樁基碼頭前沿頂高程設(shè)計方法

朱利翔，孫英廣，谷文強(qiáng)

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州510230；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

樁基碼頭前沿頂高程設(shè)計方法

朱利翔1，孫英廣2，谷文強(qiáng)1

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州510230；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

分析和總結(jié)國內(nèi)外規(guī)范中樁基碼頭前沿頂高程的設(shè)計方法，分別從設(shè)計水位、設(shè)計波浪、波峰面高度和氣隙高度或富裕高度等方面針對有掩護(hù)和開敞式樁基碼頭的高程設(shè)計方法進(jìn)行研究，總結(jié)出有掩護(hù)和開敞式樁基碼頭前沿頂高程的詳細(xì)設(shè)計方法。尤其是針對開敞式碼頭得出了氣隙方法和允許樁基碼頭上部結(jié)構(gòu)承受波浪力的兩種設(shè)計方法，并通過氣隙高度和超越概率的相關(guān)試驗得出氣隙高度設(shè)計方法，針對允許樁基碼頭上部結(jié)構(gòu)承受波浪力的情況給出了主要面板下表面設(shè)計在最大波峰面以上和所有的管架等在最大波峰面以上兩種設(shè)計方法。

頂高程；有掩護(hù)碼頭；開敞式碼頭；氣隙高度；超越概率；波浪力

0 引言

在海外港口設(shè)計中，業(yè)主和咨工一般要求采用英美規(guī)范等國際通用規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)化設(shè)計，現(xiàn)將國際主流規(guī)范和中國規(guī)范中的樁基碼頭高程設(shè)計方法進(jìn)行對比和分析，總結(jié)出樁基碼頭前沿頂高程的詳細(xì)設(shè)計方法。

1 國內(nèi)外規(guī)范中樁基碼頭前沿頂高程設(shè)計方法

1.1 中國規(guī)范

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》[1]，一般樁基碼頭前沿頂高程按受力控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，具體計算內(nèi)容如下。

潮位與波浪組合的標(biāo)準(zhǔn)及富裕高度可按表1確定。

表1 潮位與波浪的組合標(biāo)準(zhǔn)及富裕高度Table 1Combined standards of tide,wave and safety height

按受力標(biāo)準(zhǔn)控制的碼頭前沿頂高程可按下式計算：

式中：E為碼頭前沿頂高程，m；h為碼頭上部結(jié)構(gòu)高度，m；DWL為設(shè)計水位，m，按表1選??；η為水面以上波峰面高度，m；h0為水面以上波峰面高出上波結(jié)構(gòu)底面的高度，m，當(dāng)波峰面低于上部結(jié)構(gòu)底面時為0；ΔF為受力標(biāo)準(zhǔn)的富裕高度，m，按表1取值。

水面以上波峰面高度η可按下式計算：

式中：H為波高，m；d為水深，m；L為波長，m。

1.2 日本規(guī)范

根據(jù)日本規(guī)范《TechnicalStandardsand Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan》[2]，來計算碼頭前沿頂高程。

1.2.1 設(shè)計水位

碼頭頂高程設(shè)計時的設(shè)計水位應(yīng)取平均月最高水位，極端高水位可能起因于天文潮、風(fēng)暴潮、假潮和徑流。尚應(yīng)考慮因溫室效應(yīng)產(chǎn)生的海平面上升。

1.2.2 設(shè)計波浪

對于設(shè)計使用年限為50 a的碼頭建（構(gòu)）筑物，設(shè)計波浪一般取重現(xiàn)期為50 a的波高。

1.2.3 有掩護(hù)碼頭前沿頂高程設(shè)計

對于有掩護(hù)碼頭，碼頭前沿頂高程可由設(shè)計水位加上表2中的數(shù)值計算。

表2 日本規(guī)范碼頭頂高程計算超高Table 2Safety height of top elevation calculation in Japanese standards

1.2.4 開敞式碼頭頂高程設(shè)計

結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件水下部分的寬度或直徑Ws與波長L比值Ws/L＜0.2，碼頭為透空式結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限振幅波理論，波峰面在設(shè)計水位以上高度可按照圖1（根據(jù)現(xiàn)場實測資料分析得出）計算，圖中ηc表示為設(shè)計水位以上最大波峰面高度；Hmax表示的是所記錄最大波高；H1/3表示的是有效波高；h表示的是水深。

圖1 最大波峰面高度（ηc）max/Hmax與相對波高H1/3/h關(guān)系圖Fig.1Relationship between maximum crest elevation（ηc）max/Hmaxand relative wave height H1/3/h

文獻(xiàn)[2]中并未給出明確的碼頭高程計算公式，通過上述分析，采用確定性設(shè)計方法計算，當(dāng)不考慮碼頭上部結(jié)構(gòu)受力時，碼頭前沿頂高程可按照式（3）計算。

式中：EWL為平均月最高水位；H為碼頭上部結(jié)構(gòu)高度；Δ為富裕高度。

1.3 英國規(guī)范

1.3.1 考慮因素

英國規(guī)范6349-2：2010《Maritime works-Part 2：Code of Practice for the Design of Quay Walls，Jetties and Dolphins》[3]中規(guī)定，計算碼頭前沿頂高程，需要考慮如下因素。

1）上水的風(fēng)險和上水后的影響后果；

2）溫室效應(yīng)造成的海平面上漲；

3）裝卸工藝的要求；

4）對于油碼頭、液化天然氣和液化石油氣碼頭尚應(yīng)考慮纜繩豎向角的要求。

1.3.2 設(shè)計水位

根據(jù)英標(biāo)6349-1：2003《Maritime works-Part 1：Code of Practice for General Criteria》[4]，設(shè)計水位應(yīng)取重現(xiàn)期不小于50 a的極端高水位，極端高水位可能起因于天文潮、風(fēng)暴潮、假潮和徑流。尚應(yīng)考慮因溫室效應(yīng)產(chǎn)生的海平面上升。

1.3.3 設(shè)計波浪

根據(jù)英標(biāo)6349-1：2003[4]，設(shè)計波浪應(yīng)取重現(xiàn)期不小于50 a的最大波高。

1.3.4 有掩護(hù)碼頭頂高程設(shè)計

根據(jù)英標(biāo)6349-2：2010[3]，對于有掩護(hù)碼頭，碼頭前沿頂高程至少應(yīng)在工作水位以上1.5 m。

此條規(guī)定中的設(shè)計水位為工作水位，而非極端高水位。例如在風(fēng)暴情況下，碼頭一般不作業(yè)，而極端高水位是考慮了風(fēng)暴潮因素的。

而英標(biāo)中并沒有針對開敞式的樁基碼頭高程設(shè)計具體規(guī)定。

1.4 美國規(guī)范

根據(jù)美國國防部設(shè)計規(guī)范（UFC）《Design：Piers and Wharves》[5]，對于透空式碼頭，為了避免上水，碼頭頂高程計算如下：

式中：MHHW為平均高高潮；η為波峰面在靜水面以上高度，η=2/3Hmax；Δ為富裕高度，最小取0.9 m。

1.5 德國規(guī)范

1.5.1 考慮因素

根據(jù)德國港口工程協(xié)會規(guī)范《Recommendations of the Committee for Waterfront Structures Harbours and Waterways》[6]來計算碼頭前沿頂高程，需要考慮如下因素：

1）水位及水位變化，特別是可能的風(fēng)暴潮潮位和頻率，風(fēng)引起的增水，潮汐，上游水流可能產(chǎn)生的影響，天氣影響引起港口水面的振動（假潮），波浪順岸坡爬高（馬赫效應(yīng)），港池內(nèi)水面共振，長期而緩慢的水位升高，海岸長期抬升或下沉；

2）地下水平均水位，包括地下水位升降的頻率和幅度；

3）船舶運(yùn)輸作業(yè)、港口設(shè)備、貨物裝卸作業(yè)和活荷載；

4）地面條件、地基土、回填料和可能的土方補(bǔ)償；

5）碼頭設(shè)計方案的選擇以及環(huán)境影響。

為了得出最佳港口作業(yè)面高程，根據(jù)港口作業(yè)、經(jīng)濟(jì)和施工方法的要求，在作出決定時，要判斷上述因素的相對重要性。

1.5.2 設(shè)計水位

設(shè)計水位中必須選用潮位頻率曲線中盡可能多的超過平均高潮位的水位，并且必須考慮上述“考慮因素”中的第1）條因素。

1.5.3 設(shè)計波浪

設(shè)計波浪的重現(xiàn)期的確定應(yīng)考慮潛在損害、潛在的碼頭淹沒風(fēng)險或?qū)Y(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p害可能性等因素。一般選擇重現(xiàn)期不小于50 a的最大波高作為設(shè)計波浪。

1.5.4 有掩護(hù)碼頭前沿頂高程設(shè)計

在不被高水位淹沒的閉合式港口內(nèi)，港口作業(yè)面高程必須按下述要求高于確定的平均作業(yè)水位，并滿足以下要求：

1）防止在可能出現(xiàn)的最高作業(yè)水位時淹沒港口陸域；

2）在不同作業(yè)水位條件下，港區(qū)地面均應(yīng)比港區(qū)最高地下水位高出一適當(dāng)?shù)母叨龋?/p>

3）滿足裝卸作業(yè)的要求。

港口地面高程一般應(yīng)高出平均作業(yè)水位2.00～2.50 m，至少為1.50 m。

1.5.5 開敞式碼頭前沿頂高程設(shè)計

為了避免碼頭受到“波浪沖擊”的作用，通常會將平臺底面的高程選擇在高出設(shè)計波浪波峰面高度大約1.5 m的位置（也就是所謂的氣隙方法）。設(shè)計波浪的波峰面高度可以選取設(shè)計風(fēng)暴時期的最大波高Hmax。根據(jù)Rienecker/Fenton（1981）的傅里葉波浪理論，波浪波峰面高度可以按照Muttray（2000）公式來進(jìn)行估算：

式中：Hcr為水面以上波峰的高度（含設(shè)計水位），m；hDWL為設(shè)計水位，m；Hmax為最大波高，m；∏為非線性參數(shù)；L為波長，m；d為水深，m。

綜上，樁基碼頭前沿頂高程可按照式（7）計算：

式中：h為碼頭上部結(jié)構(gòu)高度。

2 各國規(guī)范中的樁基碼頭前沿頂高程設(shè)計方法總結(jié)及實例分析

各國規(guī)范碼頭高程設(shè)計考慮的影響因素基本一致，碼頭頂高程應(yīng)根據(jù)水文氣象條件、港口作業(yè)要求、結(jié)構(gòu)受力要求、越浪要求等因素確定。對于有掩護(hù)碼頭設(shè)計的方法也基本是采用設(shè)計水位加上一定的安全高度。但是對于掩護(hù)條件不好的碼頭，各國規(guī)范采用的計算模式各有不同，各國規(guī)范碼頭前沿頂高程設(shè)計要求匯于表3。

表3 各國規(guī)范碼頭前沿頂高程設(shè)計要求Table 3Design requirements of wharf top elevation in different countries憶standards

以孟加拉某LNG碼頭工程為實例，按照各國規(guī)范要求計算碼頭前沿頂高程。本工程最高天文潮（LAT）5.67 m，平均大潮高潮位（MHWS）4.63 m，平均高高潮（MHHW）4.3 m；50 a一遇最大波高（Hmax）4.9 m，50 a一遇波列累積頻率1%的波高（H1%）為3.7 m；風(fēng)暴增水為2.09 m；碼頭采用高樁墩臺結(jié)構(gòu)，上部墩臺厚度為2.0 m。計算結(jié)果如表4所示。

表4 孟加拉某LNG碼頭頂高程計算實例Table 4Example of top elevation calculation of a Bangladesh LNG Terminal

計算結(jié)果表明中國規(guī)范選取的設(shè)計水位和設(shè)計波浪均較小，美標(biāo)設(shè)計水位偏低，但是采用的設(shè)計波浪也是最大波高，而其他國家規(guī)范設(shè)計水位和設(shè)計波浪均較大，使用國外規(guī)范計算得出的碼頭前沿頂標(biāo)高均較大，波浪超越概率較小。

3 樁基碼頭前沿頂高程設(shè)計方法總結(jié)

對于有掩護(hù)碼頭設(shè)計的方法也基本是采用設(shè)計水位加上一定的安全富裕高度，內(nèi)河或掩護(hù)特別良好的碼頭可以采用這種設(shè)計方法。

而對于開敞式的樁基碼頭，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)是否允許受力，碼頭頂高程有下列兩種設(shè)計方法：

1）氣隙方法（“Air Gap”Approach），即將樁基碼頭上部結(jié)構(gòu)布置在水面以上（包含極端情況下的波浪和風(fēng)暴等因素），僅允許樁承受波浪力。

2）允許樁基碼頭上部結(jié)構(gòu)承受波浪力。

在有條件的情況下，一般推薦采用氣隙方法設(shè)計碼頭高程，但是由于船舶尺度、裝卸要求和與后方銜接等原因，碼頭高程經(jīng)常需要設(shè)計的比較低，需要考慮上部結(jié)構(gòu)承受波浪力。并且，還需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，需要考慮因抬高碼頭頂高程增加的費(fèi)用和上部結(jié)構(gòu)按照承受波浪力設(shè)計增加的費(fèi)用或受到風(fēng)暴影響導(dǎo)致的維修費(fèi)用之間平衡。

開敞水域的樁基碼頭頂高程設(shè)計應(yīng)按照下列程序進(jìn)行設(shè)計：

1）確定影響因素及對應(yīng)重現(xiàn)期，環(huán)境要求包括波浪、潮汐和增水，而重現(xiàn)期應(yīng)明顯大于碼頭的設(shè)計使用年限（因為碼頭高程設(shè)計中使用的設(shè)計要素的重現(xiàn)期越大，則在碼頭設(shè)計使用年限內(nèi)該設(shè)計要素被超越的可能性越?。?。

2）使用合理的方法確定氣隙高度，即波峰面頂面距離碼頭上部結(jié)構(gòu)下表面的高度。

3.1 氣隙方法確定樁基碼頭頂高程設(shè)計方法

在確定氣隙高度之前，一般需要先確定波峰面高度。

在碼頭高程設(shè)計中，波峰面高度的確定是比較重要的，但是相關(guān)的波浪理論較為復(fù)雜，手動計算較為困難。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了針對不同波浪理論情況的波峰面高度計算軟件，例如美國陸軍工程師團(tuán)（USACE）的海岸工程研究中心開發(fā)的ACES軟件（Automated Costal Engineering System）。在設(shè)計中可以考慮采用國際通用的商業(yè)軟件進(jìn)行波峰面高度的計算甚至碼頭頂高程的計算。

在確定氣隙高度時應(yīng)考慮的影響因素包括超過設(shè)計波浪的更大極值波浪、潮汐和風(fēng)暴增水的估計、結(jié)構(gòu)下沉的估計、大的波浪和結(jié)構(gòu)的相互作用。

當(dāng)選擇氣隙高度時應(yīng)同時考慮其對應(yīng)的超越概率，據(jù)估計當(dāng)氣隙高度被超越時，即使只是超越一點，波浪也能對上部結(jié)構(gòu)造成顯著的荷載。美國API規(guī)范《Planning，Designing And Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design》[7]中采用氣隙高度為1.5 m。但是普遍認(rèn)為這個1.5 m的氣隙高度（安全富裕高度）提供了不一致的安全富裕。因為在不同的港址有不同的環(huán)境條件，選用相同的氣隙高度，對應(yīng)的氣隙高度超越概率必然不同。HR Wallingford公司編制的《Piers，Jettys and Related Structures Exposed to Waves：Guidelines for Hydraulic Loadings》[8]中介紹了有關(guān)不同氣隙高度的波浪超越概率的試驗，通過一系列試驗證明采用1.5 m氣隙高度在不同的港址和不同的分析方法中的超越概率均有較大差別。最終推薦采用年超越概率小于0.000 1的最大波高（重現(xiàn)期為10 000 a），這意味著氣隙高度將從1.5 m提高到至少3.5 m。

3.2 上部結(jié)構(gòu)允許承受波浪力的樁基碼頭頂高程設(shè)計

當(dāng)樁基碼頭上部結(jié)構(gòu)允許承受波浪力時，碼頭頂高程有以下兩種設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：

1）主要面板下表面設(shè)計在最大波峰面以上2）所有的管架等在最大波峰面以上

當(dāng)考慮主要面板下表面設(shè)計在最大波峰面以上時，應(yīng)考慮其他上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件（例如橫梁）承受波浪浮托力和側(cè)壓力。

當(dāng)考慮管架等在最大波峰面以上時，碼頭上部水工結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮承受波浪力，碼頭上部不允許承受波浪力或不允許腐蝕的設(shè)備（如裝卸臂和管道等）應(yīng)布置在高于最大波峰面的操作平臺上，或者可以選擇將管道埋在管溝中。

系纜墩和靠船墩由于船舶尺度和系泊要求的限制，一般不能采用氣隙理論設(shè)計，因此需要考慮上部結(jié)構(gòu)承受波浪力，并應(yīng)考慮在風(fēng)暴情況下，系纜墩和靠船墩上水后相關(guān)設(shè)備的防護(hù)。

當(dāng)具有詳細(xì)的水文氣象觀測資料時，可以嘗試進(jìn)行概率設(shè)計方法，通過選用合適的分布函數(shù)，對水文和氣象資料進(jìn)行聯(lián)合概率分析，進(jìn)一步對碼頭頂高程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

[1]JTS 165—2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S]. JTS 165—2013,Design code of general layout for sea ports[S].

[2]Technical standards and commentaries for port and harbour facilities in Japan[S].Japan:MLIT，2002.

[3]BS 6349-2:2010,Maritime works-part 2:Code of practice for the design of quaywalls,Jetties and dolphins[S].London:BSI,2010.

[4]BS 6349-1:2003,Maritime structures-part 1:code of practice for general criteria,incorporating amendment No.1[S].London:BSI, 2003.

[5]UFC 4-152-01,Design:piers and wharves[S].USA,2005.

[6]Recommendations of the committee for waterfront structures,harbours and waterways[S].11th ed.EAU,2012.

[7]Planning,designing and constructing fixed offshore platforms: working stress design[S].20th ed.API,2000.

[8]HR Wallingford.Piers,jettys and related structures exposed to waves:guidelines for hydraulic loadings[M].United Kingdom: Thomas Telford Publishing,2004.

Design methods of top elevation of piled wharf

ZHU Li-xiang1,SUN Ying-guang2,GU Wen-qiang1
（1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China; 2.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China）

We analyzed and summarized the design methods of top elevation of piled wharf in domestic and foreign specifications,studied the design methods of elevation for protected and unprotected piled wharfs from the aspects of design water level,design wave,wave crest height and air gap or safety height,etc.,summarized the detailed design methods of top elevation of protected and unprotected piled wharfs.Especially for the unprotected wharf,both of design methods of air gas and superstructure bearing the wave loads are given and the design method of air gap is gotten by the test results of the air gap and it's exceeding probability.As for the superstructure is designed to bear the wave loads,two situation of the underside of slab above the wave crest and pipe rack above the wave crest are introduced.

top elevation;protected jetty;unprotected wharf;air gap;exceeding probability;wave load

U652.7；U656.113

A

2095-7874（2017）06-0072-05

10.7640/zggwjs201706016

2017-03-24

2017-04-28

朱利翔（1964—），男，福建壽寧人，碩士，高級工程師，董事長，港口工程專業(yè)。E-mail:zhulx@fhdigz.com