重力式码头结构的选型研究

吉增光

（河北省水运工程规划设计院，天津 300074）

1 引言

经济的不断发展使各类大型工程不断兴建，其设计使用年限久，使得工程在建成后，随着时间的流逝容易受到环境的侵蚀，导致各种载荷作用发生变化，如果不对其进行维护，将会让土木工程的基础设备状态趋向劣化。近年来，由于结构损伤所引起的土木工程事件频发，在发生事故前，很多的结构会出现裂缝，导致应力增加。在重大的工程结构中，对结构的选型十分重要。我国的港口体系分布合理，相对集中，按照结构形式分为重力式、板桩式、高桩式和混合式，大多数以重力式码头结构形式为主，因为该结构形式坚固、耐久、抗冻、抗冰、承受力强、适应性强、施工简单、成本低。因此，本文以重力式码头结构为研究对象，分析重力式码头结构在选型方面以及结构加固方面的应用。

2 工程概况

2.1 物理力学指标

以青岛港为例，1～5#泊位工程是设计的主要项目，其中，1#和2#为2 万吨级泊位；3#为10 万吨级泊位；4#和5#为5 万吨级泊位。整个码头分为1～5 层，3～5层土基主要物理力学指标见表1。

表1 土基物理力学指标

在泊位工程的基础之上，再拟建1 座煤炭码头和重件码头，两个码头之间通过实体引堤进行桥接，如图1所示。建筑物的结构安全等级为A，结构系数为1.0，使用年限为40 年，设计水位如表2 所示。

图1 工程平面布置示意图

表2 设计水位

2.2 设计波浪要素

码头过渡段的设计载荷中，流动机械的载荷分别为20t 和25t；波浪载荷需要通过各工况下的物理模型试验得出。设计波浪的要素如表3 所示。

表3 设计波浪要素

3 码头结构选型

3.1 影响码头结构的因素

对于重力式码头结构起到控制作用的因素较多，但从码头的结构而言，分为基础宽度、方块尺寸、胸墙尺寸、卸荷板厚度等；回填材料分为高程和力学；荷载分为种类、位置以及使用范围等；此外还有工程地质条件、冰荷载以及地震力等因素。根据多年的实践经验可以得到，对于重力式码头结构的选型，也存在一定的规律性。就基础宽度而言，根据使用码头的条件，将整个河床分为中粗砂、细砂以及岩石，因为地层的结构简单，地理位置好，且承载力较强，因此整个码头的结构符合抗滑和抗倾的使用条件，可以进行建筑物的范围设定。同时，回填材料也符合设计需求，资源方面充足，各方面都符合规范。载荷确定，船型设计单一作为推广船型，码头的装卸机械要做到灵活；冰荷载，在结构选择时需要考虑到，可以采用接触流冰部位镶嵌钢板予以解决。因此，在工程实践时，对于重力式码头结构的优化，需要考虑到多种因素。

3.2 结构方案设计

对重力连片式和高桩离岸式两种结构进行技术对比，如表4 所示。

表4 两种结构优缺点对比

结果显示，在载荷和工艺的适应、1#～3#的舒适性、陆域形成面积、结构耐久性、安全风险、砂石需求量、结构造价等7 个影响要素中，重力连片式的结构占据优势较多，符合重力式结构的选择需要。

斜坡式结构的堤顶宽20m，高16.8m，坡比1∶1.5，堤顶设有防浪墙，高11.7m。

直立堤所用结构为沉箱，尺寸为24.5m×18.66m×19m，单个沉箱最大吨位为3885t，采用中粗砂进行回填。沉箱顶部高程为1.5m，通过在上方设置防浪墙，可以提高结构的安全性。沉箱采用暗基床结构，两侧泥面按照1∶2 进行防渗，基床上放置实体沉箱，并在沉箱的两侧使用栅栏板压制，如图2 所示。

图2 直立堤式结构剖面

3.3 结构选型设计

码头区强风化花岗岩高程为-44～-62m，适合采用高桩结构进行设计，在进行工程建设时，配套的政策与产业的发展无法完成融合，码头对货种和使用载荷要求较高。此外，由于1#和2#为危客货滚装船，3#为邮轮，在进行总平面图设计时，要尽量让建筑物靠近码头的前沿，上下船设计要降低码头面高程，以提高运营的安全性。滚装船和集装箱结构设计要具有良好的耐久性，避免过于频繁的维修导致停运。对于深水重力式码头，首选岩基作为底层，在本设计工程中，码头区的岩面埋藏隐蔽，在选择持力层时，需要重视基槽开挖的缺陷，对工作量进行设计，避免投资成本的增加，基床的厚度相差较大，也会增加沉降的风险。因此，选择适合的土基作为持力层非常重要，将地基的承载力系数γR设置为3.5，码头的断面地基沉降量设置为15cm。随着基槽开挖深度的不断增加，将3#～5#设置为持力层。但从沉降的控制角度而言，3#含水率较高，天然空隙和压缩系数较大，击数较小，不易作为持力层进行开发。粉质黏土和中粗砂混黏土作为基础持力层，适合部分开挖。

根据表4 可以得知，重力式结构在造价方面较低，高桩式结构在造价方面较高。在进行重力式结构设计时，基槽开挖的工作量大，会造成成本的增加。两种结构的造价均随着结构等级的增加而有所减少，在进行竞标过程中，土石方的工程报价较高，因此，重力式结构的工程设计，在进行工程量分配时所占比例较大，重力式结构在超深基槽和超厚抛石方面具有显著优势，基槽开挖底高程为-35.0～52.0m；基槽抛石厚度为23.5～40.1m，基槽开挖量为1230 万m3，基槽开挖用砂、石量大，选择重力式结构在抛泥区及砂、石有优先条件。

根据工程所在地对于各类建材的价格要求，对比直立堤方案和斜坡堤方案的工程造价，结果显示，采用直立堤方案，可以比斜坡堤方案节省工程造价，节约比例高达10%。如表5 所示。

表5 两种结构方案工程造价对比（万元）

由此可知，直立堤方案造价明显低于斜坡堤方案。直立堤方案在抗滑抗倾方面更加稳定，结构也更加安全，采取此方案进行设计，能够更加节省成本。

在各工况下，直立式沉箱的结构码头在抗滑、抗倾方面的安全系数规范性更高，地基的沉降量更小，结构也更加的稳定和安全，具体数据如表6 所示。

表6 直立式沉箱结构稳定性结果

4 结束语

重力式码头在耐久性方面较佳，在超载和工艺变化方面具有较强的适应性，而且施工简单，因此应用较为广泛。通过对重力式码头的结构进行选型分析，得出了采用重力式码头结构进行结构设计可以得到较好的应用效果。采用直立堤结构，可以保持一定的稳定性，结构设计可以更加安全，造价也更低。