

本工程1#、2#泊位裝卸設備分別采用負吸機及螺旋卸船機，由于負吸機及卸船機具體型號和荷載參數暫未確定，現階段卸船機基礎考慮與固定式起重機基礎結構相同。

4.2.3 件雜貨泊位碼頭結構

件雜貨泊位碼頭采用低樁承臺重力式結構，碼頭墻身上部采用C30砼壓頂，寬1.65m，高1.0m，其后設置前沿軌道梁，寬0.7m，高lm，軌道梁中心距離碼頭前沿2m；墻身采用C25砼結構，底寬3.70m，高5.77m；下部采用C30鋼筋砼底板，寬4.9m，厚0.7m；底板下部設置100mm厚C15素砼墊層和200mm厚級配碎石墊層；基礎采用。1000mm嵌巖灌注樁，斷面樁間距3.0m,沿碼頭長度方向上的樁間距為4.5m，樁頂伸入底板100mm，樁端進入中風化巖層不小于2倍樁徑；墻身后方采用拋石棱體回填，拋石棱體上方設置倒濾結構，分別為300mm厚碎石層、200mm厚粗砂層及U400g無紡土工布，最后采用回填宕渣分層壓實，面層進行硬化處理。

4.2.4 后側軌道梁結構

后側軌道梁采用連續梁結構，軌道梁呈倒T型設置，上梁寬0.7m，高1.2m，下梁寬1.5m，高0.5m，梁下方設置100mm厚C15素砼墊層和200mm厚級配碎石墊層，基礎采用φ1000mm嵌巖灌注樁，縱向樁間距為4.5m，樁頂伸入底板100mm，樁端進入中風化巖層不小于2倍樁徑。

4.2.5 銜接翼墻結構

銜接翼墻位于碼頭兩端，用于銜接新建碼頭和兩端現有防洪堤。翼墻同樣采用低樁承臺重力式結構，其上部結構基本與散貨泊位碼頭結構保持一致，下部樁基采用φ800mm鉆孔灌注樁，樁長36m，斷面樁間距2.6m，沿碼頭長度方向上的樁間距為3.0m。翼墻段結構面層僅考慮前沿5m范圍內進行硬化處理，作為防汛搶險道路；道路后方設置斜坡自然過渡至現狀地面，斜坡段上方回填500mm厚的耕植土，表面種植綠化。

4.2.6 翼墻與現狀防洪堤銜接結構

本次新建碼頭通過兩側銜接護岸段與原有防洪堤銜接，由于現狀堤頂道路應急通車需要，考慮護岸前沿線與防洪堤堤頂線齊平處理。由于目前暫無現狀防洪堤結構斷面圖，本次設計數據均以業主提供的地形圖為準，具體情況應以施工單位實際施工時現場踏勘用量為準。銜接護岸段外立面為豎直面，防洪堤外立面為斜面，同時根據了解防洪堤為內部填土和外部漿砌塊石護面結構，因此本工程施工時先在銜接處打入拉森鋼板樁擋土，如當地土層參數較差，可在拉森鋼板樁外側加打φ600mm的鋼管樁加固，待擋土完成后再在護岸段擋墻外側拋填粘土或塊石至斜面與防洪堤結合良好，最后設置漿砌塊石護坦。

5.工程技術重點

5.1 施工工序安排

本工程施工環節較多，包括水泥攪拌樁地基處理、基坑開挖、樁基施工、圍堰施工、混凝土澆筑、疏浚工程等等，需要注意與現有防洪堤的銜接，考慮到碼頭與后方場區由不同的單位進行設計和施工，交叉內容較多，施工過程中對施工先后順序進行合理安排，否則不僅會影響工期，還會對碼頭的整體安全帶來不同程度的隱患。

根據本工程的施工工程量和工程特點，本工程主要施工工序如下：

圍堰→降低施工區域內水位→碼頭基礎開挖→樁基施工→澆注鋼筋砼底板→墻身澆筑及墻后拋石棱體逐步回填→預埋件埋設→碼頭面層結構施工→碼頭附屬設施安裝、調試→拆除圍堰放水→用水上挖泥船將碼頭前沿河道開挖到設計底標高。

5.2 碼頭基坑開挖注意事項

碼頭基坑開挖需分段進行，開挖棄土必須及時外運，部分符合回填土質量要求的土方應臨時堆放在基坑頂坡線20m以外，且堆土高度不得超過1.5m。基坑開挖時必須做好排水和支護措施。本工程基坑開挖深度超過5m，施工單位應結合施工時的實際情況制定相應的深基坑支護方案，并應進行專項審查，審查通過方可實施。

5.3 灌注樁的質量控制

灌注樁的質量控制是本工程的重點也是難點。灌注樁的施工應嚴格按照設計文件及相關規范要求執行。灌注樁采用現澆C30水下砼，澆筑時應連續灌注，為保證樁身砼澆筑質量，澆筑樁頂砼時應超澆0.8m～1.0m，每根灌注樁樁底沉渣厚度均不得超過100mm。樁基完成后依據樁基檢測規范對灌注樁進行質量評定.

5.4 水泥攪拌樁的質量控制

水泥攪拌樁的質量控制是本工程新建碼頭的一個重點，將直接影響到重力式碼頭結構的整體穩定安全。參考當地的施工水平，一般單頭水泥攪拌樁的有效處理深度約為 12m，而且深度越深，處理效果越差。考慮到工程區域淤泥質土層深度較大，為確保施工質量能夠達到設計要求，本工程考慮采用φ700mm 的雙頭水泥攪拌樁，正式施工前應按施工組織設計確定的攪拌樁施工工藝打設數根試樁，以最后確定水泥的摻合量、外加劑、水泥漿的水灰比、泵送時間、攪拌機提升速度等；必須保證樁身質量與樁的入土深度。攪拌樁施工中需進行全樁長的復攪，要防止樁體上下噴漿不勻、下部水泥劑量不足、上下部強度差異大等問題。水泥攪拌樁的質量控制應貫穿在施工的全過程，并應進行全程的施工監理。

6.總結

低樁承臺重力式結構和高樁梁板式結構是近年來碼頭工程中使用最多的兩種水工建筑物結構型式。在對碼頭水工建筑物設計時，在結構驗算滿足規范要求的前提下，應該綜合考慮施工工期要求、工程造價、使用要求等方面的要求，對結構進行比選擇，進而保障工程實施的可靠性和經濟性。