某海港碼頭過渡段結構設計與造價分析

李亞俊

摘 要：某海港碼頭位于廣東省雷州半島東南區(qū)域，本文研究對象為該港口煤炭碼頭與重件碼頭的過渡段，根據(jù)以往經(jīng)驗采用直立式沉箱結構。本文首先基于設計經(jīng)驗與工程實際建設環(huán)境對其過渡段進行了詳細設計，然后采用物理模型試驗，對碼頭結構的穩(wěn)定性進行了分析驗證。結果顯示，本文設計的直立式沉箱結構能滿足規(guī)范相應的穩(wěn)定要求，且比原方案，即斜坡堤方案節(jié)省工程造價1226.52萬元，節(jié)約比例高達15.7%，具有良好的經(jīng)濟效益與實用價值。

關鍵詞：過渡段結構；直立式沉箱；穩(wěn)定荷載；基床應力

1 項目概況

實例海港碼頭位于廣東省雷州半島東南區(qū)域。根據(jù)應用要求，本工程需要新建一座煤炭碼頭與一座重件碼頭。在兩座碼頭之間，需要建立過渡段（過渡段長為223.7m），根據(jù)以往設計經(jīng)驗、工程實際建設環(huán)境以及本工程結構安全要求，建議碼頭采用直立式沉箱結構。

本工程其平面布置見圖1。

2 結構設計

基于設計經(jīng)驗與工程實際建設環(huán)境，建議本工程結構設計如下：

過渡段采用直立式沉箱結構，其中，暗基床長為36.4m，開挖至-23.8m，兩邊放坡坡比為1：2，基床上置隔板沉箱（長為24.4m，寬為18.65m高為16～19m），沉箱剖面共有20個倉格，其中中間倉格以及靠近陸域倉格內(nèi)回填土采用粒徑為15.0～60.0mm的中粗砂，臨水側倉格內(nèi)回填土采用塊石。單個沉箱空箱重為3865t，回填后自重可達8560t。沉箱底部采用塊石基床，柵欄板及扭王字塊護底。沉箱頂部設置鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程為12.0m。整個基礎采用拋填10～100kg 塊石.沉箱頂部高程為1.20m，其上方胸墻高程港側和外海側分別為 10.3m和12.0m，胸墻后方碼頭頂面平臺高程為6.5m；沉箱兩側坡腳分別采用150～200kg塊石進行掩護過渡段剖面結構設計見圖2。

3 結構穩(wěn)定性驗證

3.1 波浪試驗布置與設計

為驗證本文設計結構段穩(wěn)定性，采用物理模型試驗進行驗證。其中，物理模型選擇幾何比例尺均為1：50的正態(tài)模型，根據(jù)計算，流量比尺為1：355.2，糙率比尺為1：1.791，時間比尺為1：8.33。試驗水槽長68m，寬1.0m，高1.5m。造波機為電機伺服驅動推板吸收式造波機。本試驗風浪水槽布置見圖3。

試驗波浪主要采用頻譜不規(guī)則波，波譜采用JONSWAP譜[8]，譜的表達式為：

其中：

式中，f為頻率； 為水面比降修正系數(shù)； 為有效波高； 為有效波周期；tp為完整波周期；s（f）為譜密度；fp為峰頻； 為譜峰因子，取3.3； 為無維普寬參數(shù)。

3.2 波浪試驗結果分析

針對研究對象，分別采用重現(xiàn)期為50年的極端低水位以及重現(xiàn)期為50年的極端高水位進行試驗研究。結果表明，在極端低水位工況下，沉箱分別受到1061kN/m的水平力與533kN/m的浮托力，而在極端高水位工況下，這兩項特征值則分別為1455kN/m、769kN/m，兩種工況下沉箱受力均滿足規(guī)范安全要求。對比試驗測量值與直立式沉箱結構設計承載力，在各工況下，結構段所受最大特征力均小于設計承載力，直立式沉箱結構穩(wěn)定、安全。另外通過試驗發(fā)現(xiàn)，沉箱與胸墻一整體受到最大總水平力和總豎向力與沉箱最大水平力和浮托力表現(xiàn)在同一時刻。

同時，進一步觀察、統(tǒng)計，這兩種工況下，越浪量分別為0.009m3/ms以及0.292m3/ms，越浪量低于臨界值，不會對直立式沉箱結構安全造成威脅，可滿足泊穩(wěn)條件。從圖4也可看出，在各水位波浪作用下，通過試驗觀測可得，即使在極端低水位，150～200kg護底塊石表面上方淹沒水深達16.09m，因此在波浪連續(xù)作用下，波浪對塊石穩(wěn)定性影響不大，波浪連續(xù)作用3h，150～200kg 護底塊石保持穩(wěn)定。

將各工況下波浪作用效果繪于圖4。

4 與原方案造價對比

本碼頭原工程方案為斜坡堤結構設計。根據(jù)兩個方案的具體結構情況，同時結合工程區(qū)域現(xiàn)場的材料造價，將二者的具體工程造價對比列于表1。由表1可知，直立堤方案比斜坡堤方案節(jié)省工程造價1226.52萬元，節(jié)約比例高達15.7%，具有顯著的經(jīng)濟效益。

5 結論

本文基于以往設計經(jīng)驗，對廣東省雷州半島東南區(qū)域某海港立過渡段進行了結構設計，并借助物理模型試驗對結構的穩(wěn)定性進行了分析。從分析結果來看，本文設計結構在各工況下越浪量較小。護底石塊較為穩(wěn)定，沉箱受力均滿足規(guī)范要求，從結構穩(wěn)定計算結果來看，在各工況下，直立式沉箱結構碼頭過渡段的抗滑、抗傾安全系數(shù)均高于規(guī)范要求、地基沉降量較小，結構穩(wěn)定、安全。同時，經(jīng)與原方案對比，本方案比原方案節(jié)省工程造價1226.52萬元，節(jié)約比例高達15.7%，具有良好的經(jīng)濟效益與實用價值，推薦在本工程中使用。