某港重力式码头结构优化比选分析

吴 信，谢安丰

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

某港重力式码头结构优化比选分析

吴 信，谢安丰

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

文章通过对某港重力式码头结构型式进行技术、经济优化比选分析，提出一种新的重力式码头结构型式——扶壁衡重式结构，表明在一定条件下，该码头结构型式在技术及经济上具有明显优势，为类似港口工程设计提供一个新的思路。

码头；结构型式；扶壁衡重式结构；比选分析

0 引言

重力式码头是我国分布较广、使用较多的一种码头结构型式[1]。其结构耐久性好、承载力高、造价适中等优点，已得到广泛应用。传统的重力式码头结构型式分为大圆筒结构、空心方块结构、扶壁结构、沉箱结构等。本文以某港码头工程为实例，分别采用大圆筒结构、空心方块结构、扶壁结构进行技术、经济比选，通过分析影响工程造价的主要因素发现，基槽开挖量是一个显著的因素，尤其岩面较高的情况。并在此基础上，提出了一种新型的重力式码头结构型式——扶壁衡重式结构，其有效地减少了墙后土压力，缩短了结构的底部尺寸，降低了工程造价，最终作为推荐方案予以实施应用。

1 工程概况

拟建码头位于广西防城港市企沙镇，即在企沙半岛西侧，在东湾的云约江南岸靠近出口处，西侧为防城港电厂码头。拟建设2个3 000 t级件杂货泊位和1个2 000 t级泊位(码头水工按靠泊5 000吨级船舶设计)，设计年吐量120万t。

2 设计条件

2.1 设计水位

设计高潮位：4.64 m(潮峰累积频率10%)；

设计低潮位：0.30 m(潮谷累积频率90%)；

极端高水位：5.69 m(重现期为50年一遇)；

极端低水位：-0.73 m(重现期为50年一遇)。

2.2 设计波浪

根据码头的平面布置和波浪作用方向，其重现期按50年一遇：

极端高水位：NNW向：H1%=1.77m，T=3.9s，L=23.70m；

设计高水位：NNW向：H1%=1.66m，T=3.8s，L=23.70m；

设计低水位：NNW向：H1%=1.32m，T=3.5s，L=18.83m。

2.3 设计荷载

码头前沿10m范围内堆货荷载标准值为20kN/m2，10m以后堆货荷载标准值为40kN/m2。

2.4 高程设计

码头面高程：6.00m(当地理论深度基准面，下同)；

码头前沿停泊水域底高程：-8.10。

2.5 地质条件

场地岩土层主要由第四系海陆交互相沉积层(Qmc)、第四系残积层(Qel)、志留系基岩(S)组成，地层描述现自上而下分述如下：

(1)填筑土①(Qml)

杂色，稍湿，由粘性土、砂岩块石组成。

(2)淤泥质粉土②(Qmc)

灰黑色，饱和，流～软塑状，具腥臭味，含有机质、腐殖质等，干强度低，韧性一般，无摇震反映。

(3)淤泥质土混砂②1(Qmc)

灰色，深灰色等，饱和，松散状，土质不均匀，由淤泥质土、砾砂及贝壳类生物碎屑组成，主要成分以砾砂为主。

(4)角砾③(Qmc)

黄白色，褐黄色，饱和，稍密～密实状，砾石的成份主要为石英和硅质岩，颗粒呈棱角状，分选性差，级配较好，粒径2～20mm约占60%，其余为中细砂、砾砂充填。

(5)粘土④(Qel)

由泥质粉砂质岩风化后形成。灰黄、红黄色，硬塑状为主，局部可塑状，粘性一般，韧性一般，干强度较高，土质不均匀，切面粗糙，无光泽。

(6)强风化泥质粉砂岩⑤

褐黄色，泥质粉砂结构，层状构造，节理裂隙较发育，岩体破碎，岩质软，手可掰断，钻进速度较快，岩芯多呈泥团状、小块状、局部为粉砂状，采取率低。

(7)中风化泥质粉砂岩⑥

灰、灰黄色，泥质粉砂结构，层状构造，节理裂隙发育，局部穿插石英脉，岩体稍完整，岩质稍软，指甲尚可刻画，钻进速度稍快，岩芯多呈小块状、短柱状，采取率低。

上述各岩、土层岩土设计参数建议值见表1，码头区域地质横剖面图见图1。

表1 岩土设计参数表

2.6 地震

根据中华人民共和国国家标准《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)划分，本区地震基本烈度为Ⅵ度，特征周期分区为第一区，地震动峰值加速度值为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35。

图1 码头区域地质横剖面图

3 结构设计方案比选

根据码头建设工程所在区域的地质条件分析，码头区域主要为全风化至中等风化的泥质粉砂岩，岩层厚度大、承载力较高，可作为良好的持力层。因此，码头平台选择重力式结构较为合适。本文推出三个结构方案进行比选。

3.1 方案一：大圆筒结构方案

下构为预制钢筋混凝土薄壁大圆筒。圆筒外径为8.0m，壁厚0.32m，单个圆筒段宽度为8.95m，圆筒外趾悬挑80cm，底标高为8.10m，顶标高为1.30m，单个圆筒重306.7t。

圆筒顶上为预制钢筋混凝土盖板，盖板后侧悬挑2.2m。其上为现浇混凝土胸墙结构。

圆筒内回填中粗砂及级配碎石反滤料，圆筒后方回填中粗砂，中粗砂要求振冲达到中密以上，中粗砂的水上、水下内摩擦角要求均≥32°。

整个结构作用在抛石基床上，详见图2。

图2 大圆筒结构断面图

3.2 方案二：空心方块结构方案

下构为预制空心方块结构，空心方块垂直码头线长8.4m，加前趾长0.8m，总宽9.2m，平行码头线长6.2m，高9.4m，前壁厚0.4m，后壁厚0.3m，侧壁厚0.3m，单个方块重230t；方块顶上为预制钢筋混凝土盖板，盖板后侧悬挑2.2m。其上为现浇混凝土胸墙结构。

方块内回填中粗砂，方块后方回填中粗砂，中粗砂要求振冲达到中密以上，中粗砂的水上、水下内摩擦角要求均≥32°。

整个结构作用在抛石基床上。详见图3。

图3 空心方块结构断面图

3.3 方案三：扶壁结构方案

图4 扶壁结构断面图

下构为预制扶壁结构，扶壁顶高程1.5m，底高程-8.1m，底宽10m，顶宽2.7m，扶壁前壁厚0.4m，肋板厚0.30m，底板厚0.40m，前趾宽0.8m，单个扶壁结构重200t。扶壁顶上为预制钢筋混凝土盖板，其上为现浇混凝土胸墙结构。

扶壁内回填中粗砂，扶壁后方回填中粗砂，中粗砂要求振冲达到中密以上，中粗砂的水上、水下内摩擦角要求均≥32°。

整个结构作用在抛石基床上，详见图4。

3.4 三个方案技术优、缺点比选

三个方案的技术优缺点情况见表2。

表2 三个方案技术优缺点比选表

从三个方案的技术优缺点比较表(见表2)中可以得出，三个方案从技术上讲均是合理、可行的。

3.5 三个方案经济比选

从经济上比较，方案一码头水工投资4 592万元，其中基槽开挖投资980万元，占总投资的21.3%；方案二码头水工投资4 811.5万元，其中基槽开挖投资1 072万元，占总投资的22.3%；方案三码头水工总投资4 598万元，其中基槽开挖投资1 107万元，占总投资的24.0%。从中可以看出，基槽开挖在整个码头水工投资中占了很大的比重，分析基槽开挖投资高的原因，主要有以下几点：

(1)项目所在地原地面线较高，基槽开挖量大，方案一、二、三的基槽开挖量分别为：7.8万m3，8.0万m3，8.3万m3。

(2)项目所在地岩面较高，炸礁量大，方案一、二、三的炸礁量(其中强风化岩按照50%开挖，50%炸礁考虑)分别为：3.1万m3，3.14万m3，3.2万m3。

(3)项目所在地距离抛泥区30km。

从以上分析可知，如何控制本项目的基槽开挖投资成了本项目控制的关键因素。

4 一种新的重力式码头结构方案——扶壁衡重式方案的提出

从表2的三个技术方案比选中，可以看出，方案三较方案一、方案二混凝土用量最省，但基槽开挖量大。分析原因，主要是因为圆筒、方块有卸荷板，减小了土压力，从而底宽较小。基于“方案三+卸荷板”的思路，推出水工结构方案四，即扶壁衡重式结构，详见图5。

下构为扶壁衡重式结构，扶壁衡重式顶高程1.3m，底高程-8.1m，底宽6.75m，顶宽2.7m，扶壁肋板上设置衡重式卸荷平台，卸荷平台顶高程-1.20m，宽5m。扶壁前壁厚0.4m，肋板厚0.30m，底板厚0.40m，前趾宽0.8m，高0.4m，单个扶壁结构重275t。扶壁衡重式顶上为预制钢筋混凝土盖板，其上为现浇混凝土胸墙结构。

扶壁衡重式内回填中粗砂，扶壁衡重式后方回填中粗砂，中粗砂要求振冲达到中密以上，中粗砂的水上、水下内摩擦角要求均≥32°。

整个结构作用在抛石基床上，见图5。

图5 扶壁衡重式结构断面图

扶壁衡重式结构码头水工总投资4 274万元，其中基槽开挖投资731万元，占整个码头水工投资的17%，有效地减少了基槽开挖量，降低了工程投资。在最终的方案推选中，成为最终的实施方案，并成功地得到实施应用。

5 扶壁衡重式结构的技术特点总结

扶壁衡重式结构与传统的圆筒、空心方块、扶壁相比，可以更有效地减少土压力(见表3)，从而减少构件底宽，减少基槽开挖工程量。

表3 各工况下土压力比较表

(单位：kN)

扶壁衡重式结构的特点是重心靠后、靠上，因此，设计时应注意验算构件的后倾稳定性、抗震稳定性。因本项目所在地地震基本烈度为Ⅵ度，根据规范[3]，可不进行抗震计算。

6 结语

本项目为该作业区最早实施的项目，因此，扶壁衡重式结构的成功应用，为后续项目的建设提供了很好的参考资料。

[1]韩理安.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]JTS167-2-2009，重力式码头设计与施工规范[S].

[3]JTS146-2012，水运工程抗震设计规范[S].

[4]广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院.广西凌宇运通有限责任公司码头工程初步设计报告[R].2012.

Comparison and Selection Analysis on Gravity Wharf Structure Optimization of A Port

WU Xin，XIE An-feng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Through technical and economic optimization comparison and selection analysis on gravity wharf structure type of a port，this article proposed a new type of gravity wharf structure-buttresses weighing structure，showing that，under certain conditions，this wharf structure type has obvious advantages in technology and economy，thereby providing a new idea for engineering design of similar ports.

Dock；Structural type；Buttresses weighing type structure；Comparison and selection analysis

U656.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.028

1673-4874(2015)04-0100-04

2015-03-05

吴 信，高级工程师，主要从事港航工程设计及技术管理工作。