重力式码头升级改造探索

重力式码头升级改造探索

张炼金

张炼金

广州打捞局广东广州510000

摘要：本文介绍了北海某石油化工有限公司综合码头由5000t级码头升级改造为20000t级码头的设计过程。详细介绍了码头的升级改造方案及稳定性验算。

关键词：码头；改造升级；20000t级；稳定性验算

1.简述

近年来全国各大港口越来越多的通过老码头改造的途径来提高港口现有码头设施的适应性和通过能力，比较普遍采用的重力式码头升级改造的方案有：前沿增加板桩、灌注桩排桩墙、增加下层沉箱结构等。而本次北海某石油化工有限公司综合码头升级改造工程设计则是采用增加下层沉箱结构方案来实现码头的升级改造。

2.项目背景

北海某石油化工有限公司综合码头工程已于2011年9月建成投产。该码头原设计为5000t级重力式沉箱结构码头。而在运营过程中，业主为了停靠更大的船舶，私自进行港池疏浚，将原有码头基床破坏，导致沉箱滑移。业主对该码头进行升级改造，升级改造为20000T级综合码头。

3.自然条件

3.1地理位置

该综合码头工程位于广西北海市铁山港兴港镇栗山匡的前沿岸线上。项目处在北海市东部，距北海市区25km。

3.2设计水位

设计高水位：5.41m（潮峰累积频率的10%）

设计低水位：1.13m（潮谷累积频率的90%）

极端高水位：6.86m（重现期50年一遇）

极端低水位：-0.46（重现期50年一遇）

3.3波浪

根据2008年河海大学对铁山港湾波浪数学模型的研究成果，影响铁山港水域的波浪为E～ESE、SE～SSE、S～SSW、SW～WSW浪向，其中E～ESE向波浪对本工程影响最大。设计高水位时，该方向浪H4%为1.31m。

3.4潮流

由于铁山港的径流来水量不大（注入铁山的河流为白沙河，其年平均径流量为7.4m?/s），海域主要受潮流控制。受地形影响，湾内潮流呈往复流，流向与深槽走向或岸线走向基本一致（长轴为NE～SW），湾外最大流速为0.7m/S以上，但一般情况下，其流速都在0.3～0.5m/S以内。

3.5工程地质

3.5.1地基岩土层的工程特征

场地内自上而下各土层特征分别描述如下：

（1）组合砂①：松散、为近年吹填物，局部分布、厚度小、无利用价值。

（2）淤泥层②：全场地分布，流塑～软塑状，承载力极低，高压縮性。

（3）块石③：小范围分布，属近年抛石，无规则，承受力较高，工程性和工程稳定较好，压缩性低，不利于基础开挖和疏浚。

（4）中砂④：分布于场地大部分地段，层厚变化大，具有一定的承载力，工程稳定性较好，层面标高一般在-7.20m～-8.5m之间，平均标贯击数为15击，允许地基承载力约为200KPa，该土层与其下承层（砾砂）一起可作为本码头基础的持力层。

（5）砾砂⑤：分布稳定，厚度较均匀，承载力较高，工程稳定性好，允许地基承载力约为280KPa，可作基础持力层。

（6）粘土层⑥：全场稳定分布，埋深较大，似半成岩，有层构造，承载力较高，允许地基承载力约为250KPa，但泡水扰动后强度会有所降低，可作基础下伏受力层。

3.5.2地震

在国家地震局1990年版“中国地震烈度设计图”中，北海市均划分为6度区。

4.原有码头设计方案

4.1结构安全等级：二级

4.2原设计使用荷载

（1）码头面均布荷域20KN/m?；

（2）堆场面均布荷载40KN/m?；

（3）门机荷载：使用20T门机，每根钢轨上12个轮子，最大轮压200KN；

（4）船舶荷载：按5000DWT船舶计算。

4.3码头结构

原码头前沿设计顶标高为7.3m，码头结构采用9.955m×7.0m×8.5m（长×宽×高）空心方块，方块设有前趾，前趾悬臂长1.0m，单块构件砼方量137.09m3，单件重量343t；方块上部设置卸荷板（1m）及胸墙（高4.4m），码头基床采用2m的抛石基床，码头前沿底设计标高为-6.6m。

4.4原码头设计结构图

图4-1原结构断面图

5.码头升级改造方案

5.1设计使用荷载

（1）码头面均布荷域20KN/m?；

（2）堆场面均布荷载40KN/m?；

（3）门机荷载：使用20T门机，每根钢轨上12个轮子，最大轮压200KN；

（4）船舶荷载：按20000DWT船舶计算。

5.2设计船型

设计代表船型表5-1

5.3总平面布置

根据《海港总平面设计规范》，计算得出码头主尺度如下：

（1）码头面高程：7.3m

（2）码头前沿设计底标高：-10.8m

5.4结构方案

5.4.1设计原则：

在稳定性满足的基础上，以尽量节约投资为原则。

5.4.2设计方案

码头结构采用钢筋混凝土沉箱结构。为了充分利用原有码头的构件，采用双层沉箱结构型式，即预制下层沉箱，将原有码头沉箱安放在下层沉箱上，再将原码头卸荷板安放在上层沉箱上，卸荷板上浇注钢筋砼胸墙。

下层沉箱尺寸：9.95mm×12.5m×4.2m（长×宽×高），沉箱设前后趾，前趾长1.5mm，高为0.775m；后趾长1m，高为0.65m；从沉箱前壁向后沿侧壁方向1m范围内加高建设8.5m砼扶臂结构以防止上部沉箱滑移和倾覆；沉箱共分2×3=6个腔，空腔尺寸为4.55m×2.75（2.755）m；沉箱底板厚400mm，前壁厚350mm，后壁厚300mm，侧壁厚250mm，纵横隔板厚250mm；沉箱分腔设计增加了上下两沉箱砼对砼的接触面积，从而增加了上部沉箱基底摩擦系数，防止上部沉箱的滑移。

下层沉箱内回填料：下层沉箱箱内回填中粗砂及400mm厚碎石垫层。

上层沉箱安装：采用起重船将原有沉箱反向安装在下层沉箱上。

上部结构安装及现浇：安装原有卸荷板并现浇砼胸墙。

沉箱下部基床：基床采用3m厚抛石基床，基床底面位于粘土层。因粘土层地基承载力较小，经计算不能满足地基承载力要求，且粘土层较薄，设计考虑将粘土层全部换填为中粗砂。换填砂经夯实处理后，地基承载力可为380kpa。

后方回填：箱后回填中粗砂，分层填，填料密度要达到标贯不小于15击。

5.4.3结构断面图

图5-2下层沉箱平立面图

6.码头稳定性计算

采用易工水运工程结构CAD集成软件V2.0及理正岩土计算V6.0对码头结构稳定性进行验算。

6.1验算内容：

（1）基床顶抗倾、抗滑稳定性验算；

（2）基床底抗倾、抗滑稳定性验算；

（3）基床承载力验算；

（4）地基承载力验算；

（5）圆弧滑动验算。

6.2验算建模

（1）采用单个沉箱模型整体复核验算，建模图形如下：

（4）圆弧滑动验算

滑动安全系数=1.165＞1.0，满足要求。

7.结语

下层沉箱的扶壁结构设计，使上下两沉箱形成一整体，有效的预防了上层沉箱的滑移，多个空腔设计，可有效增加上层沉箱与下层沉箱的砼对砼接触面积，增大摩擦系数。

码头投入使用后，需在码头每结构段设置永久观测点，定期观测码头水平位移和沉降。

参考文献：

[1]《海港总体设计规范》（JTS165-2013）

[2]《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）；

[3]《重力式码头设计与施工规范》（JTS167-2-2009）；

[4]《港口工程地基规范》（JTS147-1-2010）