重力式碼頭中沉箱和圓筒結構的優化選擇探討

呂小凡

摘 要：重力式碼頭是港航建設中經常采用的一種碼頭結構形式。為了充分發揮重力式碼頭的結構特點，需要因地制宜的開展設計，選擇適宜的實施方案。本文以某地區重力式碼頭的設計和施工為例，探討碼頭結構設計優化方案，以期工程建取得更良好的效益。

關鍵詞：重力式碼頭 沉箱結構 圓筒結構 優化

欽州市地處北部灣中段，海運樞紐區位優勢明顯，多年來欽州市基于地區發展規劃，大力開展基礎設施建設，尤其是欽州港保稅港區和相鄰作業區的港口建設，不僅有利于促進當地經貿開展，更為該地區依托北部灣經濟長遠發展奠定堅實基礎。近年來，欽州港不斷增強港口核心競爭力，營建碼頭，完善西南出海通道。欽州港區的功能定位和地質條件為發展重力式碼頭提供了較好的環境，本次研究主要選擇欽州港內港口建設項目為例。

重力式碼頭主要分方塊、扶壁、沉箱、圓筒、現澆混凝土、漿砌等結構形式，其造價適中，承載力強，耐久性好，使用壽命較長，在國內港口建設中得到了廣泛使用。近年來隨著社會經濟飛速發展，碼頭逐漸向大型化、深水化發展，重力式碼頭中的沉箱和圓筒結構碼頭由于其結構、施工和使用中的綜合優點成為一種合適條件下較普遍采用和較好發展的結構形式，欽州港地區重力式碼頭建設的此種發展趨勢其代表性較顯著。本文旨在在當地自然條件、材料來源、碼頭使用要求、施工條件基本一致情況下，結合重力式碼頭建設過程中沉箱和圓筒兩種結構設計方案的優勢及其不足，以及碼頭施工建設中的成本造價，通過技術經濟比較，有針對性的對重力式碼頭結構優化和選擇進行探討。

1.重力式碼頭結構方案

1.1碼頭水工結構

所舉案例中碼頭所在地的地基條件較好，針對當地地形、地質和環境，結合當地實際情況和使用要求設計出相應的碼頭實施方案，并從中選出兩個進行比較，其中方案一為鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案，方案二為鋼筋混凝土沉箱方案。

1.1.1方案一（鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案）

在對港口碼頭選址的施工環境、地形、地質條件進行全面考察的基礎上，結合當地具體的裝卸工藝總平面布置情況，在實施碼頭建設時決定選擇坐床式鋼筋砼薄壁大圓筒結構。為了確保大圓筒達到使用標準和工藝要求，將圓筒外徑控制在18m，圓筒壁厚度則控制在35cm。圓筒基礎采用拋石基床，基槽底質為風化巖石，結合基床頂應力和地基應力計算，拋石基床厚度應該不低于1米，確保拋石基床的強度和承載力能達到相應要求。根據水文環境設計圓筒底高程，5萬噸級的多用途泊位圓筒底高程取-13.6m，7萬噸級的汽車滾裝泊位圓筒底高程取-12.6m。兩種碼頭的圓筒頂高程均取3m。圓筒回填采用級配較好的砂石、卵石等材料，填充密實均需要達到相應標準。工程共需要建設圓筒54個。

1.1.2方案二（鋼筋混凝土有底沉箱方案）

5萬噸級多用途泊位沉箱底高程為-13.6m，為了確保其達到相應使用標準和要求，將沉箱外型尺寸控制為15.95m×18.15m×16.6m。具體來講，在實際建設施工過程中。拋石基床下風化巖石的厚度需要滿足其受力要求，其中強風化巖石的拋石基床厚度不能低于2米，中風化巖石的拋石基床厚度不能低于1米。針對沉箱內部進行回填，一般選擇砂和塊石。

2.結構方案對比及優化分析

2.1 結構方案優化分析

2.1.1 方案一（鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案）

大圓筒結構具有較好水平抗滑能力，但是其抗傾穩定性則比較差，對其受力結構進行分析，發現大圓筒結構前趾的壓應力較大。基于此，在具體實施中，針對重力式碼頭建設中需要使用的埋入式大圓筒結構，為了進一步加強其整體穩定性，可以根據需要在大圓筒結構后部加設一個抗傾加強結構；一般情況下，抗傾加強結構需要安裝在大圓筒內側或者外側，部分情況下為了達到最佳效果需要在內外側同時布置抗傾加強結構；為了將這一結構的作用發揮到最大，一般將內側和外側的抗傾加強結構的高度進行科學設計，在具體建設過程中，盡量將其往下設置，這種施工方法能有效加強其抗傾效果。抗傾加強結構下方的填料要求達到一定密實度，因此可以采用高壓射水等方式對其進行強化。

相比自重較大的沉箱結構，圓筒結構為達到與沉箱結構相近的抗滑能力可以將以下措施相組合：保留臨時底板為固定底板，加強圓筒上部結構自重。

在惡劣環境下，加強抗滑的圓筒在整體性和穩定性上較沉箱碼頭仍有欠缺。

2.1.2 方案二（鋼筋混凝土有底沉箱方案）

為了提升碼頭裝卸效率，需要將門機后軌道設置安裝在沉箱后部，在設計上增加沉箱寬度，此時可采用后傾的碼頭結構方案。一般來講，實現沉箱后傾的方式主要有以下三種。一是將采用底面傾斜的沉箱安裝在水平基床上，這樣就可以形成沉箱向后傾斜；二是使用普通沉箱，但是安裝在后傾的基床上，這種情況下也可以形成沉箱向后傾斜；三是使用底面存在傾斜的沉箱，將其安裝在后傾的基床上，這種情況下能實現更大的后傾角度。

實施后傾的沉箱碼頭結構能取得諸多優點，同時也存在一定不足，具體來講，后傾沉箱碼頭能夠有效減少土壓力；后傾沉箱碼頭能夠有效提高碼頭抵抗波浪吸力，提高其整體安全性和使用穩定性。傾斜沉箱的預制、運輸、安裝等各個環節需要增加施工難度，此外傾斜基床的拋填、密實施工要求更高，從整體上提高了碼頭成本。

2.2 方案比選及推薦方案

圓筒結構與沉箱結構相比，其抗風浪效果更好。兩種設計方案在施工工藝均較成熟，施工方法也比較接近，圓筒結構方案在施工中產生的施工總量更少，同時所需要的構件也更少，當采用滑模施工時，效率高，施工起來更加簡便。兩種施工方案的工程造價差別較明顯，相比較碼頭每延米造價，大圓筒結構方案更加經濟。綜合對比兩種設計方案的技術和經濟特點，在碼頭使用要求、施工條件基本一致、自然條件適宜的情況下，大圓筒結構方案能在發揮結構優勢、優化施工的同時，取得更好的經濟效益，有利于節約投資，是一種較理想的構型。但在施工自然環境惡劣的情況下，大尺寸的沉箱碼頭在適用性上則更具有優勢。兩種結構應結合工程實際情況，具體分析后加以選用或組合。結合港口規劃的碼頭功能定位和規模，欽州港風浪影響較小的作業區碼頭，近年多采用滑模施工的圓筒結構。

3.結語

重力式碼頭在實際施工建設中得到廣泛應用，在具體施工建設過程中重力式碼頭主要分方塊、扶壁、沉箱、圓筒、現澆混凝土、漿砌等結構形式，其造價適中，承載力強，耐久性好，使用壽命較長，在國內港口建設中得到了廣泛使用。近年來隨著社會經濟飛速發展，碼頭逐漸向大型化、深水化發展，重力式碼頭中的沉箱和圓筒結構碼頭由于其結構、施工和使用中的綜合優點成為一種合適條件下較普遍采用和較好發展的結構形式。

重力式碼頭的設計條件和使用要求有其特殊性，結構設計方案需要因地制宜的進行設計優化。在自然條件適宜情況下，采用圓筒結構能在保持結構設計安全的前提下，產生較顯著的經濟效益，開展圓筒結構碼頭優化和推廣的也不失為節省建設投資一種較良好方法。

參考文獻：

[1]尹水良，祝小靚.礫石混凝土倒Y型水工結構的力學性能有限元研究[J].中國水能及電氣化，2019（03）：20-28+4.

[2]王宇春.港口碼頭工程結構設計要點[J].水運管理，2019，41（01）：32-34.

[3]顧寬海，陳浩群，張逸帆，葉上揚.裝配式低樁承臺護岸結構設計[J].水運工程，2018（12）： 186-192.

[4]劉學花，王鵬開.沉箱碼頭與方塊碼頭的經濟比較及結構優化建議[J].工程建設，2018，50（10）：68-73.

[5]張濤，胡欣.Midas在坐床式圓筒碼頭墊板內力分析中的應用[J].珠江水運，2014 .

[6]陳鈞頤，趙春潮，孫彬等.超大型碼頭重力式沉箱結構施工技術[J].建筑技術，2011.

[7]嚴惠蘭，王懷.某港重力式碼頭結構型式比選與造價分析[J].港工技術，2011.