基于均匀设计的沉箱重力式码头抗滑抗倾设计及稳定性分析

郑世武 赵京 天津临港港务集团有限公司

近年来，随着我国国民经济的快速发展，对港口建设的要求越来越高，港口建设规模越来越大、建设速度也逐渐加快。重力式沉箱结构的码头在港口建设中占据相当大的比重。沉箱结构具有一次性出水、施工速度快、水下作业量少、码头整体稳定性好等特点，沉箱结构是重力式码头的主要结构形式，为了保持沉箱结构在施工阶段和后期的稳定运行，重力式沉箱码头施工的关键工序是沉箱的预制、出运和安装。随着沉箱的规模化发展，码头施工不断涌现出新技术、新工艺。对沉箱结构稳定性验算就显得特别重要。本文以一个工程实例介绍重力码头的稳定性计算。

1.项目概况

本项目位于北方某港口，建设3个5万吨级一般泊位(水工结构按10万吨级设计)，岸线总长891m，其中码头岸线长769 m，垂直岸线墙长122m。主体结构采用重力沉箱式，后轨轨道基础作用于沉箱，为钢筋混凝土轨梁结构型式。沉箱长18.77米，宽12.65米，高14.0米，共有12个隔间，单重约1567吨。箱体内回填中粗砂，纵向接缝处设置钢筋混凝土嵌板和混合砾石过滤体。沉箱混凝土强度等级为C40，沉箱后侧基床后肩顶依次铺设0.8m厚二片层垫层、0.8m厚混合倒滤层和二层非织造土工布（400g/m2），在码头胸墙和沉箱接缝处布置混合碎石倒滤体，并在其表面铺设二层非织造土工布。码头后方回填中粗砂（Ø≥32°、含泥量<5%，振冲密实，标贯击数N≥15）。

2.设计条件

2.1 设计水位

高程基准面为当地理论最低潮面。设计高水位为1.21m；设计低水位为-1.50m；极端高水位为2.38m；极端低水位为-2.12m。

2.2 地质条件

根据项目勘察单位提供的勘探报告揭露，地基土按照自上而下的顺序分为以下几层：淤泥质粉质粘土、粗砂、粉质粘土、中砂、粉质粘土、粗砂、粉质粘土、砾砂、含角砾粘土等。

勘察区范围内没有滑坡、泥石流、地裂、崩塌等灾害隐患，区内不存在易发生滑移、坍塌、垮塌崩岸等地质问题。经判断场地内土类型属于中软场地土，场地类别为Ⅱ类，厂区内没有液化地层的存在。场区内地质稳定性较好，适合进行工程建设。

2.3 设计荷载

（1）堆货荷载。码头前沿作业地带按均载q1=30kPa。

（2）装卸机械荷载。采用2台轨距为10.5m的40t-35m多用途门机；钢轨型号：QU80。门机轨道最大荷载按40t-35m多用途门机控制，其主要参数最大轮压300KN；轨距10.5米；基距10.5米；8个轮/支腿，两门机之间最小距离1.5米，轮距约0.765米,两台机之间最小轮距：1.5米。

（3）流动机械荷载。流动荷载主要为40t集装箱平板挂车、80t拖挂车、50t轮胎吊。50t轮胎吊主要性能参数有最大起重量为50t；轮距为2.4m；轴距为3.175m（前、中桥）、1.45m（中、后桥）；支腿横向间距为6.4m、支腿纵向间距为7.0m；一对轮胎的极限反力230kN、一个支腿的极限反力550kN。

3.码头抗倾抗滑稳定性结构验算

本项目的结构计算采用丰海港口工程计算系统（版本号：ver1.09.0420）进行，对重力式码头结构抗滑、抗倾、地基承载力及整体稳定进行计算。

3.1 验算公式

（1）抗滑抗倾稳定验算。抗滑、抗顷稳定验算采用《重力式码头设计与施工规范》（JTS167-2-2009）以下2个公式。

a、抗滑稳定验算

波浪力为主导可变作用时：

b、抗倾稳定验算

波浪力为主导可变作用时：

以上两个公式中：

γ0——结构重要系数，取1.0

γE——土压力分项系数，取1.35（1.25）

γP——波浪力水平力分项系数，取1.30

3.2 验算结果

在各种水位条件下分别进行承载能力极限状态计算，计算结果显示抗倾稳定验算和抗滑稳定验算均满足要求（见表1）。

表1 承载能力极限状态抗倾抗滑稳定性验算结果

4.重力式码头整体稳定性验算

根据勘察报告，码头地基为硬塑粉质粘土及强风化岩，码头整体稳定性验算结果如下，最小抗力分项系数满足规范要求。计算沉箱的稳定性是保证沉箱施工和运营过程中不发生倾覆的重要依据。依据现行规范及码头的设计条件进行稳定分析，计算难度不大，但相对较繁琐。在改变设计参数的时候需要重新计算，工程量比较大，随着计算机技术的发展，已能实现对沉箱的模拟分析，特别是在分析不同工况、压载条件下的浮游稳定性，十分方便高效。可实现三维可视化，使计算结果更加形象生动。

5.小结

沉箱结构是一种非常常见的重力式码头结构型式，本文以实际工程为例，对沉箱码头的稳定性进行了验算分析，对照现行规范满足稳定性要求，并对稳定性验算进行了分析，为类似项目提供参考。