某海工基地碼頭水工結構設計及方案比選

許欣欣

摘要 高樁碼頭是應用相對廣泛且工藝成熟的碼頭結構形式，需綜合技術、經濟、使用和外部要求等進行方案比選。文章以某海工基地碼頭為例，由于工程地質條件復雜，水工結構設計難度大，在綜合考慮工程地質特點、碼頭功能需求等方面后，鑒于施工環保、工程工期等要求，比選出可有效縮短工期、降低對海域周邊環境影響以及節約工程造價的設計方案，以期為同類工程提供借鑒參考。

關鍵詞 水工結構；高樁碼頭；樁基；方案比選

中圖分類號 U656.113文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0026-04

0 引言

高樁碼頭是應用相對廣泛且工藝成熟的碼頭結構形式。該結構使用期沉降較小、透空性較好，對水流及原有地形的影響較小。樁基上部結構可采用預制裝配式，以加快施工進度。高樁碼頭的樁基適應不同的地質條件，常用的樁型包括高強度預應力混凝土管樁、組合管樁、鋼管樁、鉆孔灌注樁等，需綜合技術、經濟、使用和外部要求等進行選擇。

1 工程概況

某海工基地為滿足建筑材料運輸以及結構件出運需求，建設材料碼頭及引橋1座、出運碼頭及引橋1座。其中，材料碼頭設置1個2 000噸級泊位，出運碼頭設置1個2 000噸級泊位和1個工作船泊位（兼顧半潛駁）。工程所有水工建筑物安全等級均為二級，設計使用年限為50年。

2 設計條件

2.1 設計船型

該工程材料碼頭主要運輸采購的砂石料、水泥、鋼筋等原材料，停靠泊散貨船和雜貨船；出運碼頭服務于鋼筋等件雜貨的運輸，并供拖輪等工作船?？浚骖櫷笆交A結構件的出運。根據規范[1]和業主指定船型數據，工程設計船型及其主尺度如表1所示。

2.2 設計水位

（1）設計高水位：2.15 m（高潮累計頻率為10%）。

（2）設計低水位：?1.77 m（低潮累計頻率為90%）。

（3）極端高水位：3.49 m（50年一遇極值高水位）。

（4）極端低水位：?2.59 m（50年一遇極值低水位）。

（5）100年一遇高水位：3.63 m。

（6）10年一遇高水位：3.17 m。

2.3 工藝荷載

工程工藝荷載如表2所示。

2.4 工程地質

2.4.1 出運碼頭

根據地勘揭露的地層情況：

（1）灰白色花崗巖強風化層及其以上巖土層，工程地質性質普遍較差，且埋深較淺，分布不穩定，均不適宜作為擬建工程的樁基持力層。

（2）灰白色花崗巖中等風化層工程地質性質良好，是擬建區良好的基礎持力層，也是擬建碼頭區良好的樁基持力層。

2.4.2 材料碼頭

根據地勘揭露的地層情況：

（1）灰色淤泥質粉質黏土層及其以上巖土層，工程地質性質普遍較差，且埋深較淺，分布不穩定，均不適宜作為擬建工程的樁基持力層。

（2）草黃色粉質黏土、灰色含礫粉質黏土層，工程性質一般，但其埋深太淺，頂板起伏較大，厚度較薄，不宜作為擬建碼頭的樁基持力層。

（3）灰黃色中砂混黏性土、灰白色花崗巖強風化層，工程地質性質良好，但該層在擬建區域分布不均勻，僅零星發育，不宜作為擬建碼頭的樁基持力層。

（4）灰白色花崗巖中等風化層工程地質性質良好，是擬建區良好的基礎持力層，也是擬建碼頭區良好的樁基持力層。

3 設計方案

3.1 設計原則

綜合考慮工程的建設目標、水文與地質條件、使用要求及技術依托等因素，確定水工結構設計原則如下：

（1）碼頭結構應服從平面的總體布置，滿足裝卸工藝要求，便于船舶的安全系靠泊操作，滿足裝卸作業的要求。

（2）碼頭的結構型式應適應工程位置的地質、潮流、波浪的自然條件，結構經濟合理。

（3）碼頭結構方案應考慮施工方案及當地設備的能力，確保碼頭施工期安全，盡可能減少施工難度。

（4）采取的工程技術措施，應滿足水工結構50年使用年限要求。

（5）碼頭結構方案應滿足當地的岸線及規劃要求。

3.2 結構選型

根據自然條件不同，水工結構常用樁基或者重力式的結構型式。重力式結構適用于場地較弱覆蓋土層較薄、良好持力層埋深較淺的地質條件，具有結構整體性好、結構堅固耐久、維修量小、施工簡單等優點，尤其是對砂石料資源豐富的地區更為適合，可以降低工程造價[2]。樁基結構多適用于場地軟土層較厚、下臥良好持力層的地質條件，樁基結構上部結構自重較輕，利用長樁可達到較深的硬土層，使用期結構沉降較小、透空性較好、對水流及原有地形的影響較小，樁基結構型式的上部結構可采用預制裝配式，以減少現場工作量，加快施工進度。

該工程擬建區域的水流流速較大，流態較為復雜，重力式結構對流態影響大，會對船舶系靠泊產生不利影響；工程范圍基巖起伏較大，重力式結構的基床施工難度大、工程量大，且受到用海及生態岸線政策的影響，實體式重力式結構不適合該工程。經綜合研究，該工程水工結構型式擬選用樁基結構型式。

3.3 樁基選型

高強度預應力管樁的單樁承載力較高、抗彎能力有限、自身混凝土密實性較好、相對造價較低，易受樁基自重等影響，若管樁長度較大，對打樁及吊運設備的要求較高。鋼管樁相對于混凝土管樁，樁身的抗彎抗拉能力強、自重輕、耐錘擊性能好，適用于外海深水、自然條件較差的區域，受防腐措施等因素影響，鋼管樁造價相對較高。鉆孔灌柱樁的單樁承載能較高，可承受一定的水平荷載，抗彎能力可以通過調整樁徑及配筋滿足要求。對于因水深較淺，且有一定環境保護措施的情況，可在無法利用打樁船沉放預制樁的區段，使用該種樁型[3]。

根據該工程的地質情況，為滿足樁基的抗彎、抗壓、抗拔要求，樁基持力層需考慮嵌巖。根據出運碼頭鉆孔資料，樁基持力層若采用強風化巖層，入土深度短，其樁基承載力難以滿足規范要求，因此其樁基需以中風化巖層作為持力層。考慮預制樁穿過強風化巖層難度較大，綜合考慮，出運碼頭的設計樁型宜采用鉆孔灌注樁嵌巖。根據材料碼頭鉆孔資料，樁基持力層若采用中風化巖層，入土深度深，且只有較薄的強風化巖層，綜合考慮，材料碼頭的設計樁型宜采用鉆孔灌注樁嵌巖及鋼管樁嵌巖。

3.4 結構方案

按前述碼頭結構設計原則，結合總平面和裝卸工藝方案，參考國內外已建工程的成功建設經驗，考慮兩個方案進行碼頭結構的設計比較，分述如下：

3.4.1 結構方案一

（1）出運碼頭。出運碼頭水工建筑物主要由碼頭平臺、出運平臺、系纜墩、靠船墩及引橋組成。其中，碼頭平面尺度為142.5 m×20 m（其中出運平臺平面尺度為82.5 m×20 m），系纜靠船墩平面尺度為10 m×10 m，引橋平面尺度為28 m×30 m，頂高程均為+4.0 m。

碼頭平臺采用高樁梁板結構，上部結構由現澆橫梁、預制縱梁和迭合面板組成。樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為18～21 m；碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置4根直樁。

考慮出運工藝及現狀場地情況，出運平臺及引橋采用高樁墩式結構，墩臺厚度為2.5 m，樁基采用Φ1400 mm鉆孔灌注樁嵌巖，均為直樁。出運平臺下設52根Φ1400 mm鉆孔灌注樁，樁長為24～25 m；引橋下設25根Φ1400 mm鉆孔灌注樁，樁長為17～24 m。

系纜靠船墩采用高樁墩式結構，墩臺厚度為2.5 m，樁基采用Φ1400 mm鉆孔灌注樁嵌巖，均為直樁。系纜靠船墩下設5根Φ1400 mm鉆孔灌注樁，樁長為25～26 m。

（2）材料碼頭。材料碼頭水工建筑物主要由1座碼頭及1座引橋組成。其中，碼頭平面尺度為125 m×22 m，引橋平面尺度為55 m×13 m；碼頭頂高程為+5.5 m，引橋頂面高程為+5.5 m。

碼頭采用高樁梁板結構，上部結構由現澆橫梁、預制縱梁和迭合面板組成。北側結構段樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為31～50 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根直樁。南側結構段樁基采用Φ1000 mm鋼管樁，壁厚為20 mm，樁長為46～62 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根樁。

引橋采用高樁梁板結構，近碼頭側排架上部結構由現澆橫梁、預制空心板組成。樁基采用Φ1000 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為31 m，排架間距為13.2 m。近陸側排架上部結構由現澆橫梁和迭合面板組成。樁基采用Φ1000 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為22～31 m，排架間距為6.2 m。引橋每榀排架布置3根直樁。引橋與碼頭連接處的空壓站平臺采用高樁墩式結構，墩臺厚度為2.0 m，樁基采用Φ1000 mm鉆孔灌注樁嵌巖，均為直樁，樁長為47 m。

3.4.2 結構方案二

（1）出運碼頭。同3.4.1結構方案一的出運碼頭。

（2）材料碼頭。碼頭平面布置型式及尺度同方案一。南側碼頭采用高樁梁板結構，上部結構由現澆橫梁、預制縱梁和迭合面板組成。樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為49～64 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根直樁。

4 水工結構主要構件計算成果

水工結構計算方法參照《港口工程荷載規范》（JTS 144—1—2010）[4]《碼頭結構設計規范》（JTS 167—2018）[5]《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151—2011）[6]等相關規范，采用易工水運工程結構CAD集成軟件的相關模塊計算。主要構件計算結果如表3～5所示。

5 結構方案比選

該工程水工結構兩個方案主要區別在材料碼頭南側段碼頭平臺的樁基型式與布置的不同。

結構方案一：樁基采用Φ1 000 mm鋼管樁，壁厚為20 mm，樁長為46～62 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根樁。

結構方案二：樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為49～64 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根直樁。

水工結構方案比較詳見表6所示。

經上述綜合比選，結構方案在技術上均可行，都具備成熟的設計施工經驗?？紤]結構的經濟及施工便捷等因素，該次設計水工方案推薦方案一。

6 結語

由于工程地質條件復雜、水工結構設計難度大，在綜合考慮工程地質特點、碼頭功能需求等方面后，鑒于施工環保、工程工期等要求，通過方案比選，采用鋼管樁可有效縮短工期，降低對海域周邊環境的影響，節約工程造價。該工程的水工結構設計思路可為后續相關工程設計提供參考。

參考文獻

[1]海港總體設計規范： JTS 165—2013[S]. 北京：人民交通出版社， 2014.

[2]楊文. 重力式碼頭結構設計比選分析[J]. 珠江水運， 2013（13）： 28-30.

[3]羅年生. 高樁碼頭樁基設計關鍵技術環節[J]. 水運工程， 2018（8）： 76-79+91.

[4]港口工程荷載規范： JTS 144-1—2010[S]. 北京：人民交通出版社， 2010.

[5]碼頭結構設計規范： JTS 167—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[6]水運工程混凝土結構設計規范： JTS 151—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.