深水開敞海域掩護式大型碼頭平面設計

穆毅斌，孟祥宇

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222）

1 工程概況

中國石油天然氣股份有限公司和委內瑞拉國家石油公司共同簽訂了“石化2×107t/a 重質原油加工工程”的重要合資項目。項目基地定在東部沿海石碑山的燈塔以東的海域位置，在該地同時也建設有與煉廠配套的原油碼頭工程，通過海上大跨度鋼引橋將接卸的原油輸送至陸域的原油中轉庫，然后再經過陸上管道，最后通過煉廠對其進行接收處理【1】。

采用離岸式總平面布置的方式對該3×105t 級原油碼頭進行相關布置，碼頭的前沿位置距離海岸之間長度約有1.8km，采用長度約為2.3km、寬度約為8.5m 的折拐形鋼引橋將陸域和碼頭連接起來。鋼引橋沿線海床水深范圍為：-21.5～-10.0m（近岸第一墩水深-10.0m，原油碼頭水深-21.5m）。因海床地質結構之間均存在著差異和不相同，相應的所采用的鋼引橋沿線橋墩基礎結構也各不同，對于與陸域相連且靠近覆蓋層很薄的鋼引橋段的12個橋墩基礎，當所選的結構為新型重力墩式結構時，相應的巖石埋深較深地段應該選用常規鋼管樁結構。標準段凈跨為108m 的鋼引橋，中心距為123m 的橋墩。

2 開敞式碼頭平面布置的主要形式

2.1 常規的開敞式泊位

與常規泊位相比，當前使用的開敞式泊位主要改進是采用橡膠護舷以及用尼龍制的纜繩作為輔助，有利于更好地承受縱向力和有效地適應當地的海區及波向。對于整體的泊位來講，停靠船舶時碼頭兩側是相對經濟和性價比較高的選擇區域。

2.2 “蝶”形的開敞式泊位

在具體的結構布局中，纜繩的長度不夠使得其在抵御反向力方面比較弱。對此，開敞式泊位的形狀可以采用“蝶”形，其對于系統角度的調整可以更加有效，與此同時，對于纜繩受力的情況也能夠得到改善。通過這種布局情況，在波浪周期較長以及主波方向不明確等復雜水流條件的地方，船舶運動時能夠更加有效地提高適應能力。從結構方面來看，停靠在一側的時候，對于船舶本身更加合理。其具體的形狀結構如圖1所示。

圖1 “蝶”形的開敞式泊位

2.3 浮筒系泊的開敞式泊位

為了更好地在波浪的撞擊下對能量進行吸收或釋放，當波浪往復周期較長且相對較高時，需要將護舷和尼龍纜繩的長度延長。但在橫浪較大的情況下，這種被動的抗外力措施并不能有效地控制和抵抗系泊船舶的撞擊。因此，系泊浮筒的設置是相當重要的，其使得運動過程中的碰撞得到有效的避讓，便于形成兼有浮筒系泊的開敞式泊位。其具體的形狀結構如圖2 所示。

圖2 浮筒系泊的開敞式泊位

2.4 多方位的開敞式泊位

船舶本身就有對波浪的抵御能力，要想充分發揮這種能力，需要以季節性的波浪變化為基礎，對于停靠船舶的碼頭位置進行合理的調整，以便對碼頭的作業天數進行增加。在設計開敞式碼頭時，主要根據主波向直接作用于碼頭結構上的設計波浪要素，對其設計的高水位以上的波面高度進行必要的計算。碼頭上部結構的承載能力決定了其設計高度，一般情況下，開敞式碼頭面高程設計相對高一些，墩柱式是其主要結構。通常情況下，開敞式碼頭設計在離海岸較遠的地方，所以，針對后方的港區高程、調節和連接碼頭面高程時可以通過棧橋來實現。

3 開敞式碼頭軸線方位的選擇

3.1 開敞式碼頭軸線方位的含義

進行碼頭軸線的方位選擇時，應當充分考慮當地的風向、水流數據以及波浪方向，碼頭的軸線水流應該始終和風浪的方向保持相同。如果不相同，則應該以船舶自身的特征及系泊停靠作為參考標準，對該過程中的關鍵因素、次要因素、關鍵控制、次要控制進行判斷。

3.2 開敞式碼頭方位選擇的要素

在開敞式碼頭停靠船舶的過程中，要充分考慮到船舶停靠的作用力以及分散波浪水流等因素。在碼頭的選擇過程中，波浪水流以及當地的風向分析是非常必要的。設計布局碼頭時，順風、順流、順浪都應當滿足。需注意的是，對于這些因素的影響都要提前預想到，并做好防范工作。

對于碼頭軸線選擇，需要著重考慮碼頭的整體布局、航道以及棧橋等因素，達到效益最大化。

3.3 開敞式碼頭方位選擇中分析波浪方法的應用

具體有以下幾點內容：

1）根據深水測波，以不同的周期及方向推測碼頭建立處的大體數據，并根據所得數據繪制波玫瑰圖。

2）以波玫瑰圖為標準，精確地分類波高值以及泊穩標準。波高值的分類具體有：（1）有害波高，這個值意味著如果不采用特殊的措施，就沒有辦法保證船舶的正常運行；（2）無害波高，這種波高值指的是在船舶運轉的過程中不會受到任何影響；（3）有影響波高，這種波高值是指在船舶運轉的過程中具有控制作用的波高。

3）要想更加方便地計算和分析，就必須加強船舶受力的方向對稱性，對波高值影響的不同方向進行合并，通常可以設為8個方位，以便于分析以及統計周期。

綜上可得，水流條件是選擇碼頭方向時必須要考慮的因素。

4 引橋橋墩結構方案比選

對于波浪較大以及水深很深的工程海域，其海上條件比較惡劣，在設計過程中一定要考慮工程的可行性，必須滿足工程建設的所需條件，所需設備以及設計方案也尤為重要。當地質條件為僅有很薄的覆蓋層或裸露巖石的地區，要進行重力墩式結構設計，且炸礁和平整處理是必不可少的。依據海域周遭的環境以及其他因素，透空式高樁墩式結構更為適合。為滿足穩樁的要求，一定要考慮地基的設置。根據海域情況的整體條件來看，可以選擇的結構形式一共有4 種，具體做如下分析。

4.1 永久人造地基的高樁墩式結構方案

方案設計思路：用碎石對其進行填拋，在設置橋墩區域時建立人造地基，提供穩樁條件，保證基樁的穩定，從而可以上移基樁鑲嵌的位置，固定基樁鑲嵌的彎矩也能減少，進而能夠延長使用壽命。

人造永久地基是這個方案最大的優勢，不僅可以上移基樁嵌固點，同時降低了鋼管樁芯柱嵌巖樁的彎矩，使此方案更具合理性。需注意的是，該方案具有工作量非常大和造價較高的弊端。

4.2 臨時穩樁結構的高樁墩式結構方案

選用臨時的袋裝砂結構的穩樁結構，在首次進行成樁工作以后，對鋼管樁內進行鉆孔，同時進行海上接樁工作。隨后進行二次打樁，在巖層中植入鋼管樁，最后將混凝土建筑于鋼管樁內，同時，橋墩臺結構滿足長度的要求。按照上述步驟形成的方案就是鋼管混凝土復合樁。

該方案的突出特點為將鋼管樁植入基巖中，其結構強度得到提高，抗震適應性也得到了增強。其缺點表現為需海上接樁及二次沉樁，加之因為鋼管樁的內徑大于樁底部鉆孔的孔徑，如果植入的是微風化或新鮮的巖體時，會影響二次沉樁，其沉樁難度增大，增加了海上平臺搭卸次數，同時加大了水上工作量。

4.3 穩定塊體的導管架結構方案

本方案是將基樁結構優化設計后使其可以在預制廠整體加工的鋼管導管架結構，同時，該鋼管導管架結構強帶有穩定塊體。該方案并未采用碎石或拋填袋裝砂的穩樁結構，而是采用浮吊將其安裝在處理平整的基床上，隨后對平臺進行搭建，進而結束導管架各立柱下的嵌巖樁施工。對穩定塊體和導管架結構進行分離，最終得到帶有穩定塊體的導管架結構。

4.4 新型重力式橋墩結構方案

綜合海域情況和地質條件對其進行分析，將重力墩式結構結合高樁墩式結構，形成新型異形潛式厚底沉箱重力墩式結構。能夠充分發揮這2 種結構的優勢，是該結構最突出的優點，帶多層橫撐的立柱位于墩體結構上部，受浪面積相對較小，對波浪有較好的適應性，且具有較好的透浪性，海上安裝比較方便。此外，重力墩式也是其主要的墩體結構，異形潛式厚底沉箱位于其底部，能夠在施工過程中和后期的使用過程中為引橋橋墩提供較為穩定的性能，滿足結構本體強度等各項指標和要求。

新型帶導管架的異形潛式厚底沉箱重力墩式結構具有較大的質量，故在對其進行安裝時應考慮應用大型的船機設備。該方案海上工作量較少，施工的時長有保證，且造價最低、施工風險小。

5 結語

綜上所述，本文主要分析總結了開敞式碼頭的主要結構形式以及不同結構形式的主要特點，討論了船墩和系纜墩的布局形式和注意問題，并總結了開敞式碼頭的經濟效益所囊括的主要內容，在此基礎上，對碼頭結構的確立提出了一些建議。