湄洲灣港涵江作業區某泊位水工建筑物結構方案探討

■鄒曉川

（福建省羅嶼港口開發有限公司，莆田 351100）

湄洲灣港涵江作業區某泊位水工建筑物為建設1 號、2 號泊位兩個3 萬噸級通用泊位（碼頭水工結構按5 萬噸級散貨船設計預留）和3 號泊位1 個7 萬噸級散貨泊位及相應的配套設施， 同時1～3 號泊位兼顧1 艘5 萬噸級和1 艘7 萬噸級散貨船靠泊要求。 水工建筑物安全等級均為二級，結構重要性系數γ0取1.0，碼頭設計使用年限為50 年。 水工建筑物采用重力式沉箱結構，本研究詳細介紹設計需要考慮的要素、方案比選及設計過程。

1 工程概況

1～3 號泊位兼顧1 艘5 萬噸級和7 萬噸級散貨船同時靠泊，設計年通過能力694 萬t，年設計吞吐量為545 萬t，主要承擔涵江區鋼材、建材、啤酒、豆粕、集裝箱、大麥等貨物運輸。

2 設計條件

2.1 設計荷載

（1）恒載：建筑物自重。（2）均布荷載：30 kN/m2。（3）軌道荷載：40 t 門機為軌距16.0 m，基距12 m，總輪數32 個，每支腿8 個輪，輪距0.85 m，海側軌中心線距碼頭前沿3.5 m， 兩機之間的最小輪距為1.5 m。自重700 t。工作狀態（雙機緊鄰作業）：海側兩個支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿， 陸側兩個支腿輪壓分別為1 000 kN/腿；工作狀態（單機作業）：海側兩個支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陸側兩個支腿輪壓分別為3 500 kN/腿和1000 kN/腿；非工作狀態海側兩個支腿輪壓分別為：3 500 kN/腿和1 000 kN/腿，陸側兩個支腿輪壓分別為3 500 kN/腿和1 000 kN/腿。（4）運輸車輛：20 t 自卸汽車、40 t/20 t平板車、40 英尺集裝箱拖掛車。 （5）船舶荷載：2 萬噸級集裝箱船、3 萬噸級雜貨船、7 萬噸級散貨船舶，根據《港口工程荷載規范》進行計算。 （6）水流、波浪力：根據《港口工程荷載規范》、《海港水文規范》進行計算。

2.2 工程地質

2.2.1 工程地質條件

從勘察、踏勘分析及區域資料可知，場地下無活動性斷裂通過，不存在滑坡、泥石流等地質災害，不存在暗埋的地下管道、暗塘、墓穴等對工程不利的地質現象，但場地存在較厚的軟土淤泥。 地面標高自北往南平緩降低，層頂高程：2.64～-0.8 m。軟土淤泥厚度9.30～12.00 m。 淤泥下地層結構自上而下依次為：粉質粘土、中砂、卵石、全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎屑狀強風化花崗巖及中風化花崗巖。

2.2.2 水工建筑物基礎持力層

本工程碼頭為重力式沉箱結構，基床地基持力層擬采用強風化花崗巖作為持力層。

3 結構方案

3.1 結構選型原則

（1）充分考慮工程區域及周邊地區的建設條件及自然條件，結構設計滿足碼頭的使用功能和建設工期要求，并盡可能減少對環境的不利影響。

（2）結合類似碼頭設計的成功經驗，針對本工程水工建筑物的技術特點和難點，通過方案比選并采取相應的技術措施，推薦技術先進、經濟合理、使用方便和耐久性高的結構方案。

（3）分析重力式碼頭結構設計的關鍵技術，如回填材料、倒濾措施、沉降控制、挖泥、后軌基礎等，提出經濟可靠的解決方案。

（4）分析各種設計條件，選擇合理的設計參數，通過計算和經濟性比較，確定各構件的型式、尺寸。

3.2 結構選型

根據現有的鉆孔資料顯示，擬建工程處的覆蓋土層主要以淤泥和卵石為主，前沿線位置淤泥厚度約10 m，其下主要為卵石層和風化巖層，風化巖層埋深相對較深。 由于本工程1 號、2 號碼頭為2 個3萬噸級（結構按5 萬噸級設計）和3 號碼頭為7 萬噸級泊位，碼頭前沿設計底高程正好處于卵石層或風化巖層位置，通過開挖覆蓋層可達到作為重力式碼頭基礎的持力層， 是理想的重力式碼頭建設條件。 因此水工建筑物采用重力式碼頭結構是合適的，而且本工程碼頭位置的挖泥等疏浚量可用于后方臨港產業園陸域形成回填工程。

另一種常見的碼頭結構型式——高樁梁板式結構在本工程中應用有明顯的劣勢，通過開挖停泊水域后，碼頭前沿線位置巖層覆蓋層較薄，需大量采用嵌巖樁技術，施工難度大、費用高、結構耐久性差、碼頭接岸結構代價大；因此，本工程擬不采用高樁結構。

目前國內常見的重力式碼頭結構型式有沉箱、方塊及扶壁結構。 方塊碼頭從技術上而言，可以成立，但由于預制件數量較大，不能滿足快速形成碼頭岸壁的需要。 扶壁結構需要解決施工階段穩定問題，受風浪條件、起重能力制約明顯，不適合在本工程采用。 沉箱結構能避免上述問題，不僅施工的穩定性及速度有保證，而且鄰近地區預制廠的出運條件及生產能力對工期均有保證。類似工程和鄰近工程多采用沉箱結構也充分說明這一點。

因此， 本工程碼頭結構選用重力式沉箱結構，并根據墻后填料的不同，進行回填海砂和拋石棱體的重力式沉箱方案的比選。

3.3 碼頭水工結構方案

碼頭平臺采用不帶卸荷板的大型沉箱結構，根據墻后填料的不同，設計兩個方案[1]。3.3.1 碼頭結構方案一（對應總平面布置方案一）

本方案碼頭平臺采用墻后填砂的重力式沉箱方案，1 號、2 號泊位碼頭結構斷面見圖1，3 號泊位碼頭結構斷面見圖2。

圖1 1 號、2 號泊位碼頭結構斷面圖（方案一）

圖2 3 號泊位碼頭結構斷面圖（方案一）

碼頭為連片式布置，1～3 號泊位總長690 m，1 號泊位端部預留延伸段長52.89 m，3 號泊位端部預留延伸段長50.38 m； 碼頭頂面設計標高為+10.0 m，1 ～3 號泊位碼頭前沿設計底高程為-15.61 m，而1 號和2 號泊位碼頭前沿停泊水域設計底高程為-14.21 m，3 號泊位碼頭前沿停泊水域設計底高程為-15.61 m。 根據巖層標高分布情況，選用強風化作為碼頭的持力層。 沉箱安放在拋石基床上，拋石基床塊石重量10～100 kg，厚度大部分為3～5 m，局部達到10.8 m。

沉箱尺寸為長17.55 m、 底寬21.0 m、高18.61 m，單個沉箱重約3 022 t，供布置沉箱45 個。沉箱頂標高均為3.0 m，頂面以上為現澆砼胸墻，胸墻高7 m。 沉箱前倉格-2.0 m 以上采用回填10～50 kg 塊石，其余倉格均回填中粗砂。 沉箱后側拋石基床頂面鋪設混合倒濾層和土工布，其上回填中粗砂（內摩擦角≥28°）。 沉箱采用對接方式，在箱間設置倒濾井，倒濾井采用砼插板和二片石、混合倒濾碎石的結構型式。 碼頭前沿兩軌道之間13.65 m 范圍內面層為現澆砼面層，面層厚度250 mm，其下鋪設5%水泥碎石穩定層300 mm、 級配碎石墊層250 mm；后軌后側10.5 m 范圍面層為50 MPa 高強聯鎖塊， 面層厚度100 mm， 其下鋪設砂墊層50 mm、5%水泥碎石穩定層300 mm 及級配碎石墊層250 mm。

門機前軌座落在砼胸墻上；門機后軌采用軌枕道渣結構。

3.3.2 方案二（對應總平面布置方案二）

本方案碼頭平臺采用墻后拋石棱體的重力式沉箱方案，1 號、2 號泊位碼頭結構斷面見圖3，3 號泊位碼頭結構斷面見圖4。

圖3 1 號、2 號泊位碼頭結構斷面圖（方案二）

圖4 3 號泊位碼頭結構斷面圖（方案二）

方案二同方案一的主要區別在于： 方案二沉箱后側為回填10～100 kg 拋石減壓棱體， 減壓棱體分為兩級，上級減壓棱體底高程為+3.0 m。 減壓棱體坡面表層拋設0.5 m 厚的二片石墊層， 其上再設置5～100 mm 混合倒濾層，倒濾層表層鋪設一層400 g/m2土工布，最后為回填海砂。 沉箱尺寸為長13.9 m、底寬17.65 m、高18.61 m，單個沉箱重約2 026 t。 方案二供布置沉箱55 個，沉箱之間采用平接型式。

4 方案比選

4.1 結構計算

計算內容包括： 對沉箱底面前趾的抗傾穩定性、 沿沉箱底面和拋石基床底面的抗滑穩定性、基床頂面及基底應力，詳細計算結果見表1～2，碼頭整體穩定計算詳見表3。

表1 碼頭結構計算成果（方案一，持久組合）

表2 碼頭結構計算成果（方案二，持久組合）

表3 碼頭整體穩定性計算結果

4.2 比選結果

兩個結構方案均可行，但在技術、經濟、施工等方面存在差異，兩個方案的主要優缺點比較見表4。

表4 水工結構方案比選

為了盡可能縮短工期，實現快速施工，又要盡量避免施工階段可能遇到的施工風險，方案一滿足了方案技術可靠、施工工藝成熟、施工速度快及施工階段穩定性高的要求。 故推薦水工結構方案一。

5 結語

泊位水工建筑物結構選型是水運碼頭工程設計研究的重點內容，需要考慮工程區域及周邊地區的建設條件和自然條件，綜合考慮經濟性、安全可靠性，通過計算和經濟技術比較，確定各構件的型式、尺寸。 本文通過對碼頭水工建筑物結構選型的研究，希望可以給類似工程提供參考。