某重力式煤碼頭設計方案及結構計算

鄧艷青 廣東省航運規劃設計院有限公司

1.項目概況

某工程擬建1個7萬噸級煤碼頭泊位（結構按10萬噸級散貨船設計預留），碼頭長366.2m，頂高程8.5m（以當地理論最低潮面為基準，下同），前沿底高程-15.6m。碼頭采用重力墩式方沉箱結構，水工建筑物的結構安全等級為Ⅱ級。

2.主要設計參數

本工程碼頭設計參數主要涉及自然條件、靠泊船型及工藝荷載，其中自然條件包括潮位、波浪、水流、風速、工程地質、地震等，靠泊船型包括設計代表船型、兼顧船型及結構預留船型等，具體內容如下：

（1）設計水位。

設計高水位：1.81m（高潮累計頻率10%）；

設計低水位：0.08m（低潮累計頻率90%）；

極端高水位：3.62m（50年一遇高潮位）；

極端低水位：-0.40m（50年一遇低潮位）。

（2）設計波浪要素（見表1）。

表1 碼頭前沿設計波浪要素

（3）設計流速。

水流流速按1.05m/s計算，流向與碼頭前沿線基本平行。

（4）設計風速。

按瞬時9級風設計，設計風速為22m/s，當大于9級風時船舶按要求離開碼頭至附近錨地避風。

（5）工程地質。

工程場地陸域多為低山丘陵地貌，勘察區海岸地貌為巖質海岸，未發現不良地質作用的影響。

根據鉆探揭示地層情況，擬建碼頭上覆土層為第四系全新統海相或海陸交互相形成的淤泥類土以及砂類土，下伏燕山期花崗巖的風化殘積層、全風化巖、強風化巖、中風化巖等。根據工程勘查報告提供的各巖、土層的主要涉及參數及物理力學性質指標、各土（巖）層的容許承載力建議值，確定碼頭持力層為強風化或局部全風化巖。

（6）地震條件。

工程區域抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組，設計特征周期為0.35s。

（7）設計船型（見表2）。

表2 設計代表船型及尺度表

（8）工藝荷載。

1）碼頭面均布荷載：20kPa；

2）橋式抓斗卸船機：基距16m，每腿8輪，輪距1.0m；工作狀態和非工作狀態最大輪壓分別為500kN/輪和550kN/輪，卸船機軌道采用QU120。兩臺卸船機之間最小距離為2m。

3.碼頭結構選型

碼頭結構型式一般根據當地自然條件、使用要求、投資最優、施工工藝和外部協作條件等因素綜合決定[1]。

本工程碼頭所處區域為水下淺灘，水下地形較平坦，水深條件較好。地質鉆孔揭示，上覆土層主要是第四系全新統近期海相沉積層、第四系全新統海陸相沉積層、第四系全新統早期海陸相沉積層及第四系更新統殘坡積層，以粗砂、粉細砂、淤泥、淤泥質粘土及礫質粘性土為主；下臥硬質土層是燕山期花崗巖，各鉆孔均揭露至中風化花崗巖巖面，根據全風化及強風化花崗巖巖層等高線分布圖，全風化花崗巖的巖面頂標高約為-18.5～-23.0m，強風化花崗巖的巖面頂標高約為-19.0～-24.5m，埋藏較淺。因此，本工程區域適宜建設重力式碼頭[2]。

4.碼頭結構方案

根據總平面布置方案，擬建煤碼頭采用重力墩式突堤結構[3]，并通過接岸結構與后方陸域連接，碼頭結構方案如下：

（1）煤碼頭前沿頂標高8.50m，底標高-15.6m，結構采用重力墩式方沉箱結構，方沉箱長×底寬（含前、后趾）×高=13.5m×27.76m×18.4m。沉箱內用縱橫隔墻隔成18個艙格，橫向6個艙，縱向3個艙。前、后趾長度均為1m，前壁厚0.38m，后壁厚0.38m，側壁厚0.355m，隔板厚0.20m，底板厚0.6m，內設20cm×20cm加強角。單個方沉箱的重量為2820t，共用10個沉箱。沉箱在專門的預制場預制，用氣囊出運，滾動氣囊將沉箱移至半潛駁上下水，潛水駁下沉，當沉箱浮起時，移走潛水駁。沉箱定位后用灌水壓載法將其沉放在整平好的基床上，再用級配塊石充沉箱內部。

（2）碼頭持力層為風化巖層或砂層。基槽挖至-18.0～-22.5m，基槽開挖時，全風化基巖邊坡為1:1，粗砂類為1：2.5，淤泥類土的開挖邊坡為1:4。基槽開挖后用10～100kg塊石拋填形成安放沉箱的基床。基床頂標高-16.1m，基床厚度在4.4m～6.6m，基床頂放置一列厚0.5m的柵欄板來防止基床頂部受淘刷。

（3）沉箱的上部結構為現澆C40鋼筋混凝土胸墻，每個沉箱上澆注一塊鋼筋混凝土胸墻，胸墻頂標高為8.50m、底標高為1.9m，底部嵌入沉箱0.40m。胸墻外側設置檢查孔，以方便軌道梁的檢修。胸墻內腔回填1～100kg塊石，路面結構從下往上分別為厚300mm碎石墊層，厚400mmC30鋼筋混凝土路面層。胸墻前沿設置高度0.25m的護輪坎。

（4）兩沉箱間用預應力T型梁及軌道梁連接，搭接長度為2m。預應力T型梁長22.7m，高2.5m，單件重74t，皮帶機廊道立柱支撐于T型梁上。軌道梁采用鋼箱梁結構，設計梁長22.7m，梁高3m，其中2.6m為鋼箱梁，梁頂部設置 400mm厚的C50混凝土鋪裝層，鋪裝層混凝土在箱梁固定端與墩臺上部胸墻混凝土連結成整體，另一端設置伸縮縫與墩臺上部胸墻斷開。鋼箱梁固定端與順橋向活動端分別通過固定球型支座與單向活動球型支座固定在胸墻上，鋼箱梁單件重量為72t。

（5）碼頭通過長53.4 m、寬14.3m引橋與陸域相連，引橋分為高樁墩臺、高樁梁板引橋段及簡支板跨三部分。其中高樁墩臺長×寬×高=7.5m×14.3m×4.12～4.43m，樁基采用1500mm鉆孔灌注樁，樁長約34m，入強風化巖4m，采用2個排架，排架間距4m，共5根樁。高樁梁板段長20.8m，采用3個排架，排架間距7.15m，樁基同樣采用1500mm鉆孔灌注樁，每個排架采用3根樁，樁基間距為7m、4.45m，簡支板跨為預制簡支板，長×寬=6.398m×1.72m。

（6）橡膠護舷、系船柱和門機軌道（有軌道梁）設施等附屬設施設置在胸墻上。橡膠護舷采用SC1450H兩鼓一板橡膠護舷，設置于胸墻臨水面，每個胸墻結構段安裝一組（接岸段胸墻不設橡膠護舷）和1500kN系船柱一個。

5.碼頭結構計算

5.1 外力計算

本工程碼頭外力計算主要包括船舶荷載、波浪力、土壓力、地震慣性力等，具體計算如下：

1）船舶系纜力（見表3）。

表3 船舶系覽力計算表

根據規范《港口工程荷載規范（JTS144-1-2010）》，10萬噸級船舶系纜力不小于1000kN，結合相鄰工程使用經驗，本工程煤碼頭選用1500kN系船柱。

2）船舶撞擊力。

1）船舶靠泊時的撞擊力（見表4）

表4 船舶撞擊能計算表

2）系泊船舶在波浪作用下的撞擊力（見表5）

表5 系泊船舶在橫浪作用下的撞擊能計算表

根據《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010），計算船舶靠泊時產生的有效撞擊能，并選擇合適的防沖設施。本工程煤碼頭選用SC1450H二鼓一板橡膠護舷，形變達到52.5%時的吸能量和反力分別是1192kJ、1872kN。

3）船舶擠靠力。

經計算，相對于船舶撞擊力，船舶擠靠力要小得多，可不作控制性外力考慮。

4）波浪力：設計波浪要素取50年一遇的波浪，計算水位為相應的水位，并根據《港口與航道水文規范》（JTS145-2015）相關規定計算。

5）土壓力：根據《碼頭結構設計規范》（JTS167-2018）相關規定計算。

6）地震慣性力：根據《水運工程抗震設計規范》（JTS146-2012）相關規定計算。

5.2 作用與作用效應組合

煤碼頭作用主要包括自重、船舶荷載、均布荷載、流動機械荷載、波浪力等。各作用效應按照可能在碼頭結構出現的情況進行組合，包括不同水位下相應的持久狀況、短暫狀況及地震作用。

1）持久狀況。

組合一：自重力+波浪力+（堆載）

組合二：自重力+撞擊力+（堆載）

組合三：自重力+系纜力+（堆載）

組合四：自重力+系纜力+卸船機輪壓荷載（工作狀態）+皮帶機廊道荷載

組合五：自重力+撞擊力+卸船機輪壓荷載（工作狀態）+皮帶機廊道荷載

組合六：自重力+波浪力+卸船機輪壓荷載（非工作狀態）+皮帶機廊道荷載

以上六種組合的設計水位為極端高、極端低水位和設計高、設計低水位。

2）短暫狀況。

1）有波浪作用、墻后尚未回填時，已安裝的沉箱（或圓筒）在波浪作用下的穩定性；

2）有波浪作用、胸墻后尚未回填或部分回填時，胸墻及沉箱（或圓筒）在波浪作用下的穩定性。

3）地震狀況。

組合一：自重力+卸船機輪壓+50%系纜力+（50%堆載）+地震慣性力

組合二：自重力+墻后填料地震土壓力+50%系纜力+（50%堆載）+地震慣性力+地震動土壓力

地震狀況下水位為設計高水位和設計低水位。

5.3 結構計算

碼頭結構主要計算內容：墻底面和墻身各水平縫面前趾抗傾穩定性；沿墻底面和墻身各水平縫抗滑穩定性；沿基床底面抗滑穩定性；基床和地基承載力；碼頭整體穩定性[4]。

擬建重力式煤碼頭結構計算結果詳見表6，經計算，在持久狀況及偶然狀況（地震）下，碼頭抗滑及抗傾穩定性、基床及地基承載力均滿足規范要求。

表6 碼頭結構計算結果

6.碼頭施工流程

本工程碼頭及接岸引橋為常規結構，施工技術成熟，具體施工流程如下：

（1）碼頭施工流程[5]。基槽開挖、沉箱預制、T 型梁、軌道鋼箱梁預制→基床拋石、夯實整平→沉箱出運、安裝→沉箱內回填→現澆胸墻→T 型梁、軌道鋼箱梁的安裝→碼頭面層澆注→附屬設施的安裝→裝卸設備安裝→碼頭工程完工。

（2）接岸引橋施工流程。灌注樁施工→墩臺澆注、引橋梁板澆注→T型梁安裝→面層澆注。

7.結論

根據自然條件和使用要求合理確定結構型式，并按照規范標準嚴格開展結構計算，是保證碼頭功能正常發揮的關鍵。本文所介紹的重力式煤碼頭采用重力墩式方沉箱結構，在建成之后，整體運行狀況良好，可滿足結構安全和使用要求，碼頭結構設計方案及計算方法可為類似工程實踐提供參考。