斯里蘭卡漢班托塔港二期碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙瑞東，吳遵奇，鄧凌

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

斯里蘭卡是“21世紀(jì)海上絲綢之路”的重要一站，而漢班托塔港離最繁忙的歐洲-遠(yuǎn)東國(guó)際主航線僅10 nmile，是該國(guó)港口戰(zhàn)略的一個(gè)重點(diǎn)工程。漢班托塔港二期工程位于斯里蘭卡南部省漢班托塔市，處于已建一期工程北側(cè)，采用挖入式港池。碼頭工程主要包括總長(zhǎng)2 137 m岸線，含2個(gè)10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位，2個(gè)10萬(wàn)噸級(jí)多用途泊位以及2個(gè)1萬(wàn)噸級(jí)支線集裝箱泊位，另包括堆場(chǎng)、進(jìn)港路、護(hù)岸、公務(wù)碼頭和人工島等工程。其中10萬(wàn)噸級(jí)泊位結(jié)構(gòu)按15萬(wàn)噸級(jí)船型設(shè)計(jì)，1萬(wàn)噸級(jí)泊位結(jié)構(gòu)按2萬(wàn)噸級(jí)船型設(shè)計(jì)。港池底標(biāo)高為-17m，受回旋水域和進(jìn)港航道寬度限制，近期滿足10萬(wàn)t設(shè)計(jì)船型滿載進(jìn)出港要求，待拓寬航道和回旋水域后，可滿足15萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船控制吃水在14.5m以內(nèi)進(jìn)出港，港區(qū)總平面布置如圖1所示。

圖1 港口平面布置Fig.1 Layoutof the port

2 工程條件

2.1 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高、低水位分別為+0.6m和-0.15m，極端高、低水位分別為+1.0 m和-0.5 m，均以最低大潮低潮位為基面（下同）。

2.2 地質(zhì)情況

二期港池設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-17m，碼頭主體建筑所在區(qū)域整體地質(zhì)條件良好，瀉湖內(nèi)覆蓋層較薄，區(qū)域內(nèi)巖石主要為片麻巖，主集裝箱泊位西側(cè)600m中風(fēng)化和微風(fēng)化巖層平均標(biāo)高分別為-3.3m和-8.1 m，最低標(biāo)高分別為-7.8 m和-18.1 m。支線集裝箱泊位沿線中風(fēng)化和微風(fēng)化巖層平均標(biāo)高分別為+0.8 m和-6.4 m，最低標(biāo)高分別為-5.23 m和-14.88 m；多用途泊位西側(cè)200 m中風(fēng)化巖面最低標(biāo)高-0.2 m，中間460 m中風(fēng)化巖面平均標(biāo)高為-6.8 m，東側(cè)靠近一期位置較低，鉆孔顯示最低處接近-19.5m[1]。

巖層的淺埋深以及港池的大規(guī)模開(kāi)挖，為工程帶來(lái)了十分可觀的石料來(lái)源。

2.3 施工條件

港區(qū)位于原Mirijjawila瀉湖內(nèi)，原地表高程為-1～0m，一期工程充分考慮了當(dāng)?shù)氐馁Y源情況，并結(jié)合項(xiàng)目的地理位置、地質(zhì)情況、地形地貌情況及海況，合理選擇了設(shè)計(jì)、施工方案。提出選擇瀉湖區(qū)作為建港地點(diǎn)，采用總長(zhǎng)為4 238 m圍堰加防滲墻的工藝，成功實(shí)現(xiàn)了干地施工建設(shè)深水港口項(xiàng)目的創(chuàng)新建港理念[2-3]，大大降低了施工難度，加快了施工進(jìn)度，并大幅度降低了造價(jià)。

二期工程延續(xù)一期的建港理念，采用干地施工，新建1 582.604 m的北圍堰與1 025.694 m新建南圍堰，采用與一期相同的圍堰結(jié)合塑性混凝土防滲墻工藝，并在新建南圍堰與一期碼頭結(jié)構(gòu)相交位置結(jié)合帷幕灌漿處理。碼頭主體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)得以進(jìn)行干地施工，無(wú)需另外設(shè)置預(yù)制場(chǎng)地和大型的船機(jī)設(shè)備進(jìn)行安裝。圍堰布置如圖2所示。

3 結(jié)構(gòu)方案

優(yōu)越的施工條件為水工結(jié)構(gòu)選型提供了較大的發(fā)揮空間，同時(shí)因?yàn)殚_(kāi)挖量巨大、工期緊，對(duì)主體結(jié)構(gòu)的合理性與優(yōu)化程度要求較高。在滿足結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)高效的前提下，對(duì)二期碼頭主體結(jié)構(gòu)的選型進(jìn)行了全面的對(duì)比及設(shè)計(jì)優(yōu)化選型。

3.1 一期已建沉箱（方案1）

圖2 圍堰布置圖Fig.2 Layoutof the cofferdam

原一期碼頭采用了常規(guī)的重力式沉箱方案，單個(gè)沉箱底寬為12.6 m，長(zhǎng)度17.51 m，高18 m，倉(cāng)格尺寸為4m×5.2m（雙排8倉(cāng)格），單件質(zhì)量約為1 888 t，配筋率約為174 kg/m3，如圖3所示。

圖3 一期碼頭典型斷面（方案1）Fig.3 Typicalsection of thewharf in phase I(scheme1)

常規(guī)沉箱的特點(diǎn)是整體性好、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐久，構(gòu)件受力明確，且能夠很好地適應(yīng)海側(cè)軌荷載很大的情況，但其工程量相對(duì)較大，造價(jià)相對(duì)較高。

3.2 臺(tái)階式沉箱方案（方案2）

在一期沉箱的基礎(chǔ)上，考慮充分發(fā)揮沉箱各構(gòu)件的受力性能以進(jìn)行優(yōu)化。沉箱內(nèi)部隔墻一般僅受倉(cāng)儲(chǔ)壓力，通常按照結(jié)構(gòu)配筋，剩余的承載能力難以得到充分的發(fā)揮。而后墻由于直接受后方土壓力作用，底部配筋較大且通常滿墻布置，因此其上部富余較大。優(yōu)化的首選是降低后隔艙的標(biāo)高，使中間隔墻充分發(fā)揮其能力。同時(shí)，因?yàn)楹髠}(cāng)格得到降低，受倉(cāng)頂壓力增大的影響，后墻實(shí)際的控制壓力得到有效減小，其工程量降低而可靠性也會(huì)得到優(yōu)化。

此方案需要注意驗(yàn)算前部倉(cāng)格及其上部結(jié)構(gòu)視為懸臂段，因此雙排倉(cāng)格沉箱后方不可降得太低，同時(shí)考慮根據(jù)胸墻實(shí)際需要的使用寬度進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如圖4所示，把2×4的8倉(cāng)格改進(jìn)為3×4的12倉(cāng)格沉箱，倉(cāng)格尺寸從原來(lái)的4 m×5.2 m調(diào)整為4 m×3.7 m，寬度增加到13.68 m，長(zhǎng)度保持17.51m，高17.5m，雖然多出1排倉(cāng)格，沉箱混凝土總方量控制在700 m3左右，較一期沉箱混凝土方量減小，同時(shí)寬度增加、倉(cāng)格尺寸減小，可獲得更小的地基應(yīng)力以及更小的胸墻工程量。

圖4 臺(tái)階式沉箱（方案2）斷面圖Fig.4 Section ofbenched caisson(scheme2)

3.3 臺(tái)階式基床方案（方案3）

考慮利用微風(fēng)化巖層埋深較淺的有利條件，作為天然墻體用以減少工程量。因此，在階梯式沉箱的前提下，提出了通過(guò)控制開(kāi)挖坡面結(jié)合錨桿襯砌加固后的微風(fēng)化巖體作為沉箱基礎(chǔ)，根據(jù)微風(fēng)化巖面高低不同，沉箱結(jié)構(gòu)采用多種底標(biāo)高的方案。此舉意在把大碼頭做成小碼頭，在不侵入船只靠泊區(qū)域的前提下，有效減小結(jié)構(gòu)高度，從而大幅減輕結(jié)構(gòu)所受的土壓力、地基反力等控制力的作用。

以臺(tái)階頂部為-10 m的基礎(chǔ)為例，如圖5所示，同等條件下僅需小型沉箱即能滿足使用要求，沉箱混凝土方量為365 m3，配筋率與常規(guī)沉箱相仿，但需增加錨桿以及每延米約8 m3的現(xiàn)澆混凝土襯砌加固坡面。

3.4 新型箱肋式重力碼頭結(jié)構(gòu)（方案4）

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)計(jì)提出了一種新型箱肋式的重力碼頭結(jié)構(gòu)，即沉箱前倉(cāng)格加扶壁后肋板的新型組合結(jié)構(gòu)方案。

圖5 臺(tái)階式基礎(chǔ)（方案3）斷面圖Fig.5 Section ofbenched foundation(scheme3)

結(jié)構(gòu)兼具了重力式沉箱碼頭結(jié)構(gòu)與扶壁碼頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，既保證了結(jié)構(gòu)的整體性，又充分利用了各構(gòu)件的受力特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)前部采用沉箱倉(cāng)格結(jié)構(gòu)，前倉(cāng)格結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體共同承擔(dān)水平波浪力、系纜力、土壓力以及很大的豎向荷載（軌道荷載等），相對(duì)于扶壁碼頭結(jié)構(gòu)，受力更合理，整體性更好；對(duì)于大型碼頭，相對(duì)于不太適用的扶壁結(jié)構(gòu)，新型組合結(jié)構(gòu)的前倉(cāng)格構(gòu)件受力更小，在能夠滿足規(guī)范要求的情況下，可靠性更高；方案后部采用扶壁后肋板結(jié)構(gòu)，作為前倉(cāng)格與底板的連接結(jié)構(gòu)，充分利用了扶壁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，取消了常規(guī)沉箱的后壁與后縱隔墻等后倉(cāng)格結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了構(gòu)件的受力性能，肋的高度可以根據(jù)受力計(jì)算確定，肋布置與前箱格側(cè)、隔板對(duì)應(yīng)。側(cè)倉(cāng)格的設(shè)置為隔墻兩側(cè)倉(cāng)格壓力的抵消提供了條件，同時(shí)其寬度的設(shè)計(jì)受前后墻和底板懸臂段受力計(jì)算結(jié)果控制。

方案如圖6所示，采用前排三倉(cāng)格加兩側(cè)倉(cāng)設(shè)計(jì)，倉(cāng)格尺寸為4.25 m×3.7 m，底寬12.68 m，長(zhǎng)為17.51 m，高17.5 m，后肋板結(jié)構(gòu)厚度為300 mm，典型胸墻斷面為15.09 m3，混凝土量約為545m3，配筋率約為185 kg/m3。

3.5 對(duì)比分析

由表1，臺(tái)階式沉箱方案相對(duì)一期沉箱而言工程量有所減小，但在沉箱高度不變的情況下，受首排倉(cāng)格懸臂段高度限制，節(jié)省工程量有限。

圖6 新型箱肋式重力碼頭結(jié)構(gòu)（方案4）斷面及三維模型Fig.6 Section ofnew typebuttresscaisson gravity wharf structure(scheme4)

表1 各方案對(duì)比Table 1 Comparison of differentschemes

同樣的條件下，以-10 m臺(tái)階式基礎(chǔ)結(jié)合臺(tái)階式沉箱方案，其工程量對(duì)比常規(guī)沉箱結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)較為明顯，每延米混凝土和鋼筋量分別減少了30%和46%。但該方案對(duì)巖層的整體性、完整性要求較高，錨桿工作量較大，不可預(yù)見(jiàn)性較高，對(duì)施工要求很高；同時(shí)，由于巖面起伏，對(duì)施工模板及進(jìn)度等要求較多，經(jīng)對(duì)比，最終并未選擇。

新型箱肋式結(jié)構(gòu)在工程量方面相比常規(guī)結(jié)構(gòu)，具有很大優(yōu)勢(shì)，相比常規(guī)沉箱結(jié)構(gòu)的鋼筋和混凝土用量減少21%和22%，相比臺(tái)階式沉箱也有11%和14%的優(yōu)勢(shì)。其受力形式明確，施工過(guò)程相對(duì)普通沉箱沒(méi)有明顯區(qū)別，配筋方面肋板受拉力控制，使性能能夠得到充分發(fā)揮，受力合理。

最后，經(jīng)綜合考慮造價(jià)、施工質(zhì)量可控性、施工過(guò)程中不確定性以及施工工期等多方面因素，決定采用箱肋式結(jié)構(gòu)或稱扶壁式沉箱方案。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在漢班托塔港二期碼頭結(jié)構(gòu)的選型中，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特性以及干地施工條件，對(duì)多種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了全面的對(duì)比及優(yōu)化選型，創(chuàng)新的提出了箱肋式重力結(jié)構(gòu)。

2）箱肋式重力結(jié)構(gòu)既有常規(guī)沉箱結(jié)構(gòu)整體性好的特點(diǎn)，又利用了扶壁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，充分發(fā)揮各構(gòu)件的受力性能，很好地解決了扶壁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大型碼頭結(jié)構(gòu)時(shí)受力較大的問(wèn)題。

3）優(yōu)化后的箱肋式結(jié)構(gòu)大幅度減小了碼頭結(jié)構(gòu)工程量，有效降低了工程造價(jià)。

4）本文在一定程度上推動(dòng)了碼頭結(jié)構(gòu)向降低造價(jià)、節(jié)約資源、提高資源利用率的方向發(fā)展，可為類似碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

[1]中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.斯里蘭卡漢班托塔港發(fā)展項(xiàng)目二期工程工程地質(zhì)勘察報(bào)告：施工圖設(shè)計(jì)[R].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2011.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.geological investigation report on Hambantota Port development project phase II in Sri Lanka：Construction drawing design[R].Guangzhou：CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,2011.

[2] 盧永昌，李蘇.斯里蘭卡Hambantota港口項(xiàng)目港址選擇及一期工程設(shè)計(jì)介紹[J].水運(yùn)工程，2009（7）：44-48.LUYong-chang,LISu.Site selection ofHambantota Portdevelopment project in Srilanka and introduction of Phase Iproject design[J].Port&Waterway Engineering,2009(7)：44-48.

[3] 王征亮，林佑高，盧永昌，等.混凝土防滲墻在HAMBANTOTA港一期工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2009（7）：173-176，193.WANGZheng-liang,LIN You-gao,LUYong-chang,etal.Application of concrete cut off wall in Hambantota Phase I project[J].Port&Waterway Engineering,2009(7)：173-176,193.