某煤码头升级改造方案优化设计

周远方;陈新

【摘 要】针对传统高桩墩式码头加固方案的施工困难等问题,提出了在墩台前新建柔性结构承担新荷载的码头加固方案.并从安全性、适用性、经济性、施工便利性等方面探讨墩台前设置柔性靠船桩簇方案的优缺点和适应性.%This paper has discussed difficult construction and other issues in the reinforcement scheme for traditional high-piled pier wharf,and puts forward a new scheme in which a flexible structure is constructed in front of the pier to bear additional loads.The advantages and disadvantages and adaptability of this new scheme with flexible clustered fender piles in front the pier have been analyzed from aspects of safety,applicability,economy and construction convenience. 【期刊名称】《水运工程》 【年(卷),期】2018(000)002 【总页数】5页(P69-73)

【关键词】升级改造;结构优化;靠船桩簇;方案筛选 【作 者】周远方;陈新

【作者单位】中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,湖北 武汉430040;中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,湖北 武汉430040

【正文语种】中 文 【中图分类】U656

近10年来随着三峡工程的建成及国家对长江航道不断治理,长江航道水位不断提升,长江航运船型和载质量也发生较大变化：江船普遍向加长、加宽方向发展,上下游全年5 000吨级船只到港已呈常态化,长江沿岸部分码头等级偏低的问题越来越严重,而沿江优良深水岸线越来越少。为了适应船舶大型化发展趋势和提高岸线利用率需要对老码头进行加固改造,以提高码头的靠泊能力和港口岸线利用率。 本文通过对岳阳某煤码头升级改造方案的分析论证,阐述了在码头升级改造设计中如何从安全性、适用性、经济性、施工便利性等方面进行方案的多角度对比,为码头改造方案对比提供参考。 1 工程概况

工程位于岳阳某港,为某电厂煤炭进口码头。

码头所在位置自然条件如下：设计高水位为32.55 m(频率2%),设计低水位为15.72 m(保证率98%),河底高程7 m,水流流速2 m/s。码头前沿距离航道边线100 m左右。

码头共布置了3个1 500吨级泊位,其中1#泊位采用浮码头结构形式,由趸船和皮带机廊道组成;2#泊位采用墩台结构,由6座10 m×10 m系靠船墩(编号1#～6#)和一艘22 m×16 m的趸船(趸船在2#、3#墩台之间)组成,1#～2#泊位共用一条卸煤皮带线;3#泊位目前已拆除,仅剩趸船定位桩(图1)。 图1 原码头平面布置(单位：m)

1#泊位在趸船上布置了一套悬链斗卸船机卸煤,2#泊位原有一套螺旋卸船机及趸船,2011年9月,电厂拆除了螺旋卸船机,并在2#泊位趸船上增设一条短皮带机连接

卸煤皮带线,租用一浮吊与链斗卸船机进行联合卸煤作业。

两泊位卸船机每天的工作时间超过20 h,卸煤量才能满足电厂用煤量需求,设备长期处于超负荷运转状态,且目前随到港船舶日益增大,全年5 000吨级船只到港已呈常态化,悬链斗卸船机无法卸载大吨位到港船只原煤,只能通过租用浮吊过驳到甲板驳,再用悬链斗卸船机卸船,既降低了卸船的综合效率,也增加了卸船成本。基于以上原因,电厂提出对码头2#泊位进行改造,以便能停靠并卸载5 000吨级的煤船。 工程主要的问题和特点有：

1)升级等级相差较大。原码头的设计等级为1 500吨级的甲板驳,本次升级改造的目标是改造后可靠泊5 000吨级散货船。新旧码头等级相差较大,系缆力和撞击力变化较大。

2)岸线紧张,无多余岸线可利用。改造泊位下游25 m处为电厂1#泊位趸船,上游18 m处为电厂原3#泊位趸船定位桩,可利用的岸线有限。因此需尽量利用现有131 m岸线长度。

3)改造迫在眉睫。目前码头要满足电厂机组发电需要,每天卸煤量需达1万～1.2万t,这样卸船机每天的工作时间超过20 h,设备长期处于超负荷运转状态,且租用浮吊过驳到甲板驳上,再用悬链斗卸船机卸船,既降低了卸船的综合效率,也增加了卸船成本。基于安全、工作效率和成本考虑,本工程改造迫在眉睫。

4)改造工程不得影响电厂正常发电需要。作为电厂专用码头,在改造期间为了保证电厂机组正常发电运行,改造方案需考虑不影响1#泊位正常卸煤。

综上所述,码头改造方案设计时尽量考虑利用现有结构和岸线,在保证结构安全和不影响电厂正常发电的前提下,尽量缩短建设时间和降低改造费用。 2 改造方案及优化创新

本次加固改造主要解决以下2个问题：1)5 000吨级设计船舶靠泊和系缆的问题;2)进口煤炭装卸作业的问题。

2.1 方案1

根据工程的基本情况,原考虑的设计方案1为改造现有墩台的浮码头方案[1]。 在现有墩台前沿以纵向皮带机为中心,布置一艘85 m×18 m×2.3 m趸船进行装卸作业,装卸设备选用2台16 t-35 m抓斗浮式起重机并配备一台双联漏斗,漏斗下设置一条带宽B=1 200 mm、v=2.5 ms皮带机与后方趸船(22 m×16 m)上原有带式输送机系统衔接(图2)。 图2 方案1平面布置(单位：m)

趸船靠泊可利用原有1#～4#墩台,为了满足结构安全,经过计算,需将原1#墩台平面尺度加大到10 m×18 m,增加的平台部分增设4根φ1 000 mm的钢管桩斜桩[2],并通过植筋的方式加强新建墩台与原墩台的连接。拆除原靠船墩上的靠泊设施,改设DA-A500H型橡胶护舷,供趸船停靠使用(图3a))。

趸船系缆可利用6#墩台作为首缆,1#、5#墩台作为横缆,尾缆利用码头下游1#泊位趸船。在1#、5#、6#墩台的上下系缆平台中间增加一层钢结构系缆平台,顶层平台上设置550 kN系船柱,第2、3层平台上分别设置450 kN带缆桩(图3b)),同时在1#泊位趸船上增设系船桩以满足趸船在不同水位系缆要求。

图3 墩台改造结构(尺寸：mm;高程：m)

方案1虽在技术上可行,但是施工难度大：1)新增平台与原平台接触面需凿毛钻孔植筋,施工复杂且结合面受力薄弱;2)墩台桩基施工为水上施工,施工桩基位于原墩台靠岸侧,受皮带机廊道和1#泊位干扰,大型打桩船设备进入现场不是很方便,且桩基施工对1#泊位运营影响较大。为了解决以上问题,需对方案1进行优化。 2.2 优化方案设计

优化设计方案思路主要从解决桩基施工难题出发,共考虑了2种优化方案(分别为方案2和方案3)：其中方案2将1#～4#墩台扩建平台(8 m×10 m)位置移到原墩台

靠江侧,增加的平台部分增设4根φ1 000 mm的嵌岩钢管桩直桩(图4),其余同方案1。

方案2同方案1的优缺点比较见表1。

方案2同方案1造价相当,方案2主要优点是施工方便,不影响1#泊位正常运营;但是相比方案1,方案2前沿线往江侧多移动了8 m,对通航影响较大,且方案2扩建平台前沿只能设计成直桩,直桩抗水平力比斜桩差,不利于结构安全。

表1 方案优缺点对比方案前沿线墩台位移施工方便性方案1(原设计方案)前沿线往江侧移动了18m墩台位移14mm桩基施工干扰大,斜桩施工难度大方案2前沿线往江侧移动了26m,比方案1多占用了8m宽水域墩台最大位移22mm直桩靠江侧施工方便

图4 方案2平面布置(单位：m)

方案3采用不改造1#～4#墩台,在1#～2#和3#～4#墩台之间的靠江侧新增2组柔性靠船桩簇,利用靠船桩簇控制趸船位置(图5)。 图5 方案3平面布置(单位：m)

每组靠船桩簇由3根φ1 400 mm×20 mm的嵌岩钢管桩组成,桩嵌岩深度6.5 m,内灌混凝土18 m,桩中心距3 m;钢管桩通过联系撑连接。采用DA500H标准反力型橡胶护舷[3](图6)。靠船桩簇通过NL法[4]对柔性靠船桩簇的水平承载力计算,在计算过程中考虑了前排桩的桩后土体应力松弛[5],引入桩侧土抗力群桩折减系数η。水平地基反力系数kN=700 kNm2,水平力作用点距泥面高度为26.5 m,前排桩折减系数η取0.85。经过计算,设计高水位(作用点距泥面25.5 m)时,

护舷反力为403 kN[6],变形量为13%,护舷吸能18 kJ,按总撞击能的22.5%。桩顶位移变形量0.32 m,吸能62 kJ。由此可见,在墩台前部布置靠船桩簇可以有效利用桩的变形以减少护舷和主体结构受到的撞击力。 图6 靠船桩簇结构(尺寸：mm;高程：m)

两个优化方案在技术上均可行。通过表2的综合比较,柔性靠船桩簇方案结构更安全;占用水域范围少,对航道影响更小;施工方便;改造费用低,优先选用靠船桩簇方案。 表2 优化方案优缺点比较方案结构位移前沿线施工方便性费用方案21#～4#墩台在趸船撞击力作用下,最大位移20mm前沿线往江侧移动了26m,比原设计方案多占用了8m宽水域墩台新老混凝土结合面植筋施工比较复杂且结合面为受力薄弱区,使用期间对结构安全不利改造工程费用为4864万元方案3柔性靠船桩簇通过钢桩变位和橡胶护舷变形来吸收船舶撞击能量,趸船与原码头墩台预留2.5m安全距离,墩台不受力,对原结构无不利影响前沿线往江侧移动了20.5m,比原设计方案多占用了2.5m宽水域靠船桩簇为新建工程,施工方便改造工程费用为3982万元 3 结语

1)方案3柔性靠船桩簇方案相比扩建墩台方案减少了工程造价,经计算,造价由4 864万元降为3 982万元,降低造价约18%。

2)柔性靠船桩簇方案桩基施工不受皮带机和上游1#泊位干扰,施工方便且不影响1#泊位正常运营。

3)本工程改造等级相差较大,撞击能量由47 kJ增大到70 kJ,柔性靠船桩簇通过钢桩变位和防撞设施(橡胶护舷)变形来吸收船舶撞击能量。趸船和墩台间留有2.5 m安全距离,保证撞击能力不作用到原码头结构上,对原码头结构起保护作用。 参考文献：

[1] 中交第二航务工程勘察设计院有限公司.河港工程总体设计规范:JTJ 212—2006[S].北京:人民交通出版社,2006.

[2] 中交第三航务工程勘察设计院有限公司.港口工程桩基规范:JTS 167-4—2012[S].北京:人民交通出版社,2012.

[3] 中交水运规划设计院有限公司.水运工程钢结构设计规范:JTS 152—2012[S].北京:人民交通出版社,2012.

[4] 中交水运规划设计院.港口工程桩式柔性靠船设施设计与施工技术规程:JTJ 279—2005[S].北京:人民交通出版社,2005.

[5] 韩理安.水平承载桩的计算[M].长沙:中南大学出版社,2004.

[6] 广州海宁橡胶有限公司.橡胶护舷设计选型手册[R].广州:广州海宁橡胶有限公司,2014.