烟台港西港区液体化工码头初设水工说明剖析.docx

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烟台港西港区液体化工码头初设水工说明剖析

　第6章水工结构

6.1.水工建筑物的种类、项目、规模和等级

本工程位于烟台港西港区，拟建一个3万吨级泊位。

平面布置两个方案，平面方案一码头为连片布置；平面方案二码头为墩式布置。

水工建筑物有液体化工码头、工作船码头、防波堤、引堤及西、北护岸。

3万吨级泊位的码头（水工结构按停靠5万吨级船设计），码头前沿水深为-14.5米。

连片布置方案码头为重力式沉箱结构，码头面顶高程为5.5米；墩式布置方案码头为桩基墩式结构，码头面顶高程为7.5米。

工作船码头长度为150米，码头前沿水深为-8.0米。

为便于小型船舶的靠泊，码头前方5.0米宽度范围码头面顶高程为4.5米；其后侧区域顶高程为5.5米。

码头、防波堤、引堤及护岸属于一般港口的水工建筑物，结构安全等级为Ⅱ级，结构重要性系数γ0=1.0。

6.2.自然条件

6.2.1.设计水位

（高程系统以烟台港西港区理论最低潮面为起算面）

设计高水位：

2.46m

设计低水位：

0.25m

极端高水位：

3.56m

极端低水位：

-0.95m

6.2.2.设计波浪

建筑物前沿设计波要素见下列各表：

码头前沿（五十年一遇）波浪要素表

表6-1

水位

波向波要素

极端高水位

设计高水位

设计低水位

H1%

H13%

H1%

H13%

H1%

H13%

NNE

4.4

3.1

9.6

4.4

3.1

9.6

4.3

3.1

9.6

E

4.7

3.3

7.7

4.7

3.3

7.7

4.6

3.3

7.7

注：

H（m），

（s）

防波堤波浪要素表

表6-2

　　　水位

重现期

极端高水位

设计高水位

设计低水位

H1%

H13%

H1%

H13%

H1%

H13%

五十年

6.2

4.5

8.4

6.1

4.5

8.4

6.1

4.5

8.4

二十五年

5.5

4.0

8.1

5.5

4.0

8.1

5.5

4.0

8.1

注：

H（m），

（s）

斜坡式引堤、西护岸（二十五一遇）波浪要素表

表6-3

水位

海底面

极端高水位

设计高水位

设计低水位

H1%

H13%

H1%

H13%

H1%

H13%

-7.0~-3.0m

4.3*

4.3*

8.1

3.8*

3.8*

8.1

2.5*

2.5*

8.1

-3.0~0.0m

2.7*

2.7*

8.1

2.1*

2.1*

8.1

0.7*

0.7*

8.1

注：

H（m），

（s）,*—为极限波高

斜坡式北护岸（二十五一遇）波浪要素表

表6-4

水位

海底面

极端高水位

设计高水位

设计低水位

H1%

H13%

H1%

H13%

H1%

H13%

-5.0m

4.4*

4.4*

9.0

3.9*

3.9*

9.0

2.6*

2.6*

9.0

注：

H（m），

（s）,*—为极限波高

6.2.3.工程地质

详见其他章节。

6.2.4.地震

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，本区地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。

6.3.液体化工码头设计船型

化学品船设计船型尺度表

表6-5

船舶名称

设计船型尺度（m）

总长L

型宽B

型深H

满载吃水T

50000DWT

229

32.3

19.1

12.8

30000DWT

179

32.0

15.6

11.0

10000DWT

130

19.5

10.6

8.3

5000DWT

113

17.8

8.9

7.1

1000DWT

70

32.3

5.2

4.4

6.4.工艺荷载

１．液体化工码头

码头面均布荷载：

码头前沿20m范围内为20Kpa；20m以外为管廊荷载。

设备荷载：

每个装卸臂荷载：

垂直荷载　280KN

　　　　　　　　　　水平荷载　70KN

　　　　　　　　　　倾覆力矩　780KN.m

每个登船梯：

垂直荷载220KN；登船梯工作时，设计风速按22m/s，倾覆力矩380KN.m；台风时，设计风速按55m/s，倾覆力矩730KN.m

　　每座消防炮塔：

垂直荷载200KN；水平荷载　58.6KN；

倾覆力矩875KN.m

２．工作船码头

码头面均布荷载：

码头前沿20m范围内为20Kpa；20m以外均载为管廊荷载。

6.5.水工结构方案

6.5.1.液体化工码头结构

根据中交一航院提供的《烟台港西港区液体化工码头工程地质勘察报告》，本工程所处区域岩土层分布简单而有规律，自上而下分为四大层，上部为海相沉积的粉土、粉细砂；第二层为陆相沉积的中粗砂；第三层为陆相沉积的粉质粘土；第四层为陆相沉积的粗砾砂，风化岩埋深较大未能揭露。

按以上地质条件，根据平面布置的两个方案，平面方案一连片码头采用重力式沉箱结构型式，以陆相沉积的中粗砂层为持力层；平面方案二墩式码头采用高桩墩台结构型式。

本阶段对液体化工码头上述两种结构型式进行了结构方案的比较

6.5.1.1平面方案一重力式沉箱连片码头结构方案

平面方案一利用码头结构自身形成半掩护港池。

码头采用混合式结构型式，即东部港池侧采用连片的重力式沉箱结构形成码头岸壁，西部临海侧采用人工块体护面的抛石斜坡式防波堤结构抵御NW及NNW向波浪的作用，码头承受NNE及E向的波浪作用。

码头使用宽度40米，码头面顶高程为5.5米。

码头结构采用重力式沉箱结构，沉箱底宽14.5米，码头基础开挖基槽后换填10～100kg抛石基床，持力层为陆相沉积的中粗砂。

抛石基床上部安放预制钢筋混凝土矩形沉箱，沉箱重约1100t，沉箱顶标高1.5米，沉箱内下部抛填石渣，上部回填5～50kg块石。

沉箱顶现浇钢筋混凝土胸墙，胸墙上布置装卸臂、登船梯、消防炮、系船柱、快速脱缆钩、橡胶护舷等各种码头设施。

临海侧的抛石斜坡式防波堤结构，护面采用5.0吨的扭王字块体，护面边坡为1：

1.5，垫层块石重量为250～400kg，护底块石重量为150～200kg，堤心石为10~100kg块石。

顶部现浇混凝土挡浪墙，墙顶标高按照<<海港水文规范>>（JTJ213-98）计算波浪爬高取为9.5米，还需经波浪模型试验后进行调整。

6.3.1.2平面方案二高桩墩台的墩式码头结构方案

平面方案二西侧设有人工块体护面的抛石斜坡式防波堤，形成半掩护港池。

码头采用高桩墩台结构，码头由三个工作平台及四个系缆墩组成，码头面顶高程为7.5米。

斜坡式防波堤东侧受NNE及E向的波浪作用，通过计算波浪爬高，确定防波堤顶高程为7.5米。

防波堤宽度20米，兼作管廊和车辆通道。

中间工作平台尺度30×20米，现浇钢筋混凝土结构。

桩基采用φ1200mm钢管桩，整个工作平台共施打30根钢管桩，包括3根直桩和27根斜桩，斜桩坡度为4:

1或3:

1。

两侧各设置一个工作平台尺度50×20米，现浇钢筋混凝土结构，厚度4.0米。

桩基采用φ1200mm钢管桩，每个工作平台共施打48根钢管桩，全部为斜桩，斜桩坡度为4:

1或3:

1。

工作平台两侧各设置二个尺度10×10米系缆墩，现浇钢筋混凝土结构。

桩基采用φ1200mm钢管桩，每个系缆墩共施打7根钢管桩，全为斜桩，斜桩坡度为4:

1或3:

1。

所有φ1200mm钢管桩均打入粗砾砂层，桩尖底标高约-40.0m。

钢管桩防腐采用水位变动区涂刷防腐涂料，水下区牺牲阳极的防腐措施，以满足设计使用年限。

三个工作平台分别通过各自的架管钢桥与防波堤相连接，各工作平台及各系缆墩之间由人行钢桥沟通连接。

架管钢桥采用平行弦型下承式桁架桥，材质为16Mnq，桥净跨30米，钢桥与混凝土支座基础之间均采用钢支座连接，为抵抗波浪的作用，在基础上设置了钢结构的拉、压支座。

人行桥采用板梁钢桥。

各工作平台上分别布置装卸臂、登船梯、消防炮、系船柱、快速脱缆钩、橡胶护舷等各种码头设施。

抛石斜坡式防波堤结构，西侧为抵御NW及NNW向波浪的作用，护面采用5.0吨的扭王字块体，护面边坡为1：

1.5，垫层块石重量为250～400kg，护底块石重量为150～200kg，顶部现浇混凝土挡浪墙，墙顶标高暂取9.5米；东侧受NNE及E向的波浪作用，护面采用3.0吨的扭王字块体，护面边坡为1：

1.5，垫层块石重量为150～300kg，护底块石重量为80～100kg，堤心石为10~100kg块石。

6.3.1.3重力式沉箱结构与高桩墩台结构方案比较

各方案的优缺点比较详见表6-6：

表6-6

方案

重力式沉箱方案

高桩墩台方案

优点

1.便于分期建设，对荷载适应能力强。

2.码头顶标高低，便于小船型靠泊。

3.码头整体性好，耐久性好，不需专设防腐处理。

4.安装速度快，近期形成岸壁快，适应开敞海域的施工。

5.沉箱安放一次出水，施工周期短，施工难度小。

6.与后方陆域直接相连，便于管线的布设。

1.结构简单，安装工作量少。

2.使用材料总量较少。

3.挖泥和抛石棱体工程量少。

缺点

1.基槽挖泥和抛石棱体工程量较大。

1.耗用钢材量大。

2.码头顶面较高，需设置专用靠船设施才能兼顾较小船舶。

3.在开敞海域现浇混凝土数量多。

4．通过管线钢桥与后方陆域相连，不便于管线的布设。

5．钢管桩及钢桥均需防腐处理，且需定期维护。

投资比

1

1.32

根据以上方案比较，两种结构方案在本工程中都是可行的。

本地区已建工程基本采用沉箱结构，当地建有专用的沉箱预制场地，沉箱施工能力强，施工建设及管理经验丰富。

同时高桩墩台方案的斜坡式防波堤与工作船码头相接时要占据工作船码头的岸线或延长工作船码头结构长度，造成投资的增加。

综上所述，沉箱方案具有更大的优越性，本阶段拟推荐重力式沉箱连片码头的结构方案。

6.5.2.工作船码头结构

工作船码头与主体液体化工码头平行相接，结构型式同液体化工码头推荐的沉箱结构方案。

工作船码头前沿水深为-8.0米。

为便于小型船舶的靠泊，码头前方5.0米宽度范围码头面顶高程为4.5米；其后侧区域顶高程为5.5米。

为在无掩护的开敞海域保证码头结构的施工期稳定，工作船码头结构也采用重力式沉箱结构，沉箱底宽9.9米，包括1.0米前趾，码头基础为陆相沉积的中粗砂，由于沉箱底至中粗砂持力层之间的基床约6米厚，故开挖基槽后在中粗砂上铺设二片石垫层，换填约2～3米的开山石，再抛填3.0米厚10～100kg抛石基床。

抛石基床上部安放预制钢筋混凝土矩形沉箱，沉箱重约700t，沉箱顶标高为1.5米，箱内回填石渣及块石，沉箱顶现浇钢筋混凝土胸墙，安放系船柱、橡胶护舷等码头设施。

工作船码头胸墙上部横向通长布置GD280H型橡胶护舷，每段胸墙竖向布置两套DA-500H型橡胶护舷,为便于小型船舶在较低水位停靠后人员上下船舶，在适当位置将其中一套DA-500H型橡胶护舷调整为舷梯型橡胶护舷。

胸墙上布设250KN系船柱。

西侧抛石斜坡式防波堤结构与液体化工码头西侧防波堤结构相同。

6.5.3.斜坡式引堤结构

引堤长150米，引堤处海底面约为-7.0～-5.5米，水深较浅，适于采用常规的抛石斜坡堤结构，且当地石材丰富，这种结构具有结构简单、施工方便的特点。

引堤使用宽度20米，顶高程为5.5米。

引堤直接抛填在海底表层的粉细砂上，西侧护面块体采用5吨扭王字块体，护面边坡为1：

1.5，垫层块石重量为250～400kg，护底块石重量为150～200kg，顶部现浇浆砌块石挡浪墙，墙顶标高取8.5米；东侧护面块体采用3吨扭王字块体，护面边坡为1：

1.5，垫层块石重量为150～300kg，护底块石重量为80～100kg，顶部现浇浆砌块石挡浪墙，墙顶标高取7.5米。

堤心石为10～100kg块石。

6.5.4.护岸结构

本工程的护岸包括西护岸和北护岸，护岸结构考虑不越浪。

6.5.4.1．西护岸

西护岸总长735米，西护岸处海底面约为-5.5～陆地，水深较浅，适于采用常规的抛石斜坡堤结构。

根据西护岸的波浪条件，按海底面标高，抛石斜坡堤的护面块体采用两种型式的混凝土人工块体。

护岸结构直接抛填在海底表层的粉细砂上。

在海底面约-5.5～-3.0米范围内，护面块体采用一层3吨扭王字块体，护面边坡为1:

1.5。

垫层块石重量为150～300kg，护底块石重量为80～100kg。

浆砌块石挡浪墙顶标高为8.0米。

在海底面约-3.0～陆地范围内，护面块体采用一层2吨四脚空心方块，护面边坡为1:

1.5。

垫层块石重量为100～150kg，护底块石重量为80～100kg。

浆砌块石挡浪墙顶标高为7.5米。

两种护岸断面的堤心填料均为含泥量小于10%的开山石，为防止后方回填料流失，开山石外层设置混合倒滤层及二片石，再覆盖10～100kg块石。

6.5.4.2．北护岸

北护岸总长750米，护岸处海底面约为-5.5米，水深适于采用常规的抛石斜坡堤结构。

护岸结构直接抛填在海底表层的粉细砂上。

根据波浪条件，护面块体采用一层3吨扭王字块体，护面边坡为1:

1.5。

垫层块石重量为150～300kg，护底块石重量为80～100kg。

浆砌块石挡浪墙顶标高为8.0米。

堤心填料均为含泥量小于10%的开山石，为防止后方回填料流失，开山石外层设置混合倒滤层及二片石，再覆盖10～100kg块石。

6.6.液体化工码头推荐方案结构计算

6.6.1.船舶撞击力：

按照《港口工程荷载规范》JTJ215-98计算，分别计算靠泊和系泊状态时的船舶撞击能量。

靠泊时，根据船舶吨级限制其靠泊速度，系泊时按照附录F计算，逃跑波高为1.5m，周期6.0s。

根据计算结果，最大撞击能量Eо=703.4kJ，选用超级鼓形SUC1250两鼓一板标准反力型橡胶护舷，设计吸能量为764J，反力为1478KN。

6.6.2.船舶系缆力：

按照《港口工程荷载规范》JTJ215-98第10.4条计算，计算风速取22m/s，综合考虑风和水流的共同作用，选用750KN系船柱。

当风速超过设计风速时船舶需要离港，去锚地停泊，码头不设风暴系船柱。

6.6.3.荷载组合

根据相关规范要求，对岸壁承载能力极限状态考虑持久组合、短暂组合和偶然组合，对正常使用极限状态考虑长期效应组合。

6.6.4.主要建筑物的计算内容

6.6.4.1稳定性验算

（1）码头墙身抗倾、抗滑稳定性验算；

（2）码头基床承载力验算；

（3）码头整体验算；

6.6.4.2荷载种类

（1）永久作用：

包括自重力及土压力；

（2）可变作用：

包括码头面均载、使用荷载（装卸臂、登船梯、消防炮等）、可变作用引起的土压力、船舶荷载、波浪力等

6.6.4.3荷载组合

码头稳定性验算考虑持久作用效应组合，偶然作用（地震作用）效应组合：

持久作用效应组合：

（含设计高、低水位和极端高、低水位）

持久组合一：

结构自重（永久作用）+均载（主导可变作用）+系缆力（非主导可变作用）+设备荷载

持久组合二：

结构自重（永久作用）+均载（主导可变作用）+波谷吸力（非主导可变作用）+设备荷载

持久组合三：

结构自重（永久作用）+系缆力（主导可变作用）+码头面均载（非主导可变作用）+设备荷载

持久组合四：

结构自重（永久作用）+波谷吸力（主导可变作用）+均载（非主导可变作用）+设备荷载

偶然作用（地震作用）效应组合：

（含设计高、低水位）

按现行《水运工程抗震设计规范》（TJT225-98）规定执行

结构自重+50%码头面均载+50%系缆力+地震荷载+设备荷载

6.4.4.3计算公式：

（1）沿沉箱底面抗滑稳定性验算。

持久组合一情况：

持久组合二情况：

持久组合三情况：

持久组合四情况：

式中：

γo——结构重要性系数，γo=1.0；

γd——结构系数，无波浪作用时取γd=1.0，有波浪作用时γd=1.1；

γG——自重力的分项系数，取γG=1.0；

G——作用在计算面上的结构自重力标准值（kN）；

f——沿计算面的摩擦系数设计值，沉箱底与抛石基床顶面的摩擦系数标准值取f=0.6；

γE——土压力的分项系数，取γE=1.35；

EH、EV——分别为计算面以上永久作用总主动土压力的水平分力标准值和垂直分力标准值（kN）；

γPW——剩余水压力的分项系数，取γPW=1.05；

PW——作用在计算面以上的剩余水压力标准值（kN）；

γPR——系缆力的分项系数，取γPR=1.4；

PRH——系缆力水平分力的标准值（kN）；

EqH、EqV——分别为计算面以上可变作用总主动土压力的水平分力标准值和竖向分力标准值（kN）；

ψ——作用效应组合系数，持久组合取ψ=0.7；

γp——波浪水平力分项系数，γP=1.3；

PB——波谷作用时水平波压力标准值（kN）；

γu——波浪浮托力分项系数，γu=1.3；

PBU——波谷作用时波浪浮托力标准值（kN）；

PRV——系缆力竖向分力的标准值（kN）；

计算结果均能满足要求。

（2）对沉箱底面前趾抗倾稳定性验算：

持久组合一情况：

持久组合二情况：

持久组合三情况：

持久组合四情况：

式中：

γd——结构系数，无波浪作用时取γd=1.25，有波浪作用时

γd=1.35；

MG——结构自重力标准值对沉箱底面前趾的稳定力矩（kNm）；

MPW——剩余水压力标准值对沉箱底面前趾的倾覆力矩（kNm）；

MEH、MEV——分别为永久作用土压力的水平分力标准值与竖向力标准值对沉箱底面前趾的倾覆力矩和稳定力矩（kNm）；

MEqH、MEqV——分别为可变作用总主动土压力的水平分力标准值和竖向分力标准值对沉箱底面前趾的倾覆力矩和稳定力（kNm）；

MPR——系缆力标准值对沉箱底面前趾的倾覆力矩（kNm）；

MPB——波谷作用时水平波压力标准值对沉箱底面前趾的倾覆矩（kNm）；

MPBU——波谷作用时作用在沉箱底面上的波浪浮托力标准值对沉箱底面前趾的稳定力矩（kNm）；

（3）基床承载力验算：

基床承载力应符合下列规定：

γoγσσmax≤σγ

式中：

γo——结构重要性系数，γo=1.0；

γσ——基床顶面最大应力分项系数，γσ=1.0；

σmax——基床顶面最大应力标准值（kPa）；

σγ——基床承载力设计值，由于基床下地基为中粗砂，地质条件较好，取σγ=600kPa

基床顶面应力计算：

e=

-ξ

ξ=

当ξ

式中：

——分别为基床顶面的最大和最小应力标准值（kPa）；

VK——作用在基床顶面的竖向合力标准值（kN/m）；

B——墙底宽度（m）；

e——墙底面合力标准值作用点的偏心距（m）；

ξ——合力作用点与沉箱前趾的距离（m）；

MR、MO——分别为竖向合力标准值和倾覆力标准值对沉箱底面前趾的稳定力矩和倾覆力矩（kN·m/m）。

（4）码头整体验算

进行码头地基整体稳定性验算时，其危险滑动弧面应满足下式要求：

式中：

Msd——作用于危险滑弧面上滑动力矩的设计值（KN·m/m）

MRK——作用于危险滑弧面上抗滑力矩的标准值（KN·m/m）

γR——抗力分项系数，取1.3

（5）码头地基承载力计算

有抛石基床情况按下式计算：

式中：

V’d——作用于抛石基床底面上竖向合力的设计值（kN）；

γR——抗力分项系数，取3.0；

Ｆ’Ｋ—有抛石基床的地基极限承载力的竖向分力设计值（kN）；

6.6.4.4推荐方案的主要计算结果

重力式沉箱码头计算结果汇总见表6-7：

表6-7

计算项目

单位

作用组合值

抗力组合值

对墙底面抗倾稳定性

Kn.m

10598.3

20318.6

沿墙底面抗滑稳定性

Kn

1319.9

2011.9

沿基床底面抗滑稳定性

Kn

1319.9

1696.8

地基承载力抗力分项系数

3.14

整体稳定

Rd/Sd=1.39>1.3

非地震工况时基床顶面最大应力为556.8Kpa，地震工况时基床顶面最大应力为525.8Kpa。

注：

以上计算结果为多种工况的极限情况，并非同时发生。

6.7.工作船码头结构计算

6.7.1.船舶撞击力：

按照《港口工程荷载规范》JTJ215-98计算，分别计算靠泊和系泊状态时的船舶撞击能量。

靠泊时，根据船舶吨级限制其靠泊速度，系泊时按照附录F计算，逃跑波高为1.0m，周期4.0s。

根据计算结果，选用DA-500H-2000L标准反力型橡胶护舷，设计吸能量为154kJ，反力为956KN。

6.7.2.船舶系缆力：

按照《港口工程荷载规范》JTJ215-98第10.4条计算，计算风速取22m/s，综合考虑风和水流的共同作用，选用250KN系船柱。

6.7.3.荷载组合、主要建筑物的计算内容、计算公式：

工作船码头与液体化工码头的结构型式均为重力式沉箱结构，沉箱基床的持力层也为陆相沉积的中粗砂，故工作船码头荷载组合、主要建筑物的计算内容、计算公式等基本与液体化工码头相同。

6.7.4主要计算结果

重力式沉箱码头计算结果汇总见表6-8：

表6-8

计算项目

单位

作用组合值

抗力组合值

对墙底面抗倾稳定性

Kn.m

4402.0

6863.7

沿墙底面抗滑稳定性

Kn

855.0

988.5

沿基床底面抗滑稳定性

Kn

855.0

1017.3

地基承载力抗力分项系数

3.92

非地震工况时基床顶面最大应力为397.8Kpa，地震工况时基床顶面最大应力为375.7Kpa。

6.8.斜坡式防波堤、引堤及护岸结构计算的主要内容、计算公式及计算结果

6.8.1计算内容和荷载组合：

（1）计算内容

①斜坡堤地基整体稳定性验算；

②斜坡堤护面结构计算；

波浪爬高计算；

挡浪墙稳定计算

（2）荷载种类：

①永久作用：

包括自重力及土压力；

②可变作用：

包括波浪力、均载、可变作用引起的土压力等；

③考虑偶然（地震力）作用。

（3）荷载组合：

①按照承载能力极限状态，采用作用效应的持久组合进行地基整体稳定性验算。

②按照承载能力极限状态，采用作用效应的短暂组合进行施工期结构稳定验算。

6.8.2计算公式：

（1）进行地基整体稳定性验算时，其危险滑动弧面应满足下式要求：

式中：

Msd——作用于危险滑弧面上滑动力矩的设计值（KN·m/m）

MRK——作用于危险滑弧面上抗滑力矩的标准值（KN·m/m）

γR——抗力分项系数，取1.1.

（2）

护面块体的稳定重量按下式计算

式中：

KD——块体稳定系数

H——设计波高

正向规则波的波浪爬高按下式计算

根据《海港水文规范》（JTJ213-98）按下述公式计算

R1=KΔR1H

式中：

KΔ—糙渗系数，扭王字块体KΔ=0.47；四脚空心方块KΔ=0.55

各斜坡结构的挡浪墙稳定按下式计算

计算水位采用50年一遇极端高水位

挡浪墙延墙底抗滑稳定性的承载能力

式中：

—结构重要性系数，取1.0

—水平波浪力分项系数，取1.2

—波浪浮托力分项系数，取1.0