阜阳港某港区综合码头设计分析

阜阳港某港区综合码头设计分析

柯林杰

摘 要：通过对阜阳港某综合码头工程地形地质、水文泥沙等自然条件、设计船型、工艺布置、码头使用要求等特点的分析，从总平面布置、水工结构方案比选、桩基选型等方面阐述内河码头工程设计内容，提出结构安全稳定且符合使用要求的高桩框架结构作为推荐方案。结合淮河干流船型多，吨位大小不一、高低水位差变化大且快、码头设置多层系缆、河滩地桩基施工等因素，详细介绍高桩框架结构码头设计的重难点和要点，对高桩框架码头排架间距及桩基选型、桩径和桩长计算、结构内力计算等进行了分析论述，并给出合理化建议，可为类似码头工程设计提供参考。

关键词：内河码头；高桩框架码头；钻孔灌注桩；多层系缆；大水位差

中图分类号：U651 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）02-0151-03

淮河临淮岗闸以上河段属于天然河流，水位落差较大，适应大水位差码头主要以趸船浮码头和高桩码头结构形式为主。趸船浮码头结构适应水位差变化能力较强，主要用于散货和件杂货装卸，工程造价较低，但装卸效率较低，结构稳定性较差；高桩码头结构适应水位差变化，可用于多种货种的装卸，装卸效率较高，且结构稳定性较好。

根据不同货种工艺布置、装卸效率及现代化港口建设等要求，淮河沿线近年来码头主要以高桩码头结构为主。本文通过阜阳港某综合码头工程的设计案例，针对淮河干流高桩框架码头设计的若干技术问题进行分析与探讨。

一、工程概况

阜阳市是安徽省3大交通枢纽之一，境内河流众多，发展内河水运条件优越，阜阳港作为安徽省七个地区性重要港口之一，依托淮河流域丰富的水资源优势，已成为淮河水系内重要的水陆中转和货物集散地，将发展成为淮河沿线以煤炭及矿建材料运输为主的地区性重要港口。由于港口功能单一、泊位利用率不高等因素的影响，阜阳港难以满足地方企业货运需求，未来随着腹地经济进一步发展，对港口运输需求将日益提高，阜阳港急需增加泊位建设以服务腹地增长需求，港口服务腹地经济发展的综合能力亟待提升。

本工程位于淮河颍上县段，G35济广高速南照淮河特大桥上游约1.3km的濛河入淮口北岸，上距王家坝闸约59km，下距临淮岗闸约38km。

二、码头建设条件 1．自然条件

淮河流域地处我国南北气候过渡带，淮河以北属暖温带半湿润季风气候区，淮河以南属北亚热带湿润季风气候区。根据气象站的气象观测资料统计结果，本地区气象特征如下：

（1）多年平均气温11~16℃；极端最高气温44.5℃；收稿日期：2017-12-10

作者简介：柯林杰（1982-），男，湖北黄冈人，中交水运规划设计院有限公司工程师，主要从事港口航道及船闸工程设

计研究。

极端最低气温-24.1℃。

（2）淮河流域的暴雨多发生在6到8月，其中6、7月份主要受梅雨峰期影响，8月份主要受台风影响。多年平均降水量约为920mm，全河段总流量多年平均为1,334m3/s。

（3）阜阳市多年平均风速2.6m/s，最大风速24m/s，常风向为东北风。

（4）设计水位（国家85高程）：设计高水位：28.20m（10年一遇）；设计低水位：17.73m（98%保证率）。

（5）工程所在河段滩地上永久性建筑物较多，为河流的人工 “节点”，对河势的发展起到控制性作用。在淮河遭遇设计洪水时，港池均在洪水位以下，基本不会改变河道主槽水流的流态，对滩地水流的流态影响也较小。

（6）拟建工程地貌单元为冲洪积河谷平原，微地貌单元为河漫滩。所在区域内沉积层厚，河流地质作用以侧蚀为主。场区勘探深度范围内的地层均为第四纪晚更新世（Q3）松散堆积层。按其成因年代、成因类型从上至下可分为6个岩土大层，按岩性特征及其物理力学指标可进一步划分为10个亚层：①耕土（Q4ml）：可塑，以粘性土为主，平均厚0.63m；②粉质粘土（Q3al+pl）：可塑-硬塑，土质较均，局部含少量粉土、粉砂，平均厚19.74m；②1粉土（局部为粉砂）（Q3al+pl）：中密-密实，土质不均，局部呈粘性土状，平均厚2.72m；③1细砂（Q3al）：中密-密实，级配较差，以粉细粒为主，平均厚7.48m；③2粉质粘土（Q3al）：可塑，含粉砂团，连续分布，平均厚4.66m；④细砂（局部为中粗砂）（Q3al+pl ）：密实，土质较均，以细粒为主，平均厚10.47m；④1粉质粘土（Q3al+pl ）：硬塑，土质不均，局部粉粒含量高，平均厚4.46m；⑤1粉质粘土（Q3al ）：可-硬塑，夹细砂薄层，平均厚2.26m；⑤2细砂（局部中粗砂）

152 中 国 水 运 第18卷 （Q3al ）：密实，矿物成分为长石、石英，平均厚3.48m；⑥粘土（Q3al+pl ）：硬塑-坚硬，切面光滑，含铁锰质结核，最大揭露厚度10.10m。

2．设计船型

本项目针对淮河沿线及预测到港船型综合分析，本项目设计船型尺度如表1。

表1 设计船型一览表

总长 型宽 吃水 船型

备注

（m） （m） （m） 300t级干散货船 36～40 7.0 1.7～2.2 500t级干散货船 44～45 8.8 2.0～2.3 1,000t级干散货船 53～60 11.0 2.7～3.0 设计船型 2,000t级干散货船 63～68 13.8 3.0～3.2 兼顾船型 30～40TEU集装箱船

37～44

10.0

2.3～2.8

设计船型

3．设计荷载 （1）工艺荷载

①堆货荷载：码头前沿q1=20KPa，码头后沿q2=40KPa，；

②流机荷载：16t-25m门座起重机、45t-25m多用途门座起重机、70t汽车吊（空载运行，打支腿作业）、60t自卸车（满载）、5m3单斗装载机（满载）、40t平板车（满载）、10t叉车（满载）、集装箱牵引车/半挂车。

（2）船舶荷载： ①船舶系缆力

设计风速V=22m/s（9级风），流速V=1.5m/s计算。当风力大于9级风时船舶应离开码头到锚地避风。系缆力按《港口工程荷载规范》规范有关公式计算。

表2 系缆力计算结果

设计风速 流速 系缆力标准值选用系船柱设计船型 备注 （m/s） （m/s） （kN） （kN） 2,000DWT干散货船 22 1.5 227 350 兼顾船型 100TEU集装箱船 22 1.5 312 350 兼顾船型 1,000DWT干散货船 22 1.5 143 350 设计船型 30～40TEU集装箱船

22

1.5

179

350

设计船型

②船舶撞击力

船舶靠岸时的撞击力标准值根据船舶有效撞击能量和橡胶护舷性能曲线及靠船结构的刚度确定。船舶靠岸时最大有效撞击能82KJ，选用SA400H×2,000（标准反力型），反力550KN。

三、码头方案设计 1．总平面布置设计 （1）设计主尺度

①本工程拟建1,000t级泊位20个，根据《河港工程总体设计规范》（JTS212-2006）当在同一码头线上连续布置泊位时，其码头总长度=20×L+21×d=20×60+21×10=1,410m，取1,410m，码头面宽度根据装卸工艺需要，取28m。

②停泊水域宽度，根据规范要求，码头前沿停泊水域宽

度取2倍设计船型宽度B，本工程外侧码头前沿设计停泊水域宽度为11×2=22m，取22m，设计底高程取▽13.90m。

③回旋水域宽度，回旋水域沿水流方向的长度按船长的2.5倍计；沿垂直水流方向的宽度按船长的2倍计（可满足2,000t兼顾船型1.5倍船长回旋要求）。长轴=60×2.5=150m，取150m；短轴=60×2=120m，取120m，回旋水域标高取▽13.90m。

（2）平面布置方案

码头位于濛河分洪道北侧滩地，前沿水域通过开挖滩地形成，码头前沿线与防洪大堤平行，布置20个1,000t泊位，码头平台总长度1,410m。码头前方布置停泊水域宽22m，紧邻停泊水域布置回旋水域宽120m。进港航道采用淮河主航道设计标准，底宽60m，水深3.2m。

码头平台通过设置引桥与后方道路相连，根据工艺需要，共布置6座引桥，引桥宽15m，引桥末端与防洪大堤平交，皮带机廊道架高横跨防洪大堤至后方堆场转运站。

2．结构方案设计

（1）码头结构形式比选。工程所在区域⑥粘土，硬塑-坚硬，平均标贯击数N=48.6击，连续分布，工程地质性质好，可作为桩基持力层。根据地形地质、水文条件以及码头使用要求，为使用不同船型在不同水位情况下靠泊作业，采用了趸船浮码头和高桩码头进行结构比选。

①码头结构方案一：码头平台采用框架式桩基梁板结构，顶面高程为29.30m，平台长1,410m，宽28m。排架间距8m，共191榀，每榀排架下设7根Φ1,000钻孔灌注桩。桩顶现浇现浇横向联系梁，其上现浇1,000×1,000立柱。码头平台上部结构由横梁、前边梁、轨道梁、纵梁、后边梁、靠船立柱、现浇面板和现浇磨耗层组成，靠船立柱间设置纵向系靠船梁。根据水位差码头共设3层系缆平台，顶层系缆

平台利用码头面，其他层由连续的系靠船梁形成，第二层系缆构件高程为24.4m，第三层系缆构件高程为21.4m。码头平台前方设有350KN系船柱，系船梁上设有350KN系船柱，码头排架前沿竖向布置SA400H×2m型橡胶护舷，每跨系靠船梁江侧面横向设置一个SA300H×2m型橡胶护舷，上下平台之间设扶梯。

引桥共6座，引桥宽15m，标准排架间距16m，每榀排架下设4根Φ1,000钻孔灌注桩，上部结构为现浇帽梁、预应力空心板，现浇面层。

②码头结构方案二：该方案同方案一主要通过桩基选型和排架间距进行比选，码头排架间距7.5m，每榀排架下设8根Φ800PHC管桩，其中6根直桩，1对叉桩。上部结构同方案一，采用框架结构。

③码头结构方案三：该方案主要用于上游散货泊位，码头采用尺度45×12×2.2m（长×宽×型深）的钢质趸船，趸船采用锚链定位，拢、开锚与趸船的夹角取45°，引、领水锚与趸船纵向轴线平行，经核算趸船抛锚对直立式码头靠船无影响。趸船通过51m×3m的钢引桥固定引桥下游端衔接。

第2期 柯林杰：阜阳港某港区综合码头设计分析 153

上述3个结构方案具体优缺点详见下表。

表3 码头结构优缺点对比表

方案

优点

缺点

1、码头结构安全可靠，整体性好。

1、钻孔灌注桩施工速度慢，工期相对较

方案一

2、施工工艺成熟，可分段进行施工。 长。

3、码头可陆上施工，汛期影响较小。 2、投资相对较高。

1、码头结构安全可靠，整体性好。

1、原泥面高程较高，低水期打桩较困难。 方案二

2、码头水上施工，且汛期对施工影响大。

2、桩基沉桩速度快。

3、投资相对较高。 1、码头通过船厂定制，对施工现场影响

1、结构稳定性较差。

小。

方案三

2、天水位变化较快，锚链调节较频繁。 2、现场仅需抛锚定位，施工速度快。

3、船舶需移档作业，装卸效率低。

3、工程造价低。

通过上述比较，3个结构方案均能满足码头使用要求，综合考虑结构安全稳定性、码头装卸效率、工程建设成本和现代化绿色港口建设理念等因素，推荐方案采用结构方案一。

图1 码头推荐方案断面图

（2）码头结构内力计算。

码头及引桥排架采用staad空间结构计算，推荐方案计算结果如表4所示。

表4 码头计算结果表

构件名称

承载能力极限状态

正常使用极限状态

弯矩设计值（kN·m）

395 177 桩基 （Φ1000）

轴力值（kN） 3,882 2,531 单桩承载能力（kN）

4,820 — 弯矩设计值（kN·m）

1,261 807 立柱

轴力值（kN）

5,976 3,837 最大正弯矩设计值（kN·m）

4,587 2,371 横梁

最大负弯矩设计值（kN·m） -5,257 -2,570 最大剪力设计值（kN）

2,711 1,783 排架

最大位移（mm）

—

5

通过计算结果可知，码头结构安全稳定性满足规范要求，桩基承载力满足稳定要求。主体结构方案设计合理，排架间距、桩型和桩长选择较为合理，设计中体现了码头使用功能、现代化绿色港口建设理念、经济合理性等多方面的统一。

3．设计要点

结合阜阳港某综合码头的设计，对淮河干流类似码头设计结构选型、结构特点、受力特征和桩型选型等进行了探讨。

（1）本码头分散货和多用途泊位，泊位数量多，属于综合性码头，引桥较多，后方陆域占地面积大，平面布置和工

艺设计较为复杂，涉及要素较多，需要系统综合考虑。

（2）随着引江济淮水运通道的建设开通以及淮河干流航道升级整治，阜阳高等级航道网更加密集完善，货运量会有大幅增加，船舶数量也会急剧增加，到港船型将不仅限于淮河系列船型，因此本工程需考虑多种船型的系靠泊作业要求。

（3）传统高桩（框架）码头多采用PHC管桩，本工程结合码头所在河滩地原地面较高，非汛期都在常水位以上，PHC桩水上沉桩设备进场受限等因素，采用钻孔灌注桩。钻孔灌注桩虽然施工周期长，但是对于粘性土质施工质量能较好控制，适应土层变化能力较强，抗弯性能好，结构安全稳定可靠。

（4）码头桩基较多，引桥数量多且较长，设计中需考虑结构对淮河行洪的影响。码头面高程需要考虑规范要求的超高，同时还要考虑对防洪的影响，因此本工程码头面设计标高超出规范建议的高水位加0.1~0.5m超高，对低水位作业效率有一定的影响。

（5）码头停泊和回旋水域需开挖滩地形成内港池，建议工程建成运营后加强工程河段泥沙淤积观测，以便及时疏浚或采取相应工程措施，减少淤积，避免因内港池淤积影响船舶停靠和码头正常作业。

四、结论

高桩框架码头具有结构轻、砂石用料省、泊稳条件好等诸多特点，在淮河干流及其他水位落差较大的天然渠化河流中应用较为广泛。本工程案例通过总平面布置、码头结构形式选取、桩基选型和结构计算等详细分析介绍工程设计要点，结合淮河干流及沙颍河、京杭运河等河流沿线不同吨位船型多，水位落差大，桩基沉桩需考虑水位及大型沉桩船机设备进场等因素特点，总结出淮河干流沿线高桩框架码头工程设计要点为：结构应考虑水位落差大，船型大小不一的特点，码头需要考虑多层系缆，常规的高桩梁板结构一般能满足最

多两层系缆，但是内河船型大小不一，且干舷较低，设计高、低水位一般超过6m，需要设置至少3层系缆，码头结构需要采用框架结构，满足多层系缆要求；多层系缆码头面开孔较多，考虑走道板的设置，前边梁断面需适当加宽；内河码头一般建于防洪大堤内侧，淮河滩地较宽，主要在汛期才会被淹没，码头桩基施工时往往受水深条件和沉桩船机设备进场的限制，多采用钻孔灌注桩。通过以上工程案例的设计总结，可为类似水头差的内河码头设计提供参考。

参考文献

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