重力式碼頭結構的選型研究

吉增光

（河北省水運工程規(guī)劃設計院，天津 300074）

1 引言

經(jīng)濟的不斷發(fā)展使各類大型工程不斷興建，其設計使用年限久，使得工程在建成后，隨著時間的流逝容易受到環(huán)境的侵蝕，導致各種載荷作用發(fā)生變化，如果不對其進行維護，將會讓土木工程的基礎設備狀態(tài)趨向劣化。近年來，由于結構損傷所引起的土木工程事件頻發(fā)，在發(fā)生事故前，很多的結構會出現(xiàn)裂縫，導致應力增加。在重大的工程結構中，對結構的選型十分重要。我國的港口體系分布合理，相對集中，按照結構形式分為重力式、板樁式、高樁式和混合式，大多數(shù)以重力式碼頭結構形式為主，因為該結構形式堅固、耐久、抗凍、抗冰、承受力強、適應性強、施工簡單、成本低。因此，本文以重力式碼頭結構為研究對象，分析重力式碼頭結構在選型方面以及結構加固方面的應用。

2 工程概況

2.1 物理力學指標

以青島港為例，1～5#泊位工程是設計的主要項目，其中，1#和2#為2 萬噸級泊位；3#為10 萬噸級泊位；4#和5#為5 萬噸級泊位。整個碼頭分為1～5 層，3～5層土基主要物理力學指標見表1。

表1 土基物理力學指標

在泊位工程的基礎之上，再擬建1 座煤炭碼頭和重件碼頭，兩個碼頭之間通過實體引堤進行橋接，如圖1所示。建筑物的結構安全等級為A，結構系數(shù)為1.0，使用年限為40 年，設計水位如表2 所示。

圖1 工程平面布置示意圖

表2 設計水位

2.2 設計波浪要素

碼頭過渡段的設計載荷中，流動機械的載荷分別為20t 和25t；波浪載荷需要通過各工況下的物理模型試驗得出。設計波浪的要素如表3 所示。

表3 設計波浪要素

3 碼頭結構選型

3.1 影響碼頭結構的因素

對于重力式碼頭結構起到控制作用的因素較多，但從碼頭的結構而言，分為基礎寬度、方塊尺寸、胸墻尺寸、卸荷板厚度等；回填材料分為高程和力學；荷載分為種類、位置以及使用范圍等；此外還有工程地質條件、冰荷載以及地震力等因素。根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗可以得到，對于重力式碼頭結構的選型，也存在一定的規(guī)律性。就基礎寬度而言，根據(jù)使用碼頭的條件，將整個河床分為中粗砂、細砂以及巖石，因為地層的結構簡單，地理位置好，且承載力較強，因此整個碼頭的結構符合抗滑和抗傾的使用條件，可以進行建筑物的范圍設定。同時，回填材料也符合設計需求，資源方面充足，各方面都符合規(guī)范。載荷確定，船型設計單一作為推廣船型，碼頭的裝卸機械要做到靈活；冰荷載，在結構選擇時需要考慮到，可以采用接觸流冰部位鑲嵌鋼板予以解決。因此，在工程實踐時，對于重力式碼頭結構的優(yōu)化，需要考慮到多種因素。

3.2 結構方案設計

對重力連片式和高樁離岸式兩種結構進行技術對比，如表4 所示。

表4 兩種結構優(yōu)缺點對比

結果顯示，在載荷和工藝的適應、1#～3#的舒適性、陸域形成面積、結構耐久性、安全風險、砂石需求量、結構造價等7 個影響要素中，重力連片式的結構占據(jù)優(yōu)勢較多，符合重力式結構的選擇需要。

斜坡式結構的堤頂寬20m，高16.8m，坡比1∶1.5，堤頂設有防浪墻，高11.7m。

直立堤所用結構為沉箱，尺寸為24.5m×18.66m×19m，單個沉箱最大噸位為3885t，采用中粗砂進行回填。沉箱頂部高程為1.5m，通過在上方設置防浪墻，可以提高結構的安全性。沉箱采用暗基床結構，兩側泥面按照1∶2 進行防滲，基床上放置實體沉箱，并在沉箱的兩側使用柵欄板壓制，如圖2 所示。

圖2 直立堤式結構剖面

3.3 結構選型設計

碼頭區(qū)強風化花崗巖高程為-44～-62m，適合采用高樁結構進行設計，在進行工程建設時，配套的政策與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無法完成融合，碼頭對貨種和使用載荷要求較高。此外，由于1#和2#為危客貨滾裝船，3#為郵輪，在進行總平面圖設計時，要盡量讓建筑物靠近碼頭的前沿，上下船設計要降低碼頭面高程，以提高運營的安全性。滾裝船和集裝箱結構設計要具有良好的耐久性，避免過于頻繁的維修導致停運。對于深水重力式碼頭，首選巖基作為底層，在本設計工程中，碼頭區(qū)的巖面埋藏隱蔽，在選擇持力層時，需要重視基槽開挖的缺陷，對工作量進行設計，避免投資成本的增加，基床的厚度相差較大，也會增加沉降的風險。因此，選擇適合的土基作為持力層非常重要，將地基的承載力系數(shù)γR設置為3.5，碼頭的斷面地基沉降量設置為15cm。隨著基槽開挖深度的不斷增加，將3#～5#設置為持力層。但從沉降的控制角度而言，3#含水率較高，天然空隙和壓縮系數(shù)較大，擊數(shù)較小，不易作為持力層進行開發(fā)。粉質黏土和中粗砂混黏土作為基礎持力層，適合部分開挖。

根據(jù)表4 可以得知，重力式結構在造價方面較低，高樁式結構在造價方面較高。在進行重力式結構設計時，基槽開挖的工作量大，會造成成本的增加。兩種結構的造價均隨著結構等級的增加而有所減少，在進行競標過程中，土石方的工程報價較高，因此，重力式結構的工程設計，在進行工程量分配時所占比例較大，重力式結構在超深基槽和超厚拋石方面具有顯著優(yōu)勢，基槽開挖底高程為-35.0～52.0m；基槽拋石厚度為23.5～40.1m，基槽開挖量為1230 萬m3，基槽開挖用砂、石量大，選擇重力式結構在拋泥區(qū)及砂、石有優(yōu)先條件。

根據(jù)工程所在地對于各類建材的價格要求，對比直立堤方案和斜坡堤方案的工程造價，結果顯示，采用直立堤方案，可以比斜坡堤方案節(jié)省工程造價，節(jié)約比例高達10%。如表5 所示。

表5 兩種結構方案工程造價對比（萬元）

由此可知，直立堤方案造價明顯低于斜坡堤方案。直立堤方案在抗滑抗傾方面更加穩(wěn)定，結構也更加安全，采取此方案進行設計，能夠更加節(jié)省成本。

在各工況下，直立式沉箱的結構碼頭在抗滑、抗傾方面的安全系數(shù)規(guī)范性更高，地基的沉降量更小，結構也更加的穩(wěn)定和安全，具體數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 直立式沉箱結構穩(wěn)定性結果

4 結束語

重力式碼頭在耐久性方面較佳，在超載和工藝變化方面具有較強的適應性，而且施工簡單，因此應用較為廣泛。通過對重力式碼頭的結構進行選型分析，得出了采用重力式碼頭結構進行結構設計可以得到較好的應用效果。采用直立堤結構，可以保持一定的穩(wěn)定性，結構設計可以更加安全，造價也更低。