自動化集裝箱堆場結構與排水系統優化設計

元 征，賀春暉

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引言

青島港前灣港區迪拜環球碼頭工程是全國第一個建設投產的集裝箱自動化碼頭。該項目在自動化裝卸工藝、自動化控制系統、創新技術綜合運用等方面達到了全球領先水平。工程建設岸線長度1 320 m，陸域縱深784 m，設計自動化集裝箱堆場39條，堆場垂直碼頭岸線布置，跨距28.5 m，采用堆5過6模式。在堆場結構和排水設計中，設計人員根據現代化的設計理念不斷完善優化，取得了不錯的效果。

在現有港口工程集裝箱堆場排水系統設計中，影響排水系統設計主要因素有以下幾個方面：

1）集裝箱堆場的平面布置。集裝箱堆場布置分為平行碼頭岸線和垂直碼頭岸線兩種布置形式。堆場布置形式影響了排水系統設置方向。

2）集裝箱堆場的裝卸設備。目前自動化集裝箱碼頭多采用軌道式龍門起重機，軌道基礎采用鋼筋混凝土軌道梁或軌枕道砟結構。對于自動化集裝箱堆場，堆場區鋪面結構要求滿足設備精準定位、減少后期維護等新要求。

3）集裝箱堆場的鋪面。堆箱區鋪面結構形式包括：全部高強連鎖塊鋪面、箱角梁加碎石鋪面、箱角梁加連鎖塊鋪面等。

1 海綿城市設計理念

所謂“海綿城市”，在學術上定義為“低影響開發雨水系統構建”，主要指在降雨時，利用聚集、滲透、凈化的作用，最大化地降低地表給水，在旱季時節，又可通過補充水資源來調節水循環目的的一種新型城建系統。我國《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建》中，把海綿城市定義為讓城市跟海綿一樣，在降雨時節能夠通過吸水、儲水、滲水、凈水、放水的功能，從而有良好彈性來適應環境變化，應對自然災害。

在自動化集裝箱堆場設計中，我們改變了原有堆場雨水必須全部收集的觀念，借鑒了海綿城市的設計理念，在允許場區部分滲流的條件下，對集裝箱堆場排水系統進行優化設計，有效緩解排水系統壓力，減少排水系統的投入。

2 集裝箱堆場結構設計

集裝箱港區堆場設計主要考慮因素包括，集裝箱堆高、工藝設備精度、地基沉降、施工水平等。由于自動化集裝箱場區存在堆高高，設備精度高等特點，對堆場鋪面結構提出了更高的要求。

自動化集裝箱堆場水平運輸通過自動化軌道式龍門起重機完成，因此集裝箱堆場內不設置水平運輸設備，堆場面層結構設計僅考慮集裝箱箱角的集中荷載。在實際設計過程中，我們采用了連鎖塊鋪面結構和箱角梁配合級配碎石兩種設計方案，并在實踐進行了驗證比較。

2.1 連鎖塊鋪面結構

高強聯鎖塊鋪面結構在各大港口的實際應用效果，由于自動化堆場設備定位精準，落箱沖擊荷載小，聯鎖塊結構具有價格優勢。青島港前灣港區迪拜環球碼頭一期工程（5#、6#泊位）的重箱堆場結構采用了常規高強混凝土聯鎖塊結構。

集裝箱重箱堆場最大堆高5層，堆場全部采用高強混凝土聯鎖塊鋪面結構，聯鎖塊結構斷面自上而下分別為：100 mm厚C60聯鎖塊、40 mm厚中粗砂墊層、600 mm厚水泥穩定級配碎石、200 mm厚級配碎石。堆場中間設置排水溝，堆場坡度要滿足自動化集裝箱龍門起重機精度的要求，設計地面排水坡度為3 ‰。

由于3 ‰坡度太緩，實際施工難度較大，施工坡度檢驗較難達到設計要求，實際實施按照水平坡度施工。使用一段時間后，由于部分區域不均勻沉降，場區會造成局部坑洼積水以及排水不暢等情況。圖1為堆場結構斷面示意。

1.2.2 黨參總皂苷含量測定。人參皂甙Re標準品用甲醇溶解，配制1.2 mg/mL標準品母液。移取標準品母液30、60、90、120、150 μL于具塞試管中，60 ℃水浴中蒸干，經香草醛-高氯酸-冰醋酸顯色反應后，以試劑空白(隨行處理的甲醇)為參比溶液，分光光度計測定吸光度，繪制標準曲線[11]。

圖1 堆場連鎖塊結構斷面示意

2.2 箱角梁配合級配碎石鋪面結構

由于高強混凝土聯鎖塊結構受其塊體質量、施工因素影響制約較大，自動化集裝箱堆場重箱箱角區域要求較高，施工中對塊體質量及鋪砌施工難以作到精細化管理。使用中微小的平整度誤差會對自動化軌道吊作業效率產生影響，同時箱角區域若出現塊體損壞需要維修時，必須整個堆場停產維修。在二期工程（7#、8#泊位）設計時，我們總結了一期工程施工和運營的經驗，對自動化集裝箱堆場結構進行了優化設計。

二期工程堆場結構采用鋼筋混凝土條形基礎+PHC樁基礎，其力學強度高、平整度可以得到很好的保證且使用年限長，使用年限內基本無沉降，運營期間維修頻率較小，有益于提高生產作業效率。

重箱集裝箱箱角采用PHC樁支撐鋼筋混凝土條形基礎；條基空擋區采用級配碎石鋪面結構。各條堆場分置于左右兩條條基上，條基之間設置排水溝。堆場箱角梁條基之間鋪面結構斷面為：200 mm厚級配碎石，下層為壓實地基。

該設計方案利用了海綿城市設計理念，箱角梁條基空擋區域設置級配碎石，不設排水坡度，允許部分雨水滲入，多余雨水再通過排水溝排出。圖2為二期工程堆場結構斷面示意。

圖2 堆場箱角梁結構斷面示意

3 排水溝斷面結構設計

根據《海港總體設計規范》（JTS 165-2013），雨水設計流量計算公式為：

式中：

Q為雨水設計流量（L/s）；

ψ為徑流系數；

q為設計暴雨強度[L/(s·hm2)]；

F為匯水面積（hm2）。

根據規范，采用聯鎖塊鋪面，徑流系數ψ=0.60，采用級配碎石鋪面，ψ=0.40～0.50，在匯水面積和暴雨設計強度相同的條件下，采用級配碎石面層結構，相當于雨水設計流量減少17 %～33 %。在其他條件相同的情況下，過水斷面面積可減少17 %～33 %。

實際設計中，方案1排水溝設計寬度600 mm，方案2排水溝設計寬度為400 mm，排水溝過水斷面方案比較如表1。

表1 排水溝設計方案比較

方案1排水溝結構主要受力為堆場集裝箱箱角荷載傳遞產生的側壓力；方案2采用箱角梁條基后，箱角荷載沿箱角梁向下傳遞，排水溝結構主要受力為覆土的側壓力，排水溝側壁受力情況小于方案1。

根據結構計算結果，方案1排水溝設計壁厚為300 mm，方案2排水溝設計壁厚為200 mm。

方案1排水溝內壁設計寬度為600 mm，壁厚300 mm；方案2排水溝內壁設計寬度為400 mm，壁厚200 mm。

根據兩個方案繪制排水溝斷面圖，根據排水溝設計寬度和溝深的不同，比較排水溝設計斷面面積變化，計算鋼筋混凝土用量。

比較方案1與方案2排水溝斷面面積如圖3～圖5。

圖3 排水溝設計斷面示意

圖4 排水溝設計斷面比較

圖5 排水溝斷面隨溝深變化趨勢

如圖所示，隨著排水溝深增加，方案2設計斷面減少比例有所降低，但平均值達到了約44 %。從結論可知，在忽略鋼筋配筋率影響的情況下，方案2比方案1鋼筋混凝土用量減少了約44 %，排水溝結構投資減少在40 %以上。

3 結語

青島港前灣港區迪拜環球碼頭一期工程（5#、6#泊位）堆場采用聯鎖塊鋪面方案，堆場中間設置排水溝，排水溝結構需要滿足箱角集中荷載傳遞土壓力對排水溝側壁的影響。排水溝設計結構斷面較大，壁厚較大，配筋較多，排水溝投資大。二期工程（7#、8#泊位）堆場采用箱角梁配合級配碎石鋪面方案，排水溝布置在兩條箱角梁條基中間，排水溝側壁不再受箱角荷載傳遞的影響，同時條基之間設置級配碎石，允許雨水部分滲入，地表徑流量大大降低，因此結構斷面得到了優化，優化設計后，排水溝工程投資節約44 %。

通過優化設計，堆場采用箱角梁結構，不再設置排水坡度，對自動化集裝箱堆場設施定位和維護有顯著效益，避免由于地面不均勻沉降，集裝箱堆存過高頂端產生較大偏角。

借鑒海綿城市設計理念，箱角梁條基之間的堆場允許部分滲流，排水溝結構不再考慮集裝箱箱角基礎荷載，壁厚減少100 mm，鋼筋混凝土用量大大減少，整體排水溝結構斷面得到優化。

本文通過對兩種堆場結構在一個工程的設計實例，對自動化集裝箱堆場排水系統進行了比較。影響集裝箱堆場排水系統設計的因素主要是堆場的結構形式，在借鑒海綿城市的設計理念后，允許堆場雨水部分滲入，降低了堆場雨水徑流量，優化了堆場排水溝結構斷面，節約了排水溝工程投資。