宁波某内河港口作业区码头工程水工结构设计方案研究

陈晨 全裕龙 杭州港湾交通设计咨询有限公司

1.工程概况

宁波某内河港口作业区码头工程位于余姚市姚江北岸，本工程为东港区2#作业区一期码头工程，新建5个500吨级泊位（水工结构按1000吨级预留)，包含3个散货泊位和2个件杂货泊位，泊位总长308m，码头可使用作业岸线308m。码头预测吞吐量为140万吨/年，设计通过能力为185万吨/年。码头配套建设堆场、道路及生产生活辅助建筑等设施。本文主要对该项目码头水工的建设自然条件、结构方案、结构方案论证和比选等方面进行介绍。

2.设计条件

2.1 设计水位、代表船型及主尺度

2.1.1 设计水位

本区域水域属于平原内河水网，常年流速平缓。现与杭甬运河宁波段相统一，取用杭甬运河宁波段初步设计资料及《余姚市防洪排涝规划修编报告》（2016年）相关资料，根据《河港总体设计规范》[1]4.3.1 规定并结合本工程码头实际情况，码头设计高水位按航道最高通航水位取值，设计低水位取航道设计最低通航水位。本工程设计水位如下（85国家高程系）：设计高水位（设计最高通航水位）：1.13m，设计低水位（设计最低通航水位）：0.33m，校核高水位：2.48m，常水位：0.92m。

2.1.2 设计代表船型

本码头泊位等级为500吨级，其中码头结构按停靠1000吨级船舶进行设计，设计代表船型尺度见表1。

表1 设计代表船型尺度表[2]

2.1.3 主尺度

本码头采用半挖入顺岸式布置，综合考虑码头前沿现状，本工程码头沿现有防洪堤平均挖入9m，自西向东共布置5个泊位，依次为3个散货泊位和2个件杂货泊位，码头使用岸线长度为308m。码头前沿停泊水域布置于码头外侧，码头前沿线距航道中心线最近距离约91m，满足浙江省航道管理条例中建筑物外边线与航道中心线最小距离应当为该航道等级标准船宽的五倍的要求[3]。码头前沿压顶设计顶高程：3.50m；护轮坎顶高程：3.75m；码头前沿设计河底高程：-2.87m；码头长度：308m；衔接翼墙长度：109.8m。

2.2 设计荷载

（1）人群荷载标准值：3.5kPa。

（2）均布荷载标准值：距离码头前沿20m内均布20kPa；20m以外均布60kPa。

（3）起重运输机械荷载标准值：①10t固定式起重机：倾覆力矩M=220t·m；垂直力G=100t；水平力H=10t。②45t轨道式龙门起重机：轨距40m，基距16m，起重量450kN，最大腿压（轮压）为1500kN（250kN），轮距750mm。

（4）船舶荷载：①船舶系缆力标准值：按水流力和9 级风风速22m/s共同影响计算，并结合《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）相关规范计算。②船舶撞击力标准值：船舶靠岸时有效撞击能量为53.49kJ。

3.结构方案的设计

常见的内河码头结构型式主要有重力式、高桩式和板桩式结构。根据本工程区的水文、地质条件及码头的作用荷载，结合内河码头施工和使用经验，本工程码头结构考虑了两个方案：结构方案一为低桩承台重力式结构，结构方案二为高桩梁板式结构。

3.1 码头结构方案一（低桩承台重力式结构）

低桩承台重力式结构方案：上部为衡重式C25砼墙身、C30砼压顶，底板为700mm厚C30现浇钢筋砼，其下为100mm厚C15素混凝土垫层和200mm厚级配碎石垫层，墙后为抛石棱体及回填宕渣[4]。考虑桩土共同承载，桩基采用φ800mm钻孔灌注桩，桩顶与底板相连。由于工程所处位置地质条件较差，需对码头区域进行软基处理，采用φ700mm双头水泥搅拌桩。

3.2 结构方案二（高桩梁板式结构）

码头主要由桩基、横梁、纵梁和面板几部分组成。平台下方共设置2排φ1000mm钻孔灌注桩，横向桩间距为4.5m；桩顶为现浇横梁，其前沿设置靠船构件，靠船构件之间设置水平撑连接；横梁上方为预制纵梁，直接搁置于横梁上方；纵梁上方为预制面板，厚约25cm，其上方设置20cm厚的现浇铺装层。

码头平台后方接岸处设置一座3.5m高的重力式挡土墙：挡墙压顶采用C30砼浇筑，顶部与码头平台齐平；墙身采用C25砼浇筑，底板采用C30钢筋砼结构，其下方设置100mm厚的C15素砼垫层，墙后为抛石棱体和回填宕渣。考虑桩土共同承载，桩基采用φ800mm钻孔灌注桩，桩顶与底板相连。由于工程所处位置地质条件较差，需对码头区域进行软基处理，采用φ700mm双头水泥搅拌桩。

4.结构方案的比选与确定

4.1 结构方案的比选

4.1.1 码头结构方案一（重力式结构）的优缺点

方案一的优点如下：1）结构坚固，耐久性强；2）能承受较大的地面荷载和船舶荷载，对地面超载和工艺变化适应强；3）施工比较简单，维修费用少[5]。

方案一的缺点如下：1）砂、石料用量较多；2）对地基的承载力要求高。

4.1.2 码头结构方案二（高桩梁板式结构）的优缺点

方案二的优点如下：1）码头施工开挖土方量较少；2）疏浚对码头结构影响较小；3）对航道行洪影响较小。

方案二的缺点如下：1）对地面超载和装卸工艺变化的适应性差[5]；2）耐久性不如重力式码头，构件易损坏且难修复；3）高桩平台与两侧现有防洪堤结构衔接较为麻烦；4）接岸结构处理不当时易发生竖向位移、变形、开裂等现象；5）施工相对复杂，结构造价相对较高[6]。

4.1.3 方案比选结果

综合比较，从码头运营效率及后期维护成本等各方面综合考虑，决定以方案一：低桩承台重力式结构作为确定方案。

4.2 码头结构方案的确定

码头低桩承台重力式结构具体方案如下。

4.2.1 散货泊位码头结构

散货泊位码头采用低桩承台重力式结构，码头墙身上部采用C30砼压顶，宽1.2m，高1.0m；墙身采用C25砼结构，底宽3.20m，高5.37m；下部采用C30钢筋砼底板，宽4.4m，厚0.7m；底板下部设置100mm厚C15素砼垫层和200mm厚级配碎石垫层；基础采用φ800mm钻孔灌注桩，桩长37m，断面桩间距2.6m，沿码头长度方向上的桩间距为3.0m（部分结构段桩基纵向间距为3.1m），桩顶伸入底板100mm；墙身后方采用抛石棱体回填，抛石棱体上方设置倒滤结构，分别为300mm厚碎石层、200mm厚粗砂层及U400g无纺土工布，最后采用回填宕渣分层压实，面层进行硬化处理[7]。

4.2.2 固定式起重机基础结构

固定式起重机基础采用低桩承台重力式结构，码头墙身上部采用C30钢筋砼基础，宽5.2m，高2.5m；起重机基座高出码头面0.5m，起重机中心距离码头前沿3.0m。码头墙身采用C25砼结构，底宽约5.49m，高3.87m；下部采用C 30 钢筋砼底板，宽6.7m，厚0.7m；底板下方设置100mm厚C15素砼垫层和200mm厚级配碎石垫层；基础采用φ1000mm嵌岩灌注桩，断面桩间距4.3m，沿码头长度方向上的桩间距为3.0m，桩顶伸入底板100mm，桩端进入中风化岩层不小于2倍桩径；墙身后方采用抛石棱体回填，抛石棱体上方设置倒滤结构，分别为300mm厚碎石层、200mm厚粗砂层及U400g无纺土工布，最后采用回填宕渣分层压实，面层进行硬化处理[8]。

本工程1#、2#泊位装卸设备分别采用负吸机及螺旋卸船机，由于负吸机及卸船机具体型号和荷载参数暂未确定，现阶段卸船机基础考虑与固定式起重机基础结构相同。

4.2.3 件杂货泊位码头结构

件杂货泊位码头采用低桩承台重力式结构，码头墙身上部采用C30砼压顶，宽1.65m，高1.0m，其后设置前沿轨道梁，宽0.7m，高lm，轨道梁中心距离码头前沿2m；墙身采用C25砼结构，底宽3.70m，高5.77m；下部采用C30钢筋砼底板，宽4.9m，厚0.7m；底板下部设置100mm厚C15素砼垫层和200mm厚级配碎石垫层；基础采用。1000mm嵌岩灌注桩，断面桩间距3.0m,沿码头长度方向上的桩间距为4.5m，桩顶伸入底板100mm，桩端进入中风化岩层不小于2倍桩径；墙身后方采用抛石棱体回填，抛石棱体上方设置倒滤结构，分别为300mm厚碎石层、200mm厚粗砂层及U400g无纺土工布，最后采用回填宕渣分层压实，面层进行硬化处理。

4.2.4 后侧轨道梁结构

后侧轨道梁采用连续梁结构，轨道梁呈倒T型设置，上梁宽0.7m，高1.2m，下梁宽1.5m，高0.5m，梁下方设置100mm厚C15素砼垫层和200mm厚级配碎石垫层，基础采用φ1000mm嵌岩灌注桩，纵向桩间距为4.5m，桩顶伸入底板100mm，桩端进入中风化岩层不小于2倍桩径。

4.2.5 衔接翼墙结构

衔接翼墙位于码头两端，用于衔接新建码头和两端现有防洪堤。翼墙同样采用低桩承台重力式结构，其上部结构基本与散货泊位码头结构保持一致，下部桩基采用φ800mm钻孔灌注桩，桩长36m，断面桩间距2.6m，沿码头长度方向上的桩间距为3.0m。翼墙段结构面层仅考虑前沿5m范围内进行硬化处理，作为防汛抢险道路；道路后方设置斜坡自然过渡至现状地面，斜坡段上方回填500mm厚的耕植土，表面种植绿化。

4.2.6 翼墙与现状防洪堤衔接结构

本次新建码头通过两侧衔接护岸段与原有防洪堤衔接，由于现状堤顶道路应急通车需要，考虑护岸前沿线与防洪堤堤顶线齐平处理。由于目前暂无现状防洪堤结构断面图，本次设计数据均以业主提供的地形图为准，具体情况应以施工单位实际施工时现场踏勘用量为准。衔接护岸段外立面为竖直面，防洪堤外立面为斜面，同时根据了解防洪堤为内部填土和外部浆砌块石护面结构，因此本工程施工时先在衔接处打入拉森钢板桩挡土，如当地土层参数较差，可在拉森钢板桩外侧加打φ600mm的钢管桩加固，待挡土完成后再在护岸段挡墙外侧抛填粘土或块石至斜面与防洪堤结合良好，最后设置浆砌块石护坦。

5.工程技术重点

5.1 施工工序安排

本工程施工环节较多，包括水泥搅拌桩地基处理、基坑开挖、桩基施工、围堰施工、混凝土浇筑、疏浚工程等等，需要注意与现有防洪堤的衔接，考虑到码头与后方场区由不同的单位进行设计和施工，交叉内容较多，施工过程中对施工先后顺序进行合理安排，否则不仅会影响工期，还会对码头的整体安全带来不同程度的隐患。

根据本工程的施工工程量和工程特点，本工程主要施工工序如下：

围堰→降低施工区域内水位→码头基础开挖→桩基施工→浇注钢筋砼底板→墙身浇筑及墙后抛石棱体逐步回填→预埋件埋设→码头面层结构施工→码头附属设施安装、调试→拆除围堰放水→用水上挖泥船将码头前沿河道开挖到设计底标高。

5.2 码头基坑开挖注意事项

码头基坑开挖需分段进行，开挖弃土必须及时外运，部分符合回填土质量要求的土方应临时堆放在基坑顶坡线20m以外，且堆土高度不得超过1.5m。基坑开挖时必须做好排水和支护措施。本工程基坑开挖深度超过5m，施工单位应结合施工时的实际情况制定相应的深基坑支护方案，并应进行专项审查，审查通过方可实施。

5.3 灌注桩的质量控制

灌注桩的质量控制是本工程的重点也是难点。灌注桩的施工应严格按照设计文件及相关规范要求执行。灌注桩采用现浇C30水下砼，浇筑时应连续灌注，为保证桩身砼浇筑质量，浇筑桩顶砼时应超浇0.8m～1.0m，每根灌注桩桩底沉渣厚度均不得超过100mm。桩基完成后依据桩基检测规范对灌注桩进行质量评定.

5.4 水泥搅拌桩的质量控制

水泥搅拌桩的质量控制是本工程新建码头的一个重点，将直接影响到重力式码头结构的整体稳定安全。参考当地的施工水平，一般单头水泥搅拌桩的有效处理深度约为 12m，而且深度越深，处理效果越差。考虑到工程区域淤泥质土层深度较大，为确保施工质量能够达到设计要求，本工程考虑采用φ700mm 的双头水泥搅拌桩，正式施工前应按施工组织设计确定的搅拌桩施工工艺打设数根试桩，以最后确定水泥的掺合量、外加剂、水泥浆的水灰比、泵送时间、搅拌机提升速度等；必须保证桩身质量与桩的入土深度。搅拌桩施工中需进行全桩长的复搅，要防止桩体上下喷浆不匀、下部水泥剂量不足、上下部强度差异大等问题。水泥搅拌桩的质量控制应贯穿在施工的全过程，并应进行全程的施工监理。

6.总结

低桩承台重力式结构和高桩梁板式结构是近年来码头工程中使用最多的两种水工建筑物结构型式。在对码头水工建筑物设计时，在结构验算满足规范要求的前提下，应该综合考虑施工工期要求、工程造价、使用要求等方面的要求，对结构进行比选择，进而保障工程实施的可靠性和经济性。