某港重力式碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化比選分析

吳 信，謝安豐

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

某港重力式碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化比選分析

吳 信，謝安豐

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

文章通過對某港重力式碼頭結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化比選分析，提出一種新的重力式碼頭結(jié)構(gòu)型式——扶壁衡重式結(jié)構(gòu)，表明在一定條件下，該碼頭結(jié)構(gòu)型式在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上具有明顯優(yōu)勢，為類似港口工程設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的思路。

碼頭；結(jié)構(gòu)型式；扶壁衡重式結(jié)構(gòu)；比選分析

0 引言

重力式碼頭是我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)型式[1]。其結(jié)構(gòu)耐久性好、承載力高、造價(jià)適中等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的重力式碼頭結(jié)構(gòu)型式分為大圓筒結(jié)構(gòu)、空心方塊結(jié)構(gòu)、扶壁結(jié)構(gòu)、沉箱結(jié)構(gòu)等。本文以某港碼頭工程為實(shí)例，分別采用大圓筒結(jié)構(gòu)、空心方塊結(jié)構(gòu)、扶壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，通過分析影響工程造價(jià)的主要因素發(fā)現(xiàn)，基槽開挖量是一個(gè)顯著的因素，尤其巖面較高的情況。并在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的重力式碼頭結(jié)構(gòu)型式——扶壁衡重式結(jié)構(gòu)，其有效地減少了墻后土壓力，縮短了結(jié)構(gòu)的底部尺寸，降低了工程造價(jià)，最終作為推薦方案予以實(shí)施應(yīng)用。

1 工程概況

擬建碼頭位于廣西防城港市企沙鎮(zhèn)，即在企沙半島西側(cè)，在東灣的云約江南岸靠近出口處，西側(cè)為防城港電廠碼頭。擬建設(shè)2個(gè)3 000 t級件雜貨泊位和1個(gè)2 000 t級泊位(碼頭水工按靠泊5 000噸級船舶設(shè)計(jì))，設(shè)計(jì)年吐量120萬t。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高潮位：4.64 m(潮峰累積頻率10%)；

設(shè)計(jì)低潮位：0.30 m(潮谷累積頻率90%)；

極端高水位：5.69 m(重現(xiàn)期為50年一遇)；

極端低水位：-0.73 m(重現(xiàn)期為50年一遇)。

2.2 設(shè)計(jì)波浪

根據(jù)碼頭的平面布置和波浪作用方向，其重現(xiàn)期按50年一遇：

極端高水位：NNW向：H1%=1.77m，T=3.9s，L=23.70m；

設(shè)計(jì)高水位：NNW向：H1%=1.66m，T=3.8s，L=23.70m；

設(shè)計(jì)低水位：NNW向：H1%=1.32m，T=3.5s，L=18.83m。

2.3 設(shè)計(jì)荷載

碼頭前沿10m范圍內(nèi)堆貨荷載標(biāo)準(zhǔn)值為20kN/m2，10m以后堆貨荷載標(biāo)準(zhǔn)值為40kN/m2。

2.4 高程設(shè)計(jì)

碼頭面高程：6.00m(當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面，下同)；

碼頭前沿停泊水域底高程：-8.10。

2.5 地質(zhì)條件

場地巖土層主要由第四系海陸交互相沉積層(Qmc)、第四系殘積層(Qel)、志留系基巖(S)組成，地層描述現(xiàn)自上而下分述如下：

(1)填筑土①(Qml)

雜色，稍濕，由粘性土、砂巖塊石組成。

(2)淤泥質(zhì)粉土②(Qmc)

灰黑色，飽和，流～軟塑狀，具腥臭味，含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)等，干強(qiáng)度低，韌性一般，無搖震反映。

(3)淤泥質(zhì)土混砂②1(Qmc)

灰色，深灰色等，飽和，松散狀，土質(zhì)不均勻，由淤泥質(zhì)土、礫砂及貝殼類生物碎屑組成，主要成分以礫砂為主。

(4)角礫③(Qmc)

黃白色，褐黃色，飽和，稍密～密實(shí)狀，礫石的成份主要為石英和硅質(zhì)巖，顆粒呈棱角狀，分選性差，級配較好，粒徑2～20mm約占60%，其余為中細(xì)砂、礫砂充填。

(5)粘土④(Qel)

由泥質(zhì)粉砂質(zhì)巖風(fēng)化后形成。灰黃、紅黃色，硬塑狀為主，局部可塑狀，粘性一般，韌性一般，干強(qiáng)度較高，土質(zhì)不均勻，切面粗糙，無光澤。

(6)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑤

褐黃色，泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)軟，手可掰斷，鉆進(jìn)速度較快，巖芯多呈泥團(tuán)狀、小塊狀、局部為粉砂狀，采取率低。

(7)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑥

灰、灰黃色，泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部穿插石英脈，巖體稍完整，巖質(zhì)稍軟，指甲尚可刻畫，鉆進(jìn)速度稍快，巖芯多呈小塊狀、短柱狀，采取率低。

上述各巖、土層巖土設(shè)計(jì)參數(shù)建議值見表1，碼頭區(qū)域地質(zhì)橫剖面圖見圖1。

表1 巖土設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.6 地震

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)劃分，本區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，特征周期分區(qū)為第一區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35。

圖1 碼頭區(qū)域地質(zhì)橫剖面圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)碼頭建設(shè)工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件分析，碼頭區(qū)域主要為全風(fēng)化至中等風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖，巖層厚度大、承載力較高，可作為良好的持力層。因此，碼頭平臺(tái)選擇重力式結(jié)構(gòu)較為合適。本文推出三個(gè)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選。

3.1 方案一：大圓筒結(jié)構(gòu)方案

下構(gòu)為預(yù)制鋼筋混凝土薄壁大圓筒。圓筒外徑為8.0m，壁厚0.32m，單個(gè)圓筒段寬度為8.95m，圓筒外趾懸挑80cm，底標(biāo)高為8.10m，頂標(biāo)高為1.30m，單個(gè)圓筒重306.7t。

圓筒頂上為預(yù)制鋼筋混凝土蓋板，蓋板后側(cè)懸挑2.2m。其上為現(xiàn)澆混凝土胸墻結(jié)構(gòu)。

圓筒內(nèi)回填中粗砂及級配碎石反濾料，圓筒后方回填中粗砂，中粗砂要求振沖達(dá)到中密以上，中粗砂的水上、水下內(nèi)摩擦角要求均≥32°。

整個(gè)結(jié)構(gòu)作用在拋石基床上，詳見圖2。

圖2 大圓筒結(jié)構(gòu)斷面圖

3.2 方案二：空心方塊結(jié)構(gòu)方案

下構(gòu)為預(yù)制空心方塊結(jié)構(gòu)，空心方塊垂直碼頭線長8.4m，加前趾長0.8m，總寬9.2m，平行碼頭線長6.2m，高9.4m，前壁厚0.4m，后壁厚0.3m，側(cè)壁厚0.3m，單個(gè)方塊重230t；方塊頂上為預(yù)制鋼筋混凝土蓋板，蓋板后側(cè)懸挑2.2m。其上為現(xiàn)澆混凝土胸墻結(jié)構(gòu)。

方塊內(nèi)回填中粗砂，方塊后方回填中粗砂，中粗砂要求振沖達(dá)到中密以上，中粗砂的水上、水下內(nèi)摩擦角要求均≥32°。

整個(gè)結(jié)構(gòu)作用在拋石基床上。詳見圖3。

圖3 空心方塊結(jié)構(gòu)斷面圖

3.3 方案三：扶壁結(jié)構(gòu)方案

圖4 扶壁結(jié)構(gòu)斷面圖

下構(gòu)為預(yù)制扶壁結(jié)構(gòu)，扶壁頂高程1.5m，底高程-8.1m，底寬10m，頂寬2.7m，扶壁前壁厚0.4m，肋板厚0.30m，底板厚0.40m，前趾寬0.8m，單個(gè)扶壁結(jié)構(gòu)重200t。扶壁頂上為預(yù)制鋼筋混凝土蓋板，其上為現(xiàn)澆混凝土胸墻結(jié)構(gòu)。

扶壁內(nèi)回填中粗砂，扶壁后方回填中粗砂，中粗砂要求振沖達(dá)到中密以上，中粗砂的水上、水下內(nèi)摩擦角要求均≥32°。

整個(gè)結(jié)構(gòu)作用在拋石基床上，詳見圖4。

3.4 三個(gè)方案技術(shù)優(yōu)、缺點(diǎn)比選

三個(gè)方案的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)情況見表2。

表2 三個(gè)方案技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比選表

從三個(gè)方案的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較表(見表2)中可以得出，三個(gè)方案從技術(shù)上講均是合理、可行的。

3.5 三個(gè)方案經(jīng)濟(jì)比選

從經(jīng)濟(jì)上比較，方案一碼頭水工投資4 592萬元，其中基槽開挖投資980萬元，占總投資的21.3%；方案二碼頭水工投資4 811.5萬元，其中基槽開挖投資1 072萬元，占總投資的22.3%；方案三碼頭水工總投資4 598萬元，其中基槽開挖投資1 107萬元，占總投資的24.0%。從中可以看出，基槽開挖在整個(gè)碼頭水工投資中占了很大的比重，分析基槽開挖投資高的原因，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)項(xiàng)目所在地原地面線較高，基槽開挖量大，方案一、二、三的基槽開挖量分別為：7.8萬m3，8.0萬m3，8.3萬m3。

(2)項(xiàng)目所在地巖面較高，炸礁量大，方案一、二、三的炸礁量(其中強(qiáng)風(fēng)化巖按照50%開挖，50%炸礁考慮)分別為：3.1萬m3，3.14萬m3，3.2萬m3。

(3)項(xiàng)目所在地距離拋泥區(qū)30km。

從以上分析可知，如何控制本項(xiàng)目的基槽開挖投資成了本項(xiàng)目控制的關(guān)鍵因素。

4 一種新的重力式碼頭結(jié)構(gòu)方案——扶壁衡重式方案的提出

從表2的三個(gè)技術(shù)方案比選中，可以看出，方案三較方案一、方案二混凝土用量最省，但基槽開挖量大。分析原因，主要是因?yàn)閳A筒、方塊有卸荷板，減小了土壓力，從而底寬較小。基于“方案三+卸荷板”的思路，推出水工結(jié)構(gòu)方案四，即扶壁衡重式結(jié)構(gòu)，詳見圖5。

下構(gòu)為扶壁衡重式結(jié)構(gòu)，扶壁衡重式頂高程1.3m，底高程-8.1m，底寬6.75m，頂寬2.7m，扶壁肋板上設(shè)置衡重式卸荷平臺(tái)，卸荷平臺(tái)頂高程-1.20m，寬5m。扶壁前壁厚0.4m，肋板厚0.30m，底板厚0.40m，前趾寬0.8m，高0.4m，單個(gè)扶壁結(jié)構(gòu)重275t。扶壁衡重式頂上為預(yù)制鋼筋混凝土蓋板，其上為現(xiàn)澆混凝土胸墻結(jié)構(gòu)。

扶壁衡重式內(nèi)回填中粗砂，扶壁衡重式后方回填中粗砂，中粗砂要求振沖達(dá)到中密以上，中粗砂的水上、水下內(nèi)摩擦角要求均≥32°。

整個(gè)結(jié)構(gòu)作用在拋石基床上，見圖5。

圖5 扶壁衡重式結(jié)構(gòu)斷面圖

扶壁衡重式結(jié)構(gòu)碼頭水工總投資4 274萬元，其中基槽開挖投資731萬元，占整個(gè)碼頭水工投資的17%，有效地減少了基槽開挖量，降低了工程投資。在最終的方案推選中，成為最終的實(shí)施方案，并成功地得到實(shí)施應(yīng)用。

5 扶壁衡重式結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)

扶壁衡重式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的圓筒、空心方塊、扶壁相比，可以更有效地減少土壓力(見表3)，從而減少構(gòu)件底寬，減少基槽開挖工程量。

表3 各工況下土壓力比較表

(單位：kN)

扶壁衡重式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是重心靠后、靠上，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算構(gòu)件的后傾穩(wěn)定性、抗震穩(wěn)定性。因本項(xiàng)目所在地地震基本烈度為Ⅵ度，根據(jù)規(guī)范[3]，可不進(jìn)行抗震計(jì)算。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目為該作業(yè)區(qū)最早實(shí)施的項(xiàng)目，因此，扶壁衡重式結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用，為后續(xù)項(xiàng)目的建設(shè)提供了很好的參考資料。

[1]韓理安.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]JTS167-2-2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[3]JTS146-2012，水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.廣西凌宇運(yùn)通有限責(zé)任公司碼頭工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2012.

Comparison and Selection Analysis on Gravity Wharf Structure Optimization of A Port

WU Xin，XIE An-feng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Through technical and economic optimization comparison and selection analysis on gravity wharf structure type of a port，this article proposed a new type of gravity wharf structure-buttresses weighing structure，showing that，under certain conditions，this wharf structure type has obvious advantages in technology and economy，thereby providing a new idea for engineering design of similar ports.

Dock；Structural type；Buttresses weighing type structure；Comparison and selection analysis

U656.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.028

1673-4874(2015)04-0100-04

2015-03-05

吳 信，高級工程師，主要從事港航工程設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作。