北海市铁山港重力式码头水工结构设计方案比选

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　　摘要：本文探讨北海通顺码头工程水工建筑物的设计情况，主要对码头水工结构提出两种设计方案，并对其优缺点进行比较。
　　关键词：港口；码头；沉箱
　　
　　1工程概况
　　北海市铁山港区位于广西壮族自治区南端，距北海市近40公里，总面积394平方公里，是北海市对外开发以发展工业为主的行政区。北海铁山港各类码头作业区布置在东南沿海处，拟建地点位于北海铁山港石头埠地区，北海铁山港电厂码头以北约1300m，紧临新奥海洋运输有限公司修造船基地，东经109°34′，北纬21°35′。
　　本工程水工建筑物建设按1个50000DWT散货泊位设计。根据海港总平面设计规范要求，合理利用岸线、水深及土地等资源，码头长取269m。根据工程地质条件和北海铁山港的特点，本水工建筑物适宜采用重力式结构。
　　2总体设计
　　设计船型按50000DWT散货船，建筑物设计尺度为：总长269m；码头前沿顶标高：7.50m（当地理论深度基准面，下同）；码头前沿停泊水域底标高：-13.20m。
　　设计水位为：设计高水位：5.41m（高潮累积频率10％的潮位）；设计低水位：1.13m（低潮累积频率90％的潮位）；极端高水位：6.86m；极端低水位：-0.46m。
　　设计波浪为：波浪直接影响码头结构受力，船舶泊稳，泥沙回淤。本港受雷州半岛掩护，波浪强度不大，据1962年至1982年观测资料统计，铁山港湾内的外海入射波浪的平均波高仅0.67m，另据正在港内作业的施工单位近三年来的观测，未出现超过1.00m的波浪，可见该港湾的波浪动力条件较弱。
　　材料计算指标：吹填砂：γ水上=18.0 kN/m3，γ水下=9.5 kN/m3，水上≥32，水下≥32；抛石棱体、基床块石：γ水上=18 kN/m3，γ水下=11 kN/m3，水上=水上=45；摩擦系数：混凝土与抛石基床之间 f=0.6；抛石基床与粘土的摩擦系数为f=0.40。
　　地基承载力：北海市勘察院工程地质勘察报告推荐的容许承载力：圆砾：[σ]=200kPa；粘土：[σ]=280kPa。
　　设计荷载：a.码头堆货荷载：码头前沿15m范围30kN/m2，码头前沿15m范围以后70kN/m2。b.前沿装卸机械荷载前沿门机采用25t－35m门机，4腿，每腿8轮，轮间距765mm，轨距×基距=10.5×10.5m。门机最大轮压为25.0t。c.系缆力650 kN。
　　3码头水工结构设计
　　根据码头位置的地质勘察资料，项目所在地区下覆承载力大于280kPa的粘土层。码头水工建筑物在多个方案论证的基础上，筛选出二个方案进行比选。
　　方案一，钢筋混凝土有底沉箱方案；方案二，钢筋混凝土薄壁大圆筒方案。
　　根据总平面布置方案，每种结构型式均可与两个平面布置方案相对应。
　　3.1方案一（沉箱方案）
　　码头前沿线长269m，码头结构采用钢筋混凝土沉箱结构，共16个沉箱。沉箱垂直码头线长13.55m，加前后趾长1.0m，总长15.55m；平行码头线长16.75m；底标高为-13.20m，顶标高为3.5m。沉箱共分3×4=12个腔，每个腔尺寸3.7m×4.1m。沉箱底板厚0.5m，前壁厚0.40m，侧壁和后壁厚0.35m，纵横隔板厚0.25m。单个沉箱重2154.1t。
　　沉箱安装在抛石基床上。
　　沉箱顶上为现浇砼胸墙和轨道梁，前沿轨道梁同胸墙连成一体。前沿轨道梁中心线距码头前沿线3m，两根门机轨道梁中心线距离为10.5m。门机轨道梁上安装QU100钢轨。沉箱内和轨道梁之间为吹填砂，砂要振冲密实。沉箱后方为抛石棱体，棱体顶标高3.50m，棱体上为二片石，二片石上覆盖砾卵石倒滤层。
　　码头面层采用高强联锁块铺砌。
　　3.2方案二（大圆筒结构方案）
　　该结构下构为预制钢筋混凝土薄壁大圆筒，圆筒沿码头轴线呈“一”字型排列，大圆筒作用在抛石基床上，圆筒外径为16.5m，壁厚0.34m，单个圆筒段宽度为16.75m，圆筒外趾悬挑100cm，底标高为-13.20m，顶标高为3.5m，单个圆筒(含底板)重1428.2t，共16个。圆筒内回填中粗砂及砾卵石反滤料，中粗砂要求振冲达到中密以上。圆筒顶上为钢筋砼盖板，盖板为梁肋式结构。盖板沿岸线方向宽为16.79m，垂直岸线方向长度为19.3m，其上现浇砼胸墙，共16段。圆筒采用临时封底结构，在预制场预制，施工时采用半潜驳浮运和沉放。圆筒上部的卸荷板、胸墙、轨道梁等在现场浇筑。码头墙后方吹砂回填。门机轨道结构作用在轨道梁上。
　　3.3数据计算
　　依据《重力式码头设计与施工规范》（JTJ290-98）、《海港水文规范》（JTJ213-98）进行计算，码头主体结构稳定计算及地基应力计算成果如下。
　　1）抗滑稳定
　　波浪力作用时，
　　船舶撞击力力作用时，
　　经计算，控制工况为波浪力作用。
　　2）抗倾稳定
　　波浪力作用时 ，
　　船舶撞击力力作用时。
　　3.3.1沉箱方案结构稳定计算及地基应力计算
　　1）抗倾稳定计算
　　a.抗倾稳定计算公式为
　　倾覆力距= ，
　　 稳定力矩=
　　抗倾稳定计算成果表间表1所示：
　　
　　
　　3.4方案比选
　　两种水工结构方案技术上均可行，施工方法也接近，各方案的优缺点。
　　1） 方案一
　　a.优点：地基应力小、对不均匀沉降适应性好；有成熟的施工经验。
　　b.缺点：混凝土用量大；工程造价稍高。
　　2）方案二
　　a.优点：混凝土用量少，工程造价稍低；有成熟的施工经验。
　　b.缺点：施工时圆筒安装难度大；地基应力大，对不均匀沉降适应性差；基槽开挖量大。
　　在设计及施工经验方面，沉箱和薄壁大圆筒结构设计方法和经验都很成熟，且众多进行港口建设的施工单位积累了较丰富施工经验。
　　沉箱结构和圆筒结构工程费用分别为24909万元、23705万元，两个方案投资相差不大。项目所在位置钻孔打入地表以下25m仍然未发现承载力较好的岩层，而是厚度很大的粘土层，本阶段勘察，尚未揭穿该层，最大揭露厚度为14.4m，地基承载力只有280kPa，沉箱为整体性结构比圆筒结构更好的适应该地质状况。
　　因此，通过技术、经济和安全方面的分析比较，两种方案的投资相差不大，施工方法都很成熟。考虑到沉箱结构比圆筒结构尺寸稍小，脚趾局部应力较小，对持力层较差的地层而言，对不均匀沉降的适应性要好，本工程水工结构推荐沉箱结构方案，即水工方案一。
　　4结束语
　　本工程施工效果良好，其中施工方案的选择是一个亮点。笔者认为，要取得良好的施工效果，不仅需要科学的施工工艺，还要注意采用新工艺、新技术。此外，在施工过程中施工管理工作也必须做到位。
　　注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看

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