沿海某大高差工作船碼頭設計優化及應用

■鄢在鋒

（福建省港航勘察設計院有限公司，福州 350002）

隨著水運事業的蓬勃發展， 水上運輸繁忙，港區內各類船舶眾多，水上安全監管工作繁重，建設工作船碼頭的需求也日益顯現。 我國東南沿海地區水位高低變化大，低水位時碼頭結構水上高度高。根據調查，部分工作船碼頭在工作船靠泊過程中，船舶隨著潮水升降，存在船舷掛靠碼頭平臺或橡膠護舷、船舶纜繩吊拉船舶的危險情況，嚴重影響碼頭的安全運營。 一個合理的碼頭設計方案，能夠提高工作船碼頭運營效率，保證碼頭運營安全。 對此，本文結合實際工程案例，總結設計方案，可供類似工作船碼頭工程參考。

1 工程概況

1.1 建設規模

本工程建設1 個60 m 級工作船泊位及其相關配套設施。

1.2 設計船型

本工程碼頭需滿足建設單位現有30 m 級工作船日常靠泊要求，同時滿足建設單位60 m 級工作船不定期靠泊要求，以及考慮后期溢油設備裝卸船的需要，選取30 m 級工作船、60 m 級工作船、500 t 級溢油回收船為設計船型。 設計船型尺度如表1 所示。

表1 設計船型尺度

由于工作船自身功能的特殊性，船體結構也較為特殊，不同于普通的客運或貨運船舶，工作船船舷四周設計有凸出的鋼制防撞設施，且與船體連成一體，容易掛靠或頂碰相鄰設施，工作船船艏結構典型斷面如圖1 所示。

圖1 工作船船艏結構典型斷面圖

1.3 裝卸工藝及荷載

1.3.1 裝卸工藝

碼頭除供工作船靠泊及船員上下外，同時考慮溢油應急設備（收油機、圍油欄、吸油氈、消油劑等）的裝卸船。 碼頭前沿裝卸采用25 t 汽車吊，水平水平運輸采用30 t 汽車。

1.3.2 工藝荷載

均布荷載：20 kPa；機械荷載：30 t 汽車、25 t 汽車吊。

1.4 水文氣象條件

1.4.1 氣象條件

根據港區一年的風速風向觀測，對觀測資料統計分析表明，夏季6—8 月主導風向為WSW 向，而9 月至翌年5 月則盛行ENE 和NE 向風，全年常風向為ENE 和NE 向，頻率分別為26.7%和24.8%，全年平均風速4.6 m/s，大風主要出現在夏季，冬季東北大風較少。 船舶靠泊設計風速取22.6 m/s。

1.4.2 潮位特征值

根據當地港區一年的潮位觀測資料統計分析表明，本地潮汐每日兩漲兩落，屬規則半日潮性質。高程基面采用當地理論最低潮面，下同。 潮位特征值具體如下：年最高潮位為7.83 m；年最低潮位為0.18 m；平均高潮位為6.54 m；平均低潮位為1.71 m；平均海平面為4.15 m；平均潮差為4.95 m；大潮平均高潮位為6.79 m；大潮平均低潮位為1.79 m。

1.4.3 設計水位

設計水位具體如下：設計高水位為7.32 m（高潮累積頻率10%）；設計低水位為0.87 m（低潮累積頻率90%）；極端高水位為8.77 m（五十年一遇高潮位）；極端低水位為－0.24 m（五十年一遇低潮位）。

1.4.4 波浪

根據本港一年實測波浪資料按《港口與航道水文規范》（JTS 145-2015）[1]方法推求設計波浪。 綜合分析，確定碼頭前沿設計波浪要素如表2 所示。

1.4.5 水流

漲潮流向為SW 向，落潮流向為NE，漲潮實測流速達1.51 m/s，流向255°，落潮實測流速達0.91 m/s，流向78°，設計流速取2.0 m/s。

1.5 工程地質條件

根據鉆孔揭露，主要巖土層為淤泥質土混砂①、粉砂①-1、淤泥質粘土②、砂土狀強風化花崗巖③、碎塊狀強風化花崗巖④、中微風化花崗巖⑤。 地基各巖土層物理力學指標如表3 所示。

表3 地基各巖土層物理力學指標

1.6 抗震設防標準

場區抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.10 g，所屬設計地震分組為第三組。

2 結構方案

2.1 結構型式選擇

碼頭結構型式的選擇應統籌考慮泊位的功能、使用要求、結構安全、與相鄰工程的關系等。 擬建工程區覆蓋層為淤泥質土混砂， 覆蓋層下為強風化巖，區域覆蓋土層厚薄不一，厚度10～20 m，泥面、巖面起伏較大，泥面高程－14～0 m，強風化花崗巖面高程－18～－24 m。本工程緊靠港區已建碼頭，已建碼頭前沿設計底高程為－14.1 m， 碼頭面頂高程為10.4 m，碼頭平臺寬30 m，碼頭為高樁梁板式結構，樁基為直徑1.2 m PHC 嵌巖樁。 根據現場實際情況，碼頭結構型式采用灌注樁基礎的高樁梁板式結構，碼頭面高程取與已建碼頭相同為10.4 m。

2.2 結構優化分析

工程區域設計高低水位差達6.45 m，水位高低變化大，低水位時碼頭結構水上高度高。 根據對周邊沿海工作船碼頭使用情況的調查，部分工作船碼頭在工作船靠泊過程中，船舶隨著潮水升降，存在船舷掛靠碼頭平臺或橡膠護舷、船舶纜繩吊拉船舶的危險情況。 為消除工作船靠泊時的危險因素，提高工作船碼頭運營效率，保證碼頭運營安全，對碼頭結構及設施進一步優化設計，提出新的針對性的解決方案。

由于工作船噸位較小，船舶干舷較低（30 m 級工作船干舷1.1 m），設計低水位工作船甲板面與碼頭面最大高差達到8.43 m。 停靠在碼頭的工作船隨著潮水降低，船舶纜繩逐漸拉緊，容易發生纜繩吊拉船舶的危險情況，系泊風險較大。 為消除纜繩吊拉船舶的風險，考慮在碼頭平臺前沿設置下沉系纜平臺，降低系纜平臺高程，同時保證系纜平臺在年最高潮位（7.83 m）時不被淹沒。 下沉系纜平臺高程綜合考慮取8.4 m（7.83 m＋波浪、增水等因素的富裕高度0.57 m），較碼頭平臺頂面下降2.0 m，縮小設計低水位時工作船甲板面與系纜平臺面高差至6.43 m，能夠有效防止纜繩吊拉船舶；下沉系纜平臺寬度考慮工作人員通行及系解纜作業方便，同時結合整體結構設計取2.4 m。

由于工作船自身功能的特殊性，船體結構也較為特殊，不同于普通的客運或貨運船舶，工作船船舷四周設計有凸出的鋼制防撞設施，且與船體連成整體。 停靠在碼頭前沿的工作船隨著潮水升降，船舷四周凸出設施易掛靠下沉系纜平臺或掛靠頂碰橡膠護舷，從而發生危險。 為消除船舶掛靠下沉系纜平臺的風險， 在下沉系纜平臺前沿增設靠船立柱，立柱頂面高程應保證極端高水位（8.77 m）時最大工作船（60 m 級工作船干舷1.9 m）不會掛靠立柱頂面，立柱頂面高程綜合考慮取10.9 m（8.77 m＋1.9 m+富裕高度0.23 m）。 為消除船舶掛靠頂碰橡膠護舷的風險，在船舷四周凸出設施隨潮水升降高度范圍內的橡膠護舷，端部采用30°的斜面設計，防止船舷四周凸出設施掛靠頂碰橡膠護舷，保證工作船系泊安全。

2.3 結構方案設計

2.3.1 結構方案

碼頭平臺采用高樁梁板式結構，碼頭面設計頂高程取與已建碼頭面高程相同為10.40 m，設計底高程－4.50 m，碼頭平臺長80.0 m、寬20.0 m，排架間距8.5 m，共10 個排架。 每個排架設置3 根直樁，間距7.5 m，樁基采用直徑1.2 m 的灌注樁，樁基持力層為中風化花崗巖，樁基進入持力層有效深度不小于3.0 m。

標準排架樁基上部設置樁帽，踏步位置處排架樁基上部設置下層橫梁及立柱，樁帽或立柱上部設置橫梁、縱梁、疊合面板、磨耗層等。 碼頭前沿下部設置靠船構件、縱撐，碼頭前沿上部設置下沉系纜平臺。碼頭前沿下沉系纜平臺高程8.4 m，寬度2.4 m。下沉系纜平臺前沿設置靠船立柱， 立柱頂面高程10.9 m。灌注樁混凝土強度等級采用C35，其余結構混凝土強度等級采用C40。

2.3.2 附屬設施

碼頭前沿設置橡膠護弦，橡膠護舷采用DAB400H 低反力型，護弦設計壓縮變形47.5%，吸能量為36 kJ，反力為236 kN，設計船型最大靠泊速度不大于0.30 m/s。 位于系纜平臺面、踏步橫梁面的橡膠護舷，端部采用30°的斜面設計，防止船舷四周凸出設施掛靠頂碰橡膠護舷，保證工作船系泊安全。 系船柱采用250 kN 系船柱，在風速大于9 級風（v＝22.6 m/s）時，船舶應離開碼頭去錨地避風。 為便于工作人員上下船舶，下沉系纜平臺內側設置寬1.0 m 的鋼制人行踏步，與碼頭面銜接，在下沉系纜平臺前沿設置寬2.4 m 的人行踏步，與工作船銜接，每級臺階高0.16 m、寬0.3 m。

碼頭結構立面如圖2 所示，碼頭結構A-A 斷面如圖3 所示，碼頭結構B-B 斷面如圖4 所示，碼頭結構C-C 斷面如圖5 所示。

圖2 碼頭結構立面圖

圖3 碼頭結構A-A 斷面圖

圖4 碼頭結構B-B 斷面圖

圖5 碼頭結構C-C 斷面圖

3 結構計算

根據 《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）[2]、《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[3]的有關內容，對優化設計后的工作船碼頭平臺橫向排架、縱梁、面板的內力進行分析計算，碼頭平臺橫向排架計算結果如表3 所示，碼頭平臺縱梁、面板計算結果如表4 所示。

表4 碼頭平臺橫向排架計算結果

根據結構計算結果及設定的構件尺寸，結合《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）[4]的有關規定，對構件的承載能力極限、正常使用極限等進行分析計算，構件正截面和斜截面等承載力滿足受力要求，橫梁、縱梁、靠船構件等最大撓度不大于l0/600，面板最大撓度不大于l0/300，大氣區、浪濺區、水位變動區、水下區構件最大裂縫寬度分別不大于0.2 mm、0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm，構件尺寸能夠滿足受力要求，碼頭結構設計合理。 本工作船碼頭已完成施工圖設計并通過審查，同時順利完成工程施工，現已投入運營，目前運營情況良好，成效明顯，達到設計效果。

4 結語

本項目根據現場地質條件、 水文氣象條件等，結合裝卸工藝、靠泊船型等，對工作船碼頭結構進行設計，碼頭結構采用灌注樁基礎的高樁梁板式結構。 同時針對現有大水位差工作船碼頭在工作船靠泊過程中，船舶隨著潮水升降，存在船舷掛靠碼頭平臺或橡膠護舷、 船舶纜繩吊拉船舶的危險情況，對碼頭結構進行優化設計，主要成果如下：（1）工作船噸位較小，船舶干舷較低，停靠在碼頭的工作船隨著潮水降低，船舶纜繩逐漸拉緊，容易發生纜繩吊拉船舶的危險情況。 為消除纜繩吊拉船舶的風險，在碼頭平臺前沿設置下沉系纜平臺，降低系纜平臺高程，縮小設計低水位時工作船甲板面與系纜平臺面高差，能夠有效防止纜繩吊拉船舶。 （2）工作船船舷四周設計有凸出的鋼制防撞設施，且與船體連成整體。 停靠在碼頭前沿的工作船隨著潮水升降，船舷四周凸出設施易掛靠下沉系纜平臺，從而發生危險。 為消除船舶掛靠下沉系纜平臺的風險，在下沉系纜平臺前沿增設靠船立柱，立柱頂面高程應高于極端高水位時最大工作船船舷頂面。 （3）為防止船舷四周凸出設施掛靠頂碰橡膠護舷，在船舷四周凸出設施隨潮水升降高度范圍內的橡膠護舷，端部采用30°的斜面設計。（4）優化的碼頭結構設計新穎、合理，建成后滿足使用要求，達到預期效果，成效顯著。 本項目碼頭結構設計方案可為類似的大高差沿海工作船碼頭的工程設計提供參考，提高工作船碼頭的運營效率，促進航運事業發展。