重力式沉箱码头抗倾抗滑稳定性浅析

黄硕彦

(上海海事大学海洋科学与工程学院，上海　201306)



重力式沉箱码头抗倾抗滑稳定性浅析

黄硕彦

(上海海事大学海洋科学与工程学院，上海201306)

重力式沉箱码头是我国分布最广的码头形式之一。近年来，重力式沉箱码头的失事事件时有发生，调查发现，引起失事主要原因是码头结构的抗滑抗倾的稳定性不足。通过厦门港现有的自然环境的分析和拟建港区地形、地质、水文、气象等资料统计，考虑持久组合、短暂组合和偶然组合等作用力组合，对该码头沿沉箱前趾的抗倾、抗滑稳定进行计算，确定厦门港石材泊位码头采用重力式沉箱结构的安全性，并为重力式沉箱码头的结构优化提供技术基础。

重力式沉箱；码头；抗滑稳定

1　问题的提出

我国已经成为世界港口大国,目前在长江三角洲、珠江三角洲、环渤海湾、东南沿海、西南沿海5大区域形成了规模庞大并相对集中的港口群。在我国己建港口的码头形式中,重力式约占1/2以上,且在我国南北各地均有分布。重力式码头结构坚固耐用；抗冻性和抗冰性良好；能承受较大的地面载荷和船舶载荷，对较大的集中载荷以及码头地面超载和装卸工艺变化适应性强；施工简单、维修费用小。重力式沉箱结构是一种巨型的钢筋混凝土空角，箱内用横纵隔墙隔成若干个舱格。沉箱一般在专门的预制场预制，然后在滑道上用台车溜放下水。下水后的沉箱用拖轮拖至现场，定位后用灌水压载法将其沉放在基床上，再用块石和砂填充沉箱内部。目前在建和已建的大型重力式码头中很大一部分是重力式沉箱结构。

但是近年来，重力式码头的失事事件时有发生，调查发现，引起失事的原因很多，主要原因是重力式码头结构的抗滑及抗倾的稳定性不足。如2014年，吴宏[1]等提出长江流域近年出现部分重力式码头的失事现象，经过调查分析可以知道，主要是码头的抗滑和抗倾稳定性在设计中考虑的因素少。抗滑、抗倾稳定性是重力式码头设计中必须要考虑的问题，尤其是沿沉箱前趾的抗倾、抗滑稳定[2]是重力式沉箱码头设计的重要部分。本文以厦门港石材泊位码头为例，结合当地水文、地质条件，对该码头沿沉箱前趾的抗倾、抗滑稳定进行计算，确定厦门港石材泊位码头采用重力式沉箱结构的安全性，并为重力式沉箱码头的结构优化提供技术支撑。

2　工程区域概况

厦门港位于我国东南沿海福建金门湾内，雄踞台湾海峡西岸，扼九龙江入海口，东望宝岛台湾，南北承接珠江三角洲和长江三角洲两大经济圈，地处中国南海至东海、东北亚至东南亚的交通要冲，是中国东南沿海浙江宁波至广东深圳绵延数千公里海岸线上最重要的深水良港之一。

该地区春、夏两季以SE向风为主，秋、冬两季以NE向风为主，每年5—6月下午常有较强的NE或SW向风，平均风力3～4级，最大5～6级，瞬时极大风力可达7～8级。地质勘察资料表明，该区域内土层分布简单，表层为淤泥与流泥，中部为残积土，下部为基岩风化层，可分为全、强、中分化岩，全、强风化岩岩性为粉砂岩，中风化岩岩性以凝灰熔岩为主,局部为粉砂岩。该工程位于厦门港翔安刘五店港区,由于有防波堤的掩护，该区主要为湾内小风区产生的风浪，通常在低风速情况下，均为波高、周期较小的风浪，泊稳条件良好。

3　重力式沉箱码头结构

该工程拟建3个6万吨级石材泊位及相应的港口配套措施。按规范取6万吨级散货船(总长266.0 m，型宽38.1 m，型深20.90 m，满载吃水15.00 m)。码头前沿高程为7.50 m，码头前沿设计底高程为-13.13 m。根据工程地质条件，码头水工建筑物优先选用重力式沉箱码头。

码头沉箱高度16.60 m，底宽16.5 m，取16个长为18.5 m的A型沉箱和1个长为14.2 m的B型沉箱。沉箱内设12个仓格，仓格内回填开山石。抛石基床的平均厚度约1.00 m，沉箱后方填筑10～100 kg块石形成减压棱体，码头后方陆域为回填开山石，抛石棱体与回填开山石之间设置2片石层与混合倒滤层。沉箱构件示意见图1～2。

4　抗倾、抗滑稳定计算

重力式沉箱码头的抗滑、抗倾设计应考虑沉箱整体、沉箱局部(如前趾)的稳定。现行JTS 167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》规定重力式码头承载能力极限状态的持久组合应进行下列计算或验算：①对墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性；②沿基床底面的抗滑稳定性等。本文结合工程实际，开展码头沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性及码头墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性计算。

图1沉箱纵剖面图　单位：mm

图2沉箱横剖面图　单位：mm

4.1作用效应组合

作用效应组合应考虑持久组合、短暂组合和偶然组合，结合该工程实际情况，在码头稳定性验算时考虑了以下作用效应组合[3]：

持久组合1：极端高水位(永久作用)+堆货(主导可变作用)+波谷压力(非主导可变作用)；

持久组合2：设计高水位(永久作用)+堆货(主导可变作用)+波谷压力(非主导可变作用)；

持久组合3：设计高水位(永久作用)+波谷压力(主导可变作用)+堆货(非主导可变作用)；

持久组合4：极端高水位(永久作用)+波谷压力(主导可变作用)+堆货(非主导可变作用)；

短暂组合：设计高水位(永久作用)+波峰压力(主导可变作用)。

4.2沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性计算

考虑波浪作用，堆货土压力为主导可变作用时[3]：

(1)

考虑波浪作用，波浪力为主导可变作用时[3]：

(2)

稳定验算时作用分项系数见表1，抗倾稳定计算的分项系数见表2。

表1　稳定验算时作用分项系数表[3]

各作用的标准值按码头荷载汇总，具体见表3。

表2　抗倾稳定计算的分项系数表[3]

短暂组合情况的计算公式[4]:

γ0γPP≤(γGG-γuPu)f

(3)

码头沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性计算结果见表4。

4.3码头墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性计算

考虑波浪作用，堆货土压力为主导可变作用时[3]：

(4)

考虑波浪作用，波浪力为主导可变作用时[3]：

(5)

各分项系数及各作用的标准值按码头荷载的数值取值见表1、表2。短暂组合情况的计算公式为[3]：

(6)

码头荷载汇总见表3，码头沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性计算见表4～5，码头墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性具体计算见表6～7。

表3　码头荷载汇总表

表4　码头沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性计算表(土压力为主导)

表5　码头沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性计算表(波浪力为主导)

表6　码头墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性计算表(土压力为主导)

表7　码头墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性计算表(波浪力为主导)

对表4～7结果进行分析，可以得到厦门港石材泊位码头的沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性及墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性，具体见表8。

表8　厦门港石材泊位码头抗滑抗倾稳定性汇总表

由表8可知，厦门港石材泊位码头沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性及墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性均满足要求，且抗倾抗力与荷载效应比值较大，稳定性较好。

5　结　论

(1)本文考虑持久组合、短暂组合和偶然组合等作用组合，通过对厦门港石材泊位重力式沉箱码头稳定计算，可知该码头沿墙底面、墙身各水平缝和基床地面的抗滑稳定性及墙底面和墙身各水平缝及齿缝计算面前趾的抗倾稳定性均满足要求。

(2)本文采用分项系数法对重力式码头抗滑、抗倾稳定计算。这种方法是近年来比较经典的重力式码头稳定计算的方法，在大部分重力式码头中得到了较为广泛的应用。

(3)由于影响重力式码头稳定因素比较复杂，故建议在以后的设计计算中，如果条件允许可采用可靠度指标来进行稳定性验算[5]。

[1]吴宏．重力式码头抗滑抗倾稳定性探讨[J]．中华民居，2014(27):177-178.

[2]姜宁林，周鑫强.基于均匀设计的重力式码头抗倾稳定敏感性分析[J].水运工程，2014，6(6)：55-56.

[3]中华人民共和国交通运输部.JTS167-2—2009重力式码头设计与施工规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4]交通部第一航务工程勘察设计院.JTS154-1—2009防波堤设计与施工规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5]贡金鑫，麦远俭，王利欢.重力式码头抗滑、抗倾稳定性可靠指标[J].水利水运工程学报，2008，4(12)：8-10.

(责任编辑姚小槐)

2016-02-22

黄硕彦(1991-)，男，研究生，目前就读于上海海事大学港口航道及近海工程专业。

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