某海工基地码头水工结构设计及方案比选

许欣欣

摘要 高桩码头是应用相对广泛且工艺成熟的码头结构形式，需综合技术、经济、使用和外部要求等进行方案比选。文章以某海工基地码头为例，由于工程地质条件复杂，水工结构设计难度大，在综合考虑工程地质特点、码头功能需求等方面后，鉴于施工环保、工程工期等要求，比选出可有效缩短工期、降低对海域周边环境影响以及节约工程造价的设计方案，以期为同类工程提供借鉴参考。

关键词 水工结构；高桩码头；桩基；方案比选

中图分类号 U656.113文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0026-04

0 引言

高桩码头是应用相对广泛且工艺成熟的码头结构形式。该结构使用期沉降较小、透空性较好，对水流及原有地形的影响较小。桩基上部结构可采用预制装配式，以加快施工进度。高桩码头的桩基适应不同的地质条件，常用的桩型包括高强度预应力混凝土管桩、组合管桩、钢管桩、钻孔灌注桩等，需综合技术、经济、使用和外部要求等进行选择。

1 工程概况

某海工基地为满足建筑材料运输以及结构件出运需求，建设材料码头及引桥1座、出运码头及引桥1座。其中，材料码头设置1个2 000吨级泊位，出运码头设置1个2 000吨级泊位和1个工作船泊位（兼顾半潜驳）。工程所有水工建筑物安全等级均为二级，设计使用年限为50年。

2 设计条件

2.1 设计船型

该工程材料码头主要运输采购的砂石料、水泥、钢筋等原材料，停靠泊散货船和杂货船；出运码头服务于钢筋等件杂货的运输，并供拖轮等工作船停靠，兼顾桶式基础结构件的出运。根据规范[1]和业主指定船型数据，工程设计船型及其主尺度如表1所示。

2.2 设计水位

（1）设计高水位：2.15 m（高潮累计频率为10%）。

（2）设计低水位：?1.77 m（低潮累计频率为90%）。

（3）极端高水位：3.49 m（50年一遇极值高水位）。

（4）极端低水位：?2.59 m（50年一遇极值低水位）。

（5）100年一遇高水位：3.63 m。

（6）10年一遇高水位：3.17 m。

2.3 工艺荷载

工程工艺荷载如表2所示。

2.4 工程地质

2.4.1 出运码头

根据地勘揭露的地层情况：

（1）灰白色花岗岩强风化层及其以上岩土层，工程地质性质普遍较差，且埋深较浅，分布不稳定，均不适宜作为拟建工程的桩基持力层。

（2）灰白色花岗岩中等风化层工程地质性质良好，是拟建区良好的基础持力层，也是拟建码头区良好的桩基持力层。

2.4.2 材料码头

根据地勘揭露的地层情况：

（1）灰色淤泥质粉质黏土层及其以上岩土层，工程地质性质普遍较差，且埋深较浅，分布不稳定，均不适宜作为拟建工程的桩基持力层。

（2）草黄色粉质黏土、灰色含砾粉质黏土层，工程性质一般，但其埋深太浅，顶板起伏较大，厚度较薄，不宜作为擬建码头的桩基持力层。

（3）灰黄色中砂混黏性土、灰白色花岗岩强风化层，工程地质性质良好，但该层在拟建区域分布不均匀，仅零星发育，不宜作为拟建码头的桩基持力层。

（4）灰白色花岗岩中等风化层工程地质性质良好，是拟建区良好的基础持力层，也是拟建码头区良好的桩基持力层。

3 设计方案

3.1 设计原则

综合考虑工程的建设目标、水文与地质条件、使用要求及技术依托等因素，确定水工结构设计原则如下：

（1）码头结构应服从平面的总体布置，满足装卸工艺要求，便于船舶的安全系靠泊操作，满足装卸作业的要求。

（2）码头的结构型式应适应工程位置的地质、潮流、波浪的自然条件，结构经济合理。

（3）码头结构方案应考虑施工方案及当地设备的能力，确保码头施工期安全，尽可能减少施工难度。

（4）采取的工程技术措施，应满足水工结构50年使用年限要求。

（5）码头结构方案应满足当地的岸线及规划要求。

3.2 结构选型

根据自然条件不同，水工结构常用桩基或者重力式的结构型式。重力式结构适用于场地较弱覆盖土层较薄、良好持力层埋深较浅的地质条件，具有结构整体性好、结构坚固耐久、维修量小、施工简单等优点，尤其是对砂石料资源丰富的地区更为适合，可以降低工程造价[2]。桩基结构多适用于场地软土层较厚、下卧良好持力层的地质条件，桩基结构上部结构自重较轻，利用长桩可达到较深的硬土层，使用期结构沉降较小、透空性较好、对水流及原有地形的影响较小，桩基结构型式的上部结构可采用预制装配式，以减少现场工作量，加快施工进度。

该工程拟建区域的水流流速较大，流态较为复杂，重力式结构对流态影响大，会对船舶系靠泊产生不利影响；工程范围基岩起伏较大，重力式结构的基床施工难度大、工程量大，且受到用海及生态岸线政策的影响，实体式重力式结构不适合该工程。经综合研究，该工程水工结构型式拟选用桩基结构型式。

3.3 桩基选型

高强度预应力管桩的单桩承载力较高、抗弯能力有限、自身混凝土密实性较好、相对造价较低，易受桩基自重等影响，若管桩长度较大，对打桩及吊运设备的要求较高。钢管桩相对于混凝土管桩，桩身的抗弯抗拉能力强、自重轻、耐锤击性能好，适用于外海深水、自然条件较差的区域，受防腐措施等因素影响，钢管桩造价相对较高。钻孔灌柱桩的单桩承载能较高，可承受一定的水平荷载，抗弯能力可以通过调整桩径及配筋满足要求。对于因水深较浅，且有一定环境保护措施的情况，可在无法利用打桩船沉放预制桩的区段，使用该种桩型[3]。

根据该工程的地质情况，为满足桩基的抗弯、抗压、抗拔要求，桩基持力层需考虑嵌岩。根据出运码头钻孔资料，桩基持力层若采用强风化岩层，入土深度短，其桩基承载力难以满足规范要求，因此其桩基需以中风化岩层作为持力层。考虑预制桩穿过强风化岩层难度较大，综合考虑，出运码头的设计桩型宜采用钻孔灌注桩嵌岩。根据材料码头钻孔资料，桩基持力层若采用中风化岩层，入土深度深，且只有较薄的强风化岩层，综合考虑，材料码头的设计桩型宜采用钻孔灌注桩嵌岩及钢管桩嵌岩。

3.4 结构方案

按前述码头结构设计原则，结合总平面和装卸工艺方案，参考国内外已建工程的成功建设经验，考虑两个方案进行码头结构的设计比较，分述如下：

3.4.1 结构方案一

（1）出运码头。出运码头水工建筑物主要由码头平台、出运平台、系缆墩、靠船墩及引桥组成。其中，码头平面尺度为142.5 m×20 m（其中出运平台平面尺度为82.5 m×20 m），系缆靠船墩平面尺度为10 m×10 m，引桥平面尺度为28 m×30 m，顶高程均为+4.0 m。

码头平台采用高桩梁板结构，上部结构由现浇横梁、预制纵梁和迭合面板组成。桩基采用Φ1300 mm钻孔灌注桩嵌岩，桩长为18～21 m；码头排架间距为7 m，每榀排架布置4根直桩。

考虑出运工艺及现状场地情况，出运平台及引桥采用高桩墩式结构，墩台厚度为2.5 m，桩基采用Φ1400 mm钻孔灌注桩嵌岩，均为直桩。出运平台下设52根Φ1400 mm钻孔灌注桩，桩长为24～25 m；引桥下设25根Φ1400 mm钻孔灌注桩，桩长为17～24 m。

系缆靠船墩采用高桩墩式结构，墩台厚度为2.5 m，桩基采用Φ1400 mm钻孔灌注桩嵌岩，均为直桩。系缆靠船墩下设5根Φ1400 mm钻孔灌注桩，桩长为25～26 m。

（2）材料码头。材料码头水工建筑物主要由1座码头及1座引桥组成。其中，码头平面尺度为125 m×22 m，引桥平面尺度为55 m×13 m；码头顶高程为+5.5 m，引桥顶面高程为+5.5 m。

码头采用高桩梁板结构，上部结构由现浇横梁、预制纵梁和迭合面板组成。北侧结构段桩基采用Φ1300 mm钻孔灌注桩嵌岩，桩长为31～50 m，码头排架间距为7 m，每榀排架布置5根直桩。南侧结构段桩基采用Φ1000 mm钢管桩，壁厚为20 mm，桩长为46～62 m，码头排架间距为7 m，每榀排架布置5根桩。

引桥采用高桩梁板结构，近码头侧排架上部结构由现浇横梁、预制空心板组成。桩基采用Φ1000 mm钻孔灌注桩嵌岩，桩长为31 m，排架间距为13.2 m。近陆侧排架上部结构由现浇横梁和迭合面板组成。桩基采用Φ1000 mm钻孔灌注桩嵌岩，桩长为22～31 m，排架间距为6.2 m。引桥每榀排架布置3根直桩。引桥与码头连接处的空压站平台采用高桩墩式结构，墩台厚度为2.0 m，桩基采用Φ1000 mm钻孔灌注桩嵌岩，均为直桩，桩长为47 m。

3.4.2 结构方案二

（1）出运码头。同3.4.1结构方案一的出运码头。

（2）材料码头。码头平面布置型式及尺度同方案一。南侧码头采用高桩梁板结构，上部结构由现浇横梁、预制纵梁和迭合面板组成。桩基采用Φ1300 mm钻孔灌注桩嵌岩，桩长为49～64 m，码头排架间距为7 m，每榀排架布置5根直桩。

4 水工结构主要构件计算成果

水工结构计算方法参照《港口工程荷载规范》（JTS 144—1—2010）[4]《码头结构设计规范》（JTS 167—2018）[5]《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS 151—2011）[6]等相关规范，采用易工水运工程结构CAD集成软件的相关模块计算。主要构件计算结果如表3～5所示。

5 结构方案比选

该工程水工结构两个方案主要区别在材料码头南侧段码头平台的桩基型式与布置的不同。

结构方案一：桩基采用Φ1 000 mm钢管桩，壁厚为20 mm，桩长为46～62 m，码头排架间距为7 m，每榀排架布置5根桩。

结构方案二：桩基采用Φ1300 mm钻孔灌注桩嵌岩，桩长为49～64 m，码头排架间距为7 m，每榀排架布置5根直桩。

水工结构方案比较详见表6所示。

经上述综合比选，结构方案在技术上均可行，都具备成熟的设计施工经验。考虑结构的经济及施工便捷等因素，该次设计水工方案推荐方案一。

6 结语

由于工程地质条件复杂、水工结构设计难度大，在综合考虑工程地质特点、码头功能需求等方面后，鉴于施工环保、工程工期等要求，通过方案比选，采用钢管桩可有效缩短工期，降低对海域周边环境的影响，节约工程造价。该工程的水工结构设计思路可为后续相关工程设计提供参考。

参考文献

[1]海港总体设计规范： JTS 165—2013[S]. 北京：人民交通出版社， 2014.

[2]杨文. 重力式码头结构设计比选分析[J]. 珠江水运， 2013（13）： 28-30.

[3]羅年生. 高桩码头桩基设计关键技术环节[J]. 水运工程， 2018（8）： 76-79+91.

[4]港口工程荷载规范： JTS 144-1—2010[S]. 北京：人民交通出版社， 2010.

[5]码头结构设计规范： JTS 167—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[6]水运工程混凝土结构设计规范： JTS 151—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.