斯里兰卡汉班托塔港二期码头结构优化

赵瑞东，吴遵奇，邓凌

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 工程概况

斯里兰卡是“21世纪海上丝绸之路”的重要一站，而汉班托塔港离最繁忙的欧洲-远东国际主航线仅10 nmile，是该国港口战略的一个重点工程。汉班托塔港二期工程位于斯里兰卡南部省汉班托塔市，处于已建一期工程北侧，采用挖入式港池。码头工程主要包括总长2 137 m岸线，含2个10万吨级集装箱泊位，2个10万吨级多用途泊位以及2个1万吨级支线集装箱泊位，另包括堆场、进港路、护岸、公务码头和人工岛等工程。其中10万吨级泊位结构按15万吨级船型设计，1万吨级泊位结构按2万吨级船型设计。港池底标高为-17m，受回旋水域和进港航道宽度限制，近期满足10万t设计船型满载进出港要求，待拓宽航道和回旋水域后，可满足15万吨级集装箱船控制吃水在14.5m以内进出港，港区总平面布置如图1所示。

图1 港口平面布置Fig.1 Layoutof the port

2 工程条件

2.1 设计水位

设计高、低水位分别为+0.6m和-0.15m，极端高、低水位分别为+1.0 m和-0.5 m，均以最低大潮低潮位为基面（下同）。

2.2 地质情况

二期港池设计底标高为-17m，码头主体建筑所在区域整体地质条件良好，泻湖内覆盖层较薄，区域内岩石主要为片麻岩，主集装箱泊位西侧600m中风化和微风化岩层平均标高分别为-3.3m和-8.1 m，最低标高分别为-7.8 m和-18.1 m。支线集装箱泊位沿线中风化和微风化岩层平均标高分别为+0.8 m和-6.4 m，最低标高分别为-5.23 m和-14.88 m；多用途泊位西侧200 m中风化岩面最低标高-0.2 m，中间460 m中风化岩面平均标高为-6.8 m，东侧靠近一期位置较低，钻孔显示最低处接近-19.5m[1]。

岩层的浅埋深以及港池的大规模开挖，为工程带来了十分可观的石料来源。

2.3 施工条件

港区位于原Mirijjawila泻湖内，原地表高程为-1～0m，一期工程充分考虑了当地的资源情况，并结合项目的地理位置、地质情况、地形地貌情况及海况，合理选择了设计、施工方案。提出选择泻湖区作为建港地点，采用总长为4 238 m围堰加防渗墙的工艺，成功实现了干地施工建设深水港口项目的创新建港理念[2-3]，大大降低了施工难度，加快了施工进度，并大幅度降低了造价。

二期工程延续一期的建港理念，采用干地施工，新建1 582.604 m的北围堰与1 025.694 m新建南围堰，采用与一期相同的围堰结合塑性混凝土防渗墙工艺，并在新建南围堰与一期码头结构相交位置结合帷幕灌浆处理。码头主体结构在现场得以进行干地施工，无需另外设置预制场地和大型的船机设备进行安装。围堰布置如图2所示。

3 结构方案

优越的施工条件为水工结构选型提供了较大的发挥空间，同时因为开挖量巨大、工期紧，对主体结构的合理性与优化程度要求较高。在满足结构安全、经济高效的前提下，对二期码头主体结构的选型进行了全面的对比及设计优化选型。

3.1 一期已建沉箱（方案1）

图2 围堰布置图Fig.2 Layoutof the cofferdam

原一期码头采用了常规的重力式沉箱方案，单个沉箱底宽为12.6 m，长度17.51 m，高18 m，仓格尺寸为4m×5.2m（双排8仓格），单件质量约为1 888 t，配筋率约为174 kg/m3，如图3所示。

图3 一期码头典型断面（方案1）Fig.3 Typicalsection of thewharf in phase I(scheme1)

常规沉箱的特点是整体性好、结构坚固耐久，构件受力明确，且能够很好地适应海侧轨荷载很大的情况，但其工程量相对较大，造价相对较高。

3.2 台阶式沉箱方案（方案2）

在一期沉箱的基础上，考虑充分发挥沉箱各构件的受力性能以进行优化。沉箱内部隔墙一般仅受仓储压力，通常按照结构配筋，剩余的承载能力难以得到充分的发挥。而后墙由于直接受后方土压力作用，底部配筋较大且通常满墙布置，因此其上部富余较大。优化的首选是降低后隔舱的标高，使中间隔墙充分发挥其能力。同时，因为后仓格得到降低，受仓顶压力增大的影响，后墙实际的控制压力得到有效减小，其工程量降低而可靠性也会得到优化。

此方案需要注意验算前部仓格及其上部结构视为悬臂段，因此双排仓格沉箱后方不可降得太低，同时考虑根据胸墙实际需要的使用宽度进行重新设计，如图4所示，把2×4的8仓格改进为3×4的12仓格沉箱，仓格尺寸从原来的4 m×5.2 m调整为4 m×3.7 m，宽度增加到13.68 m，长度保持17.51m，高17.5m，虽然多出1排仓格，沉箱混凝土总方量控制在700 m3左右，较一期沉箱混凝土方量减小，同时宽度增加、仓格尺寸减小，可获得更小的地基应力以及更小的胸墙工程量。

图4 台阶式沉箱（方案2）断面图Fig.4 Section ofbenched caisson(scheme2)

3.3 台阶式基床方案（方案3）

考虑利用微风化岩层埋深较浅的有利条件，作为天然墙体用以减少工程量。因此，在阶梯式沉箱的前提下，提出了通过控制开挖坡面结合锚杆衬砌加固后的微风化岩体作为沉箱基础，根据微风化岩面高低不同，沉箱结构采用多种底标高的方案。此举意在把大码头做成小码头，在不侵入船只靠泊区域的前提下，有效减小结构高度，从而大幅减轻结构所受的土压力、地基反力等控制力的作用。

以台阶顶部为-10 m的基础为例，如图5所示，同等条件下仅需小型沉箱即能满足使用要求，沉箱混凝土方量为365 m3，配筋率与常规沉箱相仿，但需增加锚杆以及每延米约8 m3的现浇混凝土衬砌加固坡面。

3.4 新型箱肋式重力码头结构（方案4）

根据本项目特点，设计提出了一种新型箱肋式的重力码头结构，即沉箱前仓格加扶壁后肋板的新型组合结构方案。

图5 台阶式基础（方案3）断面图Fig.5 Section ofbenched foundation(scheme3)

结构兼具了重力式沉箱码头结构与扶壁码头结构的优点，既保证了结构的整体性，又充分利用了各构件的受力特点。结构前部采用沉箱仓格结构，前仓格结构作为一个整体共同承担水平波浪力、系缆力、土压力以及很大的竖向荷载（轨道荷载等），相对于扶壁码头结构，受力更合理，整体性更好；对于大型码头，相对于不太适用的扶壁结构，新型组合结构的前仓格构件受力更小，在能够满足规范要求的情况下，可靠性更高；方案后部采用扶壁后肋板结构，作为前仓格与底板的连接结构，充分利用了扶壁结构受力特点，取消了常规沉箱的后壁与后纵隔墙等后仓格结构，充分发挥了构件的受力性能，肋的高度可以根据受力计算确定，肋布置与前箱格侧、隔板对应。侧仓格的设置为隔墙两侧仓格压力的抵消提供了条件，同时其宽度的设计受前后墙和底板悬臂段受力计算结果控制。

方案如图6所示，采用前排三仓格加两侧仓设计，仓格尺寸为4.25 m×3.7 m，底宽12.68 m，长为17.51 m，高17.5 m，后肋板结构厚度为300 mm，典型胸墙断面为15.09 m3，混凝土量约为545m3，配筋率约为185 kg/m3。

3.5 对比分析

由表1，台阶式沉箱方案相对一期沉箱而言工程量有所减小，但在沉箱高度不变的情况下，受首排仓格悬臂段高度限制，节省工程量有限。

图6 新型箱肋式重力码头结构（方案4）断面及三维模型Fig.6 Section ofnew typebuttresscaisson gravity wharf structure(scheme4)

表1 各方案对比Table 1 Comparison of differentschemes

同样的条件下，以-10 m台阶式基础结合台阶式沉箱方案，其工程量对比常规沉箱结构优势较为明显，每延米混凝土和钢筋量分别减少了30%和46%。但该方案对岩层的整体性、完整性要求较高，锚杆工作量较大，不可预见性较高，对施工要求很高；同时，由于岩面起伏，对施工模板及进度等要求较多，经对比，最终并未选择。

新型箱肋式结构在工程量方面相比常规结构，具有很大优势，相比常规沉箱结构的钢筋和混凝土用量减少21%和22%，相比台阶式沉箱也有11%和14%的优势。其受力形式明确，施工过程相对普通沉箱没有明显区别，配筋方面肋板受拉力控制，使性能能够得到充分发挥，受力合理。

最后，经综合考虑造价、施工质量可控性、施工过程中不确定性以及施工工期等多方面因素，决定采用箱肋式结构或称扶壁式沉箱方案。

4 结语

1）在汉班托塔港二期码头结构的选型中，结合当地地质特性以及干地施工条件，对多种结构类型进行了全面的对比及优化选型，创新的提出了箱肋式重力结构。

2）箱肋式重力结构既有常规沉箱结构整体性好的特点，又利用了扶壁结构的受力特点，充分发挥各构件的受力性能，很好地解决了扶壁结构应用于大型码头结构时受力较大的问题。

3）优化后的箱肋式结构大幅度减小了码头结构工程量，有效降低了工程造价。

4）本文在一定程度上推动了码头结构向降低造价、节约资源、提高资源利用率的方向发展，可为类似码头结构优化设计提供借鉴。

[1]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.斯里兰卡汉班托塔港发展项目二期工程工程地质勘察报告：施工图设计[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2011.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.geological investigation report on Hambantota Port development project phase II in Sri Lanka：Construction drawing design[R].Guangzhou：CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,2011.

[2] 卢永昌，李苏.斯里兰卡Hambantota港口项目港址选择及一期工程设计介绍[J].水运工程，2009（7）：44-48.LUYong-chang,LISu.Site selection ofHambantota Portdevelopment project in Srilanka and introduction of Phase Iproject design[J].Port&Waterway Engineering,2009(7)：44-48.

[3] 王征亮，林佑高，卢永昌，等.混凝土防渗墙在HAMBANTOTA港一期工程中的应用[J].水运工程，2009（7）：173-176，193.WANGZheng-liang,LIN You-gao,LUYong-chang,etal.Application of concrete cut off wall in Hambantota Phase I project[J].Port&Waterway Engineering,2009(7)：173-176,193.