復(fù)雜水文條件下某客運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王捷

（上海市土地儲(chǔ)備中心，上海 200336）

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了高速發(fā)展的良好局面，人民生活水平得到普遍提高，海洋海島旅游產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，客運(yùn)碼頭成為海島對(duì)外交通的主要樞紐。隨著游客數(shù)量逐年增長(zhǎng)，旅客出行的不均衡性，尤其是旅游旺季和春運(yùn)期間表現(xiàn)尤為明顯，導(dǎo)致很多地區(qū)的客運(yùn)碼頭不能滿足高峰期的出行需求。

目前，宜居島嶼建港條件較好的港址已基本被前人開發(fā)，受制于歷史條件，碼頭吞吐量已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)今的出行需求，而剩余可供利用的自然岸線建港條件往往較差，考慮到客運(yùn)碼頭后方配套設(shè)施的特殊性，新開辟客運(yùn)碼頭港址代價(jià)高昂，為充分發(fā)揮規(guī)模效益，在原成熟客運(yùn)碼頭外側(cè)開闊水域新建客運(yùn)碼頭也成為一種較合理的選擇，而這意味著需要面臨復(fù)雜的水文條件，如水深大、波高流急、流態(tài)復(fù)雜等。

客運(yùn)碼頭對(duì)泊位掩護(hù)要求較高，因此，在復(fù)雜水文條件下，如何消浪、改善泊穩(wěn)條件至關(guān)重要。本文總結(jié)分析了有擋浪設(shè)施的透空高樁碼頭不同消浪型式及其效果，并以某客運(yùn)碼頭三期工程為例，采用密排樁作為擋浪設(shè)施，并以此為基礎(chǔ)，分析不同密排樁布置方式下碼頭水工結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，對(duì)今后復(fù)雜水文條件下透空式防波堤兼碼頭的建設(shè)有一定借鑒意義。

1 工程案例

本文所引工程為某客運(yùn)碼頭三期工程，位于一期、二期工程外側(cè)。三期工程碼頭長(zhǎng)210m，寬20m～46.5m，兩側(cè)靠船，外檔為3000GT 客貨滾裝泊位，內(nèi)檔為1000GT 客輪泊位。碼頭通過一座引橋與后方陸域連接。碼頭前沿天然泥面-20.0m。本工程設(shè)計(jì)條件如下。

1.1 風(fēng)況

工程海區(qū)風(fēng)向季節(jié)變化明顯，在7～10 月受波浪及大風(fēng)影響，作業(yè)天數(shù)相對(duì)較少，而該段時(shí)間正好為旅游旺季，因此采用消浪措施以滿足高峰期客輪的泊穩(wěn)要求十分必要。

1.2 波浪

工程海域附近以風(fēng)浪為主，大風(fēng)大浪相伴而生。碼頭前沿設(shè)計(jì)波浪50 年一遇H1%為5.63m，波長(zhǎng)203.1m，波周期12.8s。

1.3 水流

碼頭前沿設(shè)計(jì)流速1m/s，漲潮流向59°～85°，落潮流248°～271°。

1.4 地質(zhì)

本工程場(chǎng)地上部為厚軟土層，其中淤泥質(zhì)土層厚度約20m，粉質(zhì)黏土層厚度約35m，中間夾雜的粉細(xì)砂層厚度約10m。雜色粉質(zhì)黏土層分布較穩(wěn)定，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，可作為擬建碼頭的樁基持力層。場(chǎng)地下部強(qiáng)風(fēng)化層及中等風(fēng)化層工程地質(zhì)性質(zhì)好，上部土層不滿足的條件下可考慮作為擬建碼頭的樁基持力層。

1.5 設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、均布荷載、流動(dòng)機(jī)械荷載、船舶荷載、波浪荷載等。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，波浪荷載為結(jié)構(gòu)的控制荷載，而由于客運(yùn)碼頭對(duì)泊穩(wěn)條件有較高要求，因此如何采取措施達(dá)到較好的消浪效果并使得結(jié)構(gòu)合理可行是本工程的重點(diǎn)難點(diǎn)。

2 技術(shù)路線的確定

本工程港址水深大，天然泥面達(dá)到-20m；水域開闊，北側(cè)建有防波堤，南側(cè)及西側(cè)屬于完全開敞式水域，2 年一遇H4%達(dá)到2.49m，泊穩(wěn)條件相對(duì)于客船非常差，同時(shí)50 年一遇波浪屬于長(zhǎng)周期波，對(duì)建筑物受力極為不利；流速不大，但流態(tài)復(fù)雜，漲潮流流向夾角達(dá)到26o，落潮流流向夾角達(dá)到23o，最大橫流達(dá)到0.25m/s，對(duì)客船靠泊不利。在如此復(fù)雜的水文條件下，結(jié)合本工程地質(zhì)條件，綜合考慮造價(jià)、水域資源、環(huán)保要求等各個(gè)因素，采用傳統(tǒng)的實(shí)體式防波堤加碼頭的建設(shè)方案顯然是不合理的，而采用兼具擋浪和碼頭使用功能的透空式結(jié)構(gòu)則既能改善港區(qū)內(nèi)客船的泊穩(wěn)條件，又能滿足客船的靠泊要求，工程投資大幅降低，這即是本工程建設(shè)方案重點(diǎn)攻關(guān)方向。

2.1 一期工程和二期工程的建設(shè)情況

2.1.1 一期工程—高樁碼頭+擋浪板

已建一期碼頭采用兩側(cè)設(shè)置擋浪板的型式，擋浪板與上部結(jié)構(gòu)相連并深入水中。該設(shè)施主要依據(jù)波能集中分布在水體表層的特性[1]，通過在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置擋浪設(shè)施達(dá)到消浪的效果。

根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS154-2018，以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）[2]6.3.3 條，擋浪板入水深度與水深之比宜取0.3～0.5。一期碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面為-5.0m，設(shè)計(jì)高水位時(shí)擋浪板入水深度與水深之比為0.32，極端高水位時(shí)擋浪板入水深度與水深之比為0.39，根據(jù)規(guī)范式（6.3.2-1）和（6.3.2-2），設(shè)計(jì)高水位和極端高水位時(shí)透浪系數(shù)Kt（透射波高與入射波高的比值）分別為0.66和0.59。當(dāng)水位位于設(shè)計(jì)低水位及以下時(shí)，擋浪板入水深度為0，透浪系數(shù)Kt 為0.95。由此可見，擋浪板在高水位時(shí)具有一定消浪效果，但隨著水位降低，消浪效果逐漸變差，在低水位情況下，尤其水位低于擋浪板底高程時(shí)，波浪透射情況明顯，船舶泊穩(wěn)條件不佳。與一期碼頭的實(shí)際使用情況相符。

2.1.2 二期工程—高樁擋浪碼頭+密排樁

已建二期工程在一期碼頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及使用情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以密排樁和高樁平臺(tái)相結(jié)合的方式來擋浪，平臺(tái)設(shè)置擋浪板，兼做碼頭使用，密排樁設(shè)置于碼頭下方。

密排樁的布置分為兩種型式。一種型式為密排樁位于碼頭中部或后部，樁頂與碼頭上部結(jié)構(gòu)相連（整體式），另一種型式為樁頂與碼頭上部結(jié)構(gòu)脫開（分離式）。從受力角度分析可知，整體式結(jié)構(gòu)的波浪力通過密排樁部分傳至碼頭結(jié)構(gòu)，另一部分水平力由土體承受，因此主體結(jié)構(gòu)受波浪力較大，尤其對(duì)拉樁要求較高，而分離式結(jié)構(gòu)的密排樁與上部高樁結(jié)構(gòu)分離，密排樁和上部結(jié)構(gòu)主體分別承受波浪力，受力清晰，有效增加主體結(jié)構(gòu)的安全度。

經(jīng)過比選，二期碼頭采用分離式密排樁結(jié)合消浪板的結(jié)構(gòu)型式。高水位時(shí)利用消浪板和密排樁聯(lián)合消浪，低水位時(shí)主要利用密排樁進(jìn)行消浪。該種分離式結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致波浪從密排樁頂部越浪傳入港內(nèi)，在一定水位和波浪條件下，消浪效果較差。由于擋浪板的設(shè)置，波浪會(huì)在擋浪板與密排樁之間形成反射且水體擴(kuò)散被阻擋，從而在碼頭下方形成復(fù)雜而紊亂的波態(tài)，使得上部結(jié)構(gòu)承受較大的浮托力，樁基、擋浪板受到較大的波浪水平力。

2.2 本工程技術(shù)路線

一期工程采用擋浪板結(jié)構(gòu)，高水位時(shí)消浪效果明顯；低水位時(shí)，擋浪板進(jìn)入水面以下高度較小，擋浪作用較小，波浪透射明顯，針對(duì)這個(gè)問題，二期工程建設(shè)時(shí)，初步采取適當(dāng)降低擋浪板底高程的方案，物模試驗(yàn)表明碼頭前沿?fù)趵税褰档椭聊嗝鏁r(shí)波浪條件可大幅改善。

二期工程最終設(shè)計(jì)考慮到擋浪板底高程太低，碼頭結(jié)構(gòu)安全和施工存在較多的問題而沒有采用，而是另辟蹊徑，在碼頭下方布置密排樁，與碼頭結(jié)構(gòu)分離，高水位時(shí)，擋浪板作用明顯，可有效降低港內(nèi)波高，而低水位時(shí)，密排樁和擋浪板共同發(fā)揮作用，有效降低港內(nèi)波高。

本三期工程碼頭前沿天然泥面高程-20.0m，后沿天然泥面-16.50m，若采用擋浪板進(jìn)行消浪，參照一期工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，顯然無法實(shí)現(xiàn)消浪目標(biāo)；若采用二期工程的方案，在碼頭下方布置密排樁，則樁基泥面以上自由長(zhǎng)度太長(zhǎng)，在波浪力作用下，樁基直徑達(dá)到4m 以上才能滿足使用要求，該方案顯然是不合理的。

總結(jié)一期工程和二期工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是，擋浪設(shè)施透空率越小，則消浪效果越好，在擋浪板結(jié)構(gòu)往下延伸受限的情況下，考慮將密排樁結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)結(jié)合為整體則成為本工程技術(shù)路線的必然選擇。

3 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本三期工程由于碼頭前沿水深較大，且水工結(jié)構(gòu)擬采用密排樁方案，因此碼頭承受的波浪水平力和上托力均較大，導(dǎo)致樁身拉應(yīng)力較大，在滿足碼頭使用功能和結(jié)構(gòu)安全的前提下，本工程選用抗拉抗彎能力較強(qiáng)的鋼管樁。對(duì)于密排樁，可適當(dāng)加大樁徑以提高抗彎能力。根據(jù)密排樁布置的不同，考慮兩種結(jié)構(gòu)方案。

方案一密排樁位于碼頭中部。碼頭寬度25m，排架間距7.6m。自前沿向后7m寬以及后沿向前7m寬范圍內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、疊合面板，通過現(xiàn)澆面層連成整體。中間11m 寬范圍內(nèi)上部結(jié)構(gòu)采用墩臺(tái)形式。每榀排架下共2根Φ1500mm鋼管樁（1根直樁，1根斜樁），墩臺(tái)下采用Φ1800mm 鋼管樁（斜樁，間距1900mm，密排樁），每?jī)砷偶苤虚g設(shè)置4 根Φ1500mm 鋼管樁（斜樁，間距3800mm）。方案一詳見圖1。

圖1 方案一斷面圖及樁位示意圖

方案二密排樁位于碼頭前部。碼頭寬度25m，排架間距7.6m。自前沿向后14m 寬范圍內(nèi)上部結(jié)構(gòu)采用墩臺(tái)形式，自后沿向前8m 范圍內(nèi)上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、疊合面板，通過現(xiàn)澆面層連成整體，上部墩臺(tái)和排架間采用簡(jiǎn)支板連接。每榀排架下共2 根Φ1200mm 鋼管樁（斜樁），墩臺(tái)下采用Φ1800mm 鋼管樁（斜樁，間距1900mm，密排樁）、Φ1800mm 鋼管樁（斜樁，間距3800mm）和Φ1200 鋼管樁（斜樁，間距5700mm）。方案二詳見圖2。

圖2 方案二斷面圖及樁位示意圖

本工程計(jì)算中將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面剛架，采用桿系有限單元法進(jìn)行求解，樁頂與橫梁形心采用剛性連接。主要構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算成果見表1。

表1 碼頭斷面主要構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算可知，波浪力為主導(dǎo)荷載。方案一與方案二相比，迎浪面積較小，所受波浪水平力較小，但上部結(jié)構(gòu)位于密排樁以外的部分受到較大的波浪浮托力，故樁基所受拉力較大且上部排架結(jié)構(gòu)所受彎矩較大。方案一由于墩臺(tái)和排架結(jié)構(gòu)固接，整體性較好，故碼頭的水平位移較小。

方案二由于密排樁位于碼頭前部，可較好地掩護(hù)后方樁基及上部結(jié)構(gòu)，且通過簡(jiǎn)支板將墩臺(tái)和排架結(jié)構(gòu)相連，可避免排架結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)共同承受波浪力，結(jié)構(gòu)受力更加合理，可有效減少樁基數(shù)量、減小上部結(jié)構(gòu)的尺寸和配筋，優(yōu)化結(jié)構(gòu)且節(jié)省投資。

值得一提的是，若密排樁采用直樁，周期較大、波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波浪作用會(huì)導(dǎo)致拉樁的最大拉力非常大，而采用密排斜樁可有效改善這一問題。

4 結(jié)束語

（1）針對(duì)水深較大、波浪條件較惡劣且對(duì)泊穩(wěn)要求較高的碼頭，透空式防波堤兼碼頭可利用碼頭結(jié)構(gòu)本身的消浪功能來改善泊位前水域的水文條件，兼有碼頭和消浪雙重功能。

（2）本文所引工程采用密排樁與上部結(jié)構(gòu)相連的型式，根據(jù)密排樁位置不同分為密排樁前置和密排樁中置兩種布置方式，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知密排樁前置且上部結(jié)構(gòu)墩臺(tái)與排架脫開的方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，受力更加合理，造價(jià)更低，是較優(yōu)的方案。

（3）本文所述的基于密排樁與高樁碼頭相結(jié)合的透空防浪結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)的利用防波堤加碼頭的結(jié)構(gòu)形式具有經(jīng)濟(jì)性及節(jié)約海洋資源的顯著優(yōu)點(diǎn)，對(duì)后續(xù)海島客運(yùn)碼頭工程的選址和建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。