衡重式碼頭在山區河流碼頭中的應用

李培良 青島市運輸事業發展中心（青島國際航運服務中心）

1.前言

衡重式擋土墻是利用自身衡重臺上部的填土重力而使墻體重心后移，以抵抗土體側壓力的擋土墻，亦是重力式擋土墻的一種。由于其上部衡重臺的存在，衡重式擋土墻重心后移，基礎底部應力改善明顯，具有開挖量小、回填量少、自身材料省、工程造價低等優點，被廣泛應用于工民建、水利、交通運輸等護岸、護坡工程（見圖1）。

圖1 衡重式擋土墻典型斷面圖衡重式碼頭典型斷面圖

衡重式碼頭利用衡重式擋土墻原理，墻身為衡重式擋土墻，在擋土墻頂部增設系船柱、外立面增設護舷等靠船設施，以方便船舶靠泊作業。衡重式碼頭在內河、山區河流碼頭中應用非常廣泛。

該內河四級航道建設工程，全長約380km，共包括11個基地（見圖2、圖3）。

圖2 1#基地斜坡道地質剖面圖

圖3 11#基地斜坡道地質剖面圖

山區內河水位變化迅猛，水位變幅大，部分基地設計高低水位差均接近于20～30m，因此均采用斜坡道碼頭；從減少土方開挖及土方回填、節省工程造價考慮，斜坡道碼頭大多根據山勢地形“依勢而建”，碼頭高程、地質持力層也因勢變化，基地碼頭主體結構高度從4～13m不等，因此碼頭主要采用衡重式結構。

2.設計水位和工程地質

2.1 設計水位

高程采用1985國家高程基準，以下同（見表1）。

表1 設計水位表

2.2 工程地質

1#基地：工程區域土層自然而下依次為①層圓礫、②層粉砂、③層含礫粉質粘土、④層卵石、⑤層漂石。④層卵石埋深5～10m，地基承載力為500kPa，可作為地基持力層。

2#基地：工程區域土層自然而下依次為①素填土、②層圓礫石、卵石、③層含礫粉質粘土、④1層強風化片巖、⑤2 層中風化片巖。④1層強風化片巖埋深1.5～6m，地基承載力為400kPa，可作為地基持力層。

4#基地：工程區域土層自然而下依次為①層粉質粘土、②層強風化泥巖、③層中風化泥巖。③層中風化泥巖，地基承載力為600kPa，可作為地基持力層。

11#基地：工程區域土層自然而下依次為①漂石層、②層殘坡積粉質粘土、③全-強風化粉砂質頁巖、④層中風化粉砂質頁巖。④層中風化粉砂質頁巖，地基承載力為800kPa，可作為地基持力層。

3.設計船型

1#基地、2#基地、4#基地、11#基地設計船型（見表2）。

表2 設計船型主尺度表

4.斜坡道主尺寸

4.1 斜坡道坡度和寬度

斜坡道坡度和寬度根據《碼頭結構設計規范》（JTS167-2018）第9.2.2條確定。本工程根據各基地現場情況，按照雙向汽車道并考慮汽車吊機的作業空間，1#基地、2#基地、11#基地斜坡道坡度取8%，4#基地斜坡道坡度取9%，斜坡道寬度取15m。

4.2 斜坡道高程

斜坡道坡頂高程、坡底高程應分別能方便設計船型在設計高水位、設計低水位時的靠泊作業。靠泊船型船舶干舷在0.5～1.7m之間，因此斜坡道坡頂高程、坡底高程分別按照設計高水位、設計低水位加上1.0m確定。考慮到各基地地形條件等各不相同，斜坡道坡頂高程根據各基地情況綜合確定。

1 # 基地：斜坡碼頭頂高程812.94m，底高程798m。

2 # 基地：斜坡碼頭頂高程815m，底高程798m。

4 # 基地：斜坡碼頭頂高程812.5m，底高程783m。

1 1#基地：斜坡碼頭頂高程511m，底高程484.7m。

5.設計荷載

斜坡道碼頭設計荷載主要如下，

（1）永久荷載：自重、土壓力等。

（2）船舶荷載：系纜力、撞擊力、擠靠力等。

（3）均布活荷載：20kPa。

（4）水流力：水流流速3.5m/s。

（5）流動機械荷載：16t汽車吊機、20t載重汽車。

（6）地震力。

6.結構方案

根據有關資料統計，當設計高低水位差在20～30m時，內河、山區河流碼頭結構型式以斜坡式碼頭為主。因此，1#基地、2#基地、4#基地、11#基地等碼頭結構型式均采用斜坡道碼頭（見圖4）。

圖4 衡重式碼頭墻身標準圖

1#基地基礎持力層為④層卵石，地基承載力為500kPa；2#基地基礎持力層為④1層強風化片巖，地基承載力為400kPa；4#基地基礎持力層為③層中風化泥巖，地基承載力為600kPa；11#基地基礎持力層為④層中風化粉砂質頁巖，地基承載力為800kPa。持力層埋深較淺，因此1#基地、2#基地、4#基地、11#基地碼頭結構型式均采用重力式結構。

斜坡道碼頭大多根據山勢地形“依勢而建”，碼頭高程、地質持力層高程也變化較快，由于碼頭主體結構高度從4～13m不等，考慮碼頭設計及施工等因素，碼頭設計為標準斷面。當墻體高度＜6m時采用梯形重力式結構，當墻體高度≥6m時采用梯形重力式結構是不經濟的，因此當墻體高度≥6m時，采用衡重式結構。

以11#基地斜坡道M1+212斷面為例（墻體高度11.44m），對衡重式結構、梯形結構的經濟性進行比較（見圖5）。

圖5 11#基地斜坡道M1+212斷面圖（衡重式結構方案）

碼頭結構斷面采用衡重式擋墻結構，基礎底寬5.023m。基礎開挖至設計標高（中風化粉砂質頁巖）后，現澆C25塊石混凝土墻體，墻體后方回填10～100kg塊石棱體，面層做法為150mm厚級配碎石、250mm厚6%水泥穩定層、250mm厚C30砼路面。墻體前方設置350kN系船柱和DA-A400×2000型橡膠護舷（豎向布置）、D300×1500型橡膠護舷（橫向布置）。擋墻上部前沿設護輪坎，間斷式布置，護輪坎高300mm，寬度400mm。擋墻以下2m開始設置φ100PVC 排水管，縱橫向間距均為2 m，坡度10%，排水管后設500×500×200mm倒濾包。前沿護腳采用現澆C20砼，護底采用鋪設400g/m2土工布一層、拋填200mm厚二片石墊層和400mm厚漿砌塊石護底，護腳和護底總寬8m。碼頭結構斷面采用梯形重力式擋墻結構。基礎底寬8.5m，其它與衡重式結構相同（見圖6）。

圖6 11#基地斜坡道M1+212斷面圖（梯形重力式結構方案）

梯形重力式結構基槽開挖、墻后塊石棱體、墻體C25塊石砼分別比衡重式結構多出30.4%、65.2%、5.7%，延米造價增加13.4%。在設計條件基本相同的條件下，衡重式結構具有開挖量小、回填量少、造價低等優點（見表3）。

表3 衡重式結構與梯形重力式結構斷面工程量對比表

7.施工

衡重式碼頭多為漿砌塊石或現澆混凝土塊石砼結構，施工方法多為搶抓枯水期干地施工或者填筑圍堰干地施工，也有采用水下立模澆筑混凝土的。

8.小結

（1）當設計高低水位差在20～30m時，內河、山區河流碼頭結構型式以斜坡式碼頭為主。

（2）由于山區河流碼頭靠泊船型基本較小，干舷高度較小，斜坡道坡頂高程、坡底高程分別按照設計高水位、設計低水位加上1.0m確定。考慮到地形條件等因素，斜坡道坡頂高程根據各基地情況綜合確定。

（3）斜坡道碼頭大多根據山勢地形“依勢而建”，碼頭高程、地質持力層高程也變化較快，由于碼頭主體結構高度從4～13m不等，考慮碼頭設計及施工等因素，碼頭設計為標準斷面。

（4）工程位于山區內河沿岸，最冷月平均溫度也在0℃以上，因此衡重式碼頭墻身混凝土結構無須抗凍。根據統計資料，該地區碼頭結構混凝土強度等級基本為C20、C25。由于體積較大，必須摻入塊石。

（5）由于內河山區河流水位變化迅猛，洪水期水位暴漲暴落，水位變幅大，因此衡重式碼頭墻后必須考慮設置排水設施，以減輕剩余水壓力的影響，降低工程造價。

（6）對于山區河流碼頭，水流流速很大，系纜力和擠靠力主要由水流力和風荷載疊加起控制作用；撞擊力主要由船舶靠岸時的撞擊力，無需考慮靠泊船舶在橫浪作用下產生的撞擊力。

（7）山區河流河床橫斷面多呈“V”、“U”字型，在陡峻的地形限制下，河床切割很深、河槽狹窄、岸坡陡峭、坡頂臺地較高，而縱剖面又通常比較急、陡，坡度變化劇烈。因此碼頭基礎前沿必須考慮適當的防護措施，防護設施應設置在沖刷線以下，沖刷深度按照《堤防工程設計規范》有關規定計算。