某重力式煤码头设计方案及结构计算

邓艳青 广东省航运规划设计院有限公司

1.项目概况

某工程拟建1个7万吨级煤码头泊位（结构按10万吨级散货船设计预留），码头长366.2m，顶高程8.5m（以当地理论最低潮面为基准，下同），前沿底高程-15.6m。码头采用重力墩式方沉箱结构，水工建筑物的结构安全等级为Ⅱ级。

2.主要设计参数

本工程码头设计参数主要涉及自然条件、靠泊船型及工艺荷载，其中自然条件包括潮位、波浪、水流、风速、工程地质、地震等，靠泊船型包括设计代表船型、兼顾船型及结构预留船型等，具体内容如下：

（1）设计水位。

设计高水位：1.81m（高潮累计频率10%）；

设计低水位：0.08m（低潮累计频率90%）；

极端高水位：3.62m（50年一遇高潮位）；

极端低水位：-0.40m（50年一遇低潮位）。

（2）设计波浪要素（见表1）。

表1 码头前沿设计波浪要素

（3）设计流速。

水流流速按1.05m/s计算，流向与码头前沿线基本平行。

（4）设计风速。

按瞬时9级风设计，设计风速为22m/s，当大于9级风时船舶按要求离开码头至附近锚地避风。

（5）工程地质。

工程场地陆域多为低山丘陵地貌，勘察区海岸地貌为岩质海岸，未发现不良地质作用的影响。

根据钻探揭示地层情况，拟建码头上覆土层为第四系全新统海相或海陆交互相形成的淤泥类土以及砂类土，下伏燕山期花岗岩的风化残积层、全风化岩、强风化岩、中风化岩等。根据工程勘查报告提供的各岩、土层的主要涉及参数及物理力学性质指标、各土（岩）层的容许承载力建议值，确定码头持力层为强风化或局部全风化岩。

（6）地震条件。

工程区域抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35s。

（7）设计船型（见表2）。

表2 设计代表船型及尺度表

（8）工艺荷载。

1）码头面均布荷载：20kPa；

2）桥式抓斗卸船机：基距16m，每腿8轮，轮距1.0m；工作状态和非工作状态最大轮压分别为500kN/轮和550kN/轮，卸船机轨道采用QU120。两台卸船机之间最小距离为2m。

3.码头结构选型

码头结构型式一般根据当地自然条件、使用要求、投资最优、施工工艺和外部协作条件等因素综合决定[1]。

本工程码头所处区域为水下浅滩，水下地形较平坦，水深条件较好。地质钻孔揭示，上覆土层主要是第四系全新统近期海相沉积层、第四系全新统海陆相沉积层、第四系全新统早期海陆相沉积层及第四系更新统残坡积层，以粗砂、粉细砂、淤泥、淤泥质粘土及砾质粘性土为主；下卧硬质土层是燕山期花岗岩，各钻孔均揭露至中风化花岗岩岩面，根据全风化及强风化花岗岩岩层等高线分布图，全风化花岗岩的岩面顶标高约为-18.5～-23.0m，强风化花岗岩的岩面顶标高约为-19.0～-24.5m，埋藏较浅。因此，本工程区域适宜建设重力式码头[2]。

4.码头结构方案

根据总平面布置方案，拟建煤码头采用重力墩式突堤结构[3]，并通过接岸结构与后方陆域连接，码头结构方案如下：

（1）煤码头前沿顶标高8.50m，底标高-15.6m，结构采用重力墩式方沉箱结构，方沉箱长×底宽（含前、后趾）×高=13.5m×27.76m×18.4m。沉箱内用纵横隔墙隔成18个舱格，横向6个舱，纵向3个舱。前、后趾长度均为1m，前壁厚0.38m，后壁厚0.38m，侧壁厚0.355m，隔板厚0.20m，底板厚0.6m，内设20cm×20cm加强角。单个方沉箱的重量为2820t，共用10个沉箱。沉箱在专门的预制场预制，用气囊出运，滚动气囊将沉箱移至半潜驳上下水，潜水驳下沉，当沉箱浮起时，移走潜水驳。沉箱定位后用灌水压载法将其沉放在整平好的基床上，再用级配块石充沉箱内部。

（2）码头持力层为风化岩层或砂层。基槽挖至-18.0～-22.5m，基槽开挖时，全风化基岩边坡为1:1，粗砂类为1：2.5，淤泥类土的开挖边坡为1:4。基槽开挖后用10～100kg块石抛填形成安放沉箱的基床。基床顶标高-16.1m，基床厚度在4.4m～6.6m，基床顶放置一列厚0.5m的栅栏板来防止基床顶部受淘刷。

（3）沉箱的上部结构为现浇C40钢筋混凝土胸墙，每个沉箱上浇注一块钢筋混凝土胸墙，胸墙顶标高为8.50m、底标高为1.9m，底部嵌入沉箱0.40m。胸墙外侧设置检查孔，以方便轨道梁的检修。胸墙内腔回填1～100kg块石，路面结构从下往上分别为厚300mm碎石垫层，厚400mmC30钢筋混凝土路面层。胸墙前沿设置高度0.25m的护轮坎。

（4）两沉箱间用预应力T型梁及轨道梁连接，搭接长度为2m。预应力T型梁长22.7m，高2.5m，单件重74t，皮带机廊道立柱支撑于T型梁上。轨道梁采用钢箱梁结构，设计梁长22.7m，梁高3m，其中2.6m为钢箱梁，梁顶部设置 400mm厚的C50混凝土铺装层，铺装层混凝土在箱梁固定端与墩台上部胸墙混凝土连结成整体，另一端设置伸缩缝与墩台上部胸墙断开。钢箱梁固定端与顺桥向活动端分别通过固定球型支座与单向活动球型支座固定在胸墙上，钢箱梁单件重量为72t。

（5）码头通过长53.4 m、宽14.3m引桥与陆域相连，引桥分为高桩墩台、高桩梁板引桥段及简支板跨三部分。其中高桩墩台长×宽×高=7.5m×14.3m×4.12～4.43m，桩基采用1500mm钻孔灌注桩，桩长约34m，入强风化岩4m，采用2个排架，排架间距4m，共5根桩。高桩梁板段长20.8m，采用3个排架，排架间距7.15m，桩基同样采用1500mm钻孔灌注桩，每个排架采用3根桩，桩基间距为7m、4.45m，简支板跨为预制简支板，长×宽=6.398m×1.72m。

（6）橡胶护舷、系船柱和门机轨道（有轨道梁）设施等附属设施设置在胸墙上。橡胶护舷采用SC1450H两鼓一板橡胶护舷，设置于胸墙临水面，每个胸墙结构段安装一组（接岸段胸墙不设橡胶护舷）和1500kN系船柱一个。

5.码头结构计算

5.1 外力计算

本工程码头外力计算主要包括船舶荷载、波浪力、土压力、地震惯性力等，具体计算如下：

1）船舶系缆力（见表3）。

表3 船舶系览力计算表

根据规范《港口工程荷载规范（JTS144-1-2010）》，10万吨级船舶系缆力不小于1000kN，结合相邻工程使用经验，本工程煤码头选用1500kN系船柱。

2）船舶撞击力。

1）船舶靠泊时的撞击力（见表4）

表4 船舶撞击能计算表

2）系泊船舶在波浪作用下的撞击力（见表5）

表5 系泊船舶在横浪作用下的撞击能计算表

根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010），计算船舶靠泊时产生的有效撞击能，并选择合适的防冲设施。本工程煤码头选用SC1450H二鼓一板橡胶护舷，形变达到52.5%时的吸能量和反力分别是1192kJ、1872kN。

3）船舶挤靠力。

经计算，相对于船舶撞击力，船舶挤靠力要小得多，可不作控制性外力考虑。

4）波浪力：设计波浪要素取50年一遇的波浪，计算水位为相应的水位，并根据《港口与航道水文规范》（JTS145-2015）相关规定计算。

5）土压力：根据《码头结构设计规范》（JTS167-2018）相关规定计算。

6）地震惯性力：根据《水运工程抗震设计规范》（JTS146-2012）相关规定计算。

5.2 作用与作用效应组合

煤码头作用主要包括自重、船舶荷载、均布荷载、流动机械荷载、波浪力等。各作用效应按照可能在码头结构出现的情况进行组合，包括不同水位下相应的持久状况、短暂状况及地震作用。

1）持久状况。

组合一：自重力+波浪力+（堆载）

组合二：自重力+撞击力+（堆载）

组合三：自重力+系缆力+（堆载）

组合四：自重力+系缆力+卸船机轮压荷载（工作状态）+皮带机廊道荷载

组合五：自重力+撞击力+卸船机轮压荷载（工作状态）+皮带机廊道荷载

组合六：自重力+波浪力+卸船机轮压荷载（非工作状态）+皮带机廊道荷载

以上六种组合的设计水位为极端高、极端低水位和设计高、设计低水位。

2）短暂状况。

1）有波浪作用、墙后尚未回填时，已安装的沉箱（或圆筒）在波浪作用下的稳定性；

2）有波浪作用、胸墙后尚未回填或部分回填时，胸墙及沉箱（或圆筒）在波浪作用下的稳定性。

3）地震状况。

组合一：自重力+卸船机轮压+50%系缆力+（50%堆载）+地震惯性力

组合二：自重力+墙后填料地震土压力+50%系缆力+（50%堆载）+地震惯性力+地震动土压力

地震状况下水位为设计高水位和设计低水位。

5.3 结构计算

码头结构主要计算内容：墙底面和墙身各水平缝面前趾抗倾稳定性；沿墙底面和墙身各水平缝抗滑稳定性；沿基床底面抗滑稳定性；基床和地基承载力；码头整体稳定性[4]。

拟建重力式煤码头结构计算结果详见表6，经计算，在持久状况及偶然状况（地震）下，码头抗滑及抗倾稳定性、基床及地基承载力均满足规范要求。

表6 码头结构计算结果

6.码头施工流程

本工程码头及接岸引桥为常规结构，施工技术成熟，具体施工流程如下：

（1）码头施工流程[5]。基槽开挖、沉箱预制、T 型梁、轨道钢箱梁预制→基床抛石、夯实整平→沉箱出运、安装→沉箱内回填→现浇胸墙→T 型梁、轨道钢箱梁的安装→码头面层浇注→附属设施的安装→装卸设备安装→码头工程完工。

（2）接岸引桥施工流程。灌注桩施工→墩台浇注、引桥梁板浇注→T型梁安装→面层浇注。

7.结论

根据自然条件和使用要求合理确定结构型式，并按照规范标准严格开展结构计算，是保证码头功能正常发挥的关键。本文所介绍的重力式煤码头采用重力墩式方沉箱结构，在建成之后，整体运行状况良好，可满足结构安全和使用要求，码头结构设计方案及计算方法可为类似工程实践提供参考。