蘭加智
(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200032)
連云港腹地鋼廠對外貿(mào)進(jìn)口鐵礦石的需求巨大,而該地區(qū)沿海港口接卸能力不足,根據(jù)我國外貿(mào)鐵礦石接卸港口的總體布局,本項(xiàng)目將通過鐵路為腹地隴海沿線鋼廠每年提供3 000萬t的鐵礦石,采用水水中轉(zhuǎn)的方式每年為長江下游鋼廠提供600萬t的鐵礦石,以滿足江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,工程年設(shè)計(jì)吞吐量為4 200萬t。連云港港外貿(mào)進(jìn)口鐵礦石主要來自印度、澳大利亞、巴西以及南非等國家,考慮到近年來連云港港鐵礦石運(yùn)輸船舶大型化的客觀情況,和世界航運(yùn)市場運(yùn)輸船型的發(fā)展趨勢,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)代表船型選用25萬噸級散貨船,水工結(jié)構(gòu)兼靠30萬噸級散貨船,以提高泊位對靠泊船型的適應(yīng)性[1]。
擬選位置:按照大型散貨碼頭建設(shè)需具備的基本條件、港口和城市總體規(guī)劃的要求,本工程選址在連云港港區(qū)旗臺作業(yè)區(qū)海軍基地東側(cè)。
本工程是我國目前一次性建設(shè)規(guī)模最大的礦石碼頭,是連云港港旗臺作業(yè)區(qū)的起步工程,工程總體設(shè)計(jì)的要點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面:
1)碼頭布置形式的選擇。連云港港區(qū)現(xiàn)有碼頭基本采用滿堂式布置形式,港口習(xí)慣了該種碼頭營運(yùn)管理。本工程碼頭布置形式是沿襲傳統(tǒng),還是在旗臺作業(yè)區(qū)首次采用棧橋式形式,是工程總體設(shè)計(jì)首先要解決的問題。
2)碼頭前沿線位置的選擇。碼頭前沿線位置與工程水域面積、陸域面積密切相關(guān),對旗臺作業(yè)區(qū)所有后續(xù)工程的港區(qū)面積有直接影響。在邊界條件受限的條件下,既要考慮船舶進(jìn)出碼頭對水域的需求,又要盡可能增加陸域面積,碼頭前沿線位置的選擇成為工程總體設(shè)計(jì)是否合理的關(guān)鍵因素之一。
3)碼頭、陸域高程的確定。作為起步工程,碼頭面高程、陸域高程的設(shè)計(jì)既要安全可靠,又要經(jīng)濟(jì)合理;既要滿足港口現(xiàn)狀條件,又要適應(yīng)港口不斷發(fā)展帶來的邊界條件的變化;既要滿足本工程需要,又要兼顧后續(xù)工程建設(shè)。因此,高程設(shè)計(jì)是本工程總體設(shè)計(jì)的主要問題之一。
1)工程規(guī)模大。本工程年設(shè)計(jì)吞吐量4 200萬t,其中卸船量為3 600萬t/a,裝船量為600萬t/a,火車出運(yùn)能力3 000萬t/a。2個(gè)泊位總長755m,最大兼顧靠泊船型為30萬噸級散貨船。
2)使用要求高。按照港區(qū)功能要求,碼頭設(shè)計(jì)可同時(shí)???艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè),或者同時(shí)進(jìn)行1艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè)與1艘5萬噸級散貨船裝船作業(yè),后方還可以進(jìn)行火車的裝車作業(yè);根據(jù)使用要求,堆場荷載大,使用期堆載達(dá)到320 kN/m2。
連云港港區(qū)有旗臺、馬腰、廟嶺、墟溝和大堤作業(yè)區(qū),根據(jù)總體規(guī)劃,旗臺作業(yè)區(qū)規(guī)劃為散貨作業(yè)區(qū)[2];馬腰作業(yè)區(qū)是已建成的老港區(qū),為散雜貨作業(yè)區(qū);廟嶺作業(yè)區(qū)已基本建成,為集裝箱、散貨作業(yè)區(qū);墟溝作業(yè)區(qū)為散雜貨作業(yè)區(qū),除預(yù)留的2個(gè)10萬噸級泊位尚未建設(shè)外,其余岸線已建設(shè)完畢;大堤作業(yè)區(qū)規(guī)劃為集裝箱作業(yè)區(qū),尚未開發(fā)建設(shè)。按照港口規(guī)劃和城市總體規(guī)劃的要求,本工程選址在連云港港區(qū)的旗臺作業(yè)區(qū)。
本工程是旗臺作業(yè)區(qū)的起步工程,其碼頭布置形式、碼頭前沿線位置和碼頭、陸域高程的選取直接影響后續(xù)工程的建設(shè)。
1)波浪:工程主要受NE向、N向波浪作用。工程建設(shè)時(shí),碼頭前沿NE向50 a一遇波浪在設(shè)計(jì)高水位5.40m時(shí),H1%=4.7m,L=88.8m,T=8.0 s;駁岸前 H1%=3.29 m,L=70.9m,T=8.0 s。旗臺作業(yè)區(qū)防波堤建成后,碼頭前沿N向50 a一遇波浪在設(shè)計(jì)高水位時(shí),H1%=4.1m,L=66.9m,T=6.7 s;駁岸前 H1%=2.87m,L=56.4m,T=6.7 s。
2)潮流:為正規(guī)半日潮,潮流流速方向基本與岸線走向或等深線走向平行,工程區(qū)域最大流速0.65m/s。
3)泥沙:連云港海灣東口海域由淤泥質(zhì)淺灘構(gòu)成,近岸水體年平均含沙量一般在0.21~0.24 kg/m3左右。
工程區(qū)域水下地形平坦,天然泥面標(biāo)高一般在-2.0~-3.2m。地質(zhì)條件復(fù)雜,上部淤泥層底標(biāo)高-23.00~-13.55 m;下面夾有一層軟弱黏土,厚1.6~9.1m,含水量47.7%,層底標(biāo)高-38.27~-34.06m。
總體布置的主要技術(shù)思路是:
1)根據(jù)自然條件,結(jié)合工程特點(diǎn),考慮當(dāng)?shù)乩?、流、工程泥沙等綜合作用,選擇碼頭布置形式;
2)根據(jù)工程用地需求,結(jié)合水域條件,考慮當(dāng)?shù)乩恕⒘?、工程泥沙等綜合作用,選擇碼頭前沿線位置;
3)根據(jù)“投資節(jié)省、結(jié)構(gòu)可靠、使用安全”的原則,確定碼頭、陸域高程。
碼頭接岸形式通常要結(jié)合工程區(qū)域地形地質(zhì)條件、泊位性質(zhì)、建設(shè)規(guī)模、工程投資、施工周期和風(fēng)險(xiǎn)等多種因素綜合考慮。通常采用兩種形式,即①滿堂式,通過簡支跨將碼頭與陸域連成一體,連云港港區(qū)已建碼頭絕大多數(shù)采用這種形式;②棧橋式,通過引橋?qū)⒋a頭與后方陸域連接,長江下游深水碼頭大多采用這種連接方式,沿海地區(qū)港口很多碼頭也采用這種形式。本工程比選考慮下列因素:
1)工程地質(zhì)條件。擬建工程所處位置表層淤泥厚達(dá)20m,下面還夾有一層厚達(dá)9.1m、含水量47.7%的軟弱黏土層。表層淤泥可以采取工程措施進(jìn)行處理,對下部黏土夾心層,既使采取工程處理措施,一般來說效果不好,且費(fèi)用昂貴。在使用期,黏土夾心層在回填土和使用荷載的作用下將產(chǎn)生沉降。由于土體受力后運(yùn)動(dòng)機(jī)理非常復(fù)雜,目前科技條件還不能完全定量分析。從已有工程經(jīng)驗(yàn)來看,除垂直沉降外,駁岸還可能出現(xiàn)水平側(cè)移現(xiàn)象,這種情況對駁岸附近的樁基是不利的,其工程危害是:一方面樁基將產(chǎn)生負(fù)摩擦力,另一方面在土體的側(cè)向推擠下樁基有可能發(fā)生破損。棧橋式接岸方案,可以通過增加引橋排架跨度、減少駁岸附近樁基數(shù)量等措施,最大限度地降低工程風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)由于接岸樁基數(shù)量較少,即使出現(xiàn)樁基受損情況,工程修復(fù)也比較容易實(shí)現(xiàn)。滿堂式方案接岸樁基較密、數(shù)量多,樁基受損的概率相對要高,碼頭修復(fù)方案實(shí)施難度大,風(fēng)險(xiǎn)較高。
2)泊位性質(zhì)。作為專業(yè)化散貨泊位,碼頭上卸船時(shí)采用橋式抓斗卸船機(jī),裝船時(shí)采用專用裝船機(jī),貨物的水平運(yùn)輸全部通過皮帶機(jī)輸送,除少量的維修車輛、參觀車輛等需要上碼頭外,其它車輛一般不需要進(jìn)入碼頭區(qū)域。因此,滿堂式和棧橋式碼頭都能夠滿足專業(yè)化散貨泊位的這種需要。
3)建設(shè)規(guī)模。本工程設(shè)計(jì)吞吐量達(dá)到4 200萬t/a,后方堆場需要的面積大。滿堂式布置能夠增加碼頭區(qū)面積,但受岸坡穩(wěn)定的制約,并不能增加陸域面積,因而增加的碼頭面積不能有效地轉(zhuǎn)化為專業(yè)化散貨堆場,只能部分地作為臨時(shí)堆場使用,因此,這種布置實(shí)質(zhì)上不能提高專業(yè)化散貨碼頭的堆存能力,反而增加了水工建筑物的工程投資。棧橋式與滿堂式的后方陸域布置相同,可以滿足工程用地需要。
4)工程投資。 滿堂式布置增加了一部分作用不大的碼頭面積,接岸處采用的沖孔樁數(shù)量較多,工程投資增加。采用棧橋式布置,碼頭面積相對較小,接岸處沖孔樁數(shù)量也少,工程投資較低。
5)施工周期。與棧橋式相比,滿堂式增加了水工建筑物的建設(shè)面積,增加了沖孔樁數(shù)量,施工難度也提高了,碼頭建設(shè)的施工周期必將相應(yīng)增加。
我國現(xiàn)有的大型礦石碼頭,如寶鋼馬跡山礦石碼頭、曹妃甸25萬噸級礦石碼頭、大連港礦石碼頭、天津港南疆專業(yè)化礦石碼頭等均采用棧橋式布置,建成后使用效果非常好。通過上述因素綜合比選,結(jié)合已建工程的成功經(jīng)驗(yàn),本工程碼頭布置形式選擇棧橋式。
一般來說,要結(jié)合地形、地質(zhì)、浪、流、工程泥沙等自然條件以及工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)型式、航道狀況等因素綜合分析,選擇碼頭前沿線走向和位置。工程區(qū)域水下地形平坦,土層分布比較均勻,波浪方向明確,水流較為平緩,自然條件對碼頭前沿線位置的影響較小。本工程規(guī)模大,對陸域面積的需求也大,工程陸域主要通過圍海造陸形成,因此,碼頭前沿線與航道之間保持多大距離直接關(guān)系到陸域面積和水域布置。碼頭前水域需求與選定的代表船型尺度密切相關(guān),如果選取的代表船型尺度較大,則船舶回旋需要的水域尺度必然較大,陸域縱深將會相應(yīng)地減小。由于連云港港區(qū)陸域狹窄,適度控制水域尺度、盡量增加陸域縱深是本工程總體布置設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)思想。
考慮到作業(yè)區(qū)起步工程的屬性,選擇本工程碼頭前沿線位置時(shí),應(yīng)分析旗臺作業(yè)區(qū)散貨碼頭靠泊船型的分布狀態(tài),結(jié)合現(xiàn)狀航道、規(guī)劃航道等因素綜合確定。旗臺作業(yè)區(qū)規(guī)劃的靠泊船型以10萬~15萬噸級散貨船為主,兼顧25萬噸級泊位的需要,統(tǒng)籌考慮起步工程和后續(xù)工程的利益,設(shè)計(jì)選取15萬噸級散貨船作為碼頭前沿水域?qū)挾仍O(shè)計(jì)的控制船型。按照海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范,碼頭前港池寬度以15萬噸級散貨船1.5倍船長(433.5m)作為基本控制尺度,確定:碼頭前沿線走向與航道中心線平行;碼頭前沿線位置距現(xiàn)狀7萬噸級單向航道南邊線487m,距當(dāng)時(shí)正在實(shí)施的15萬噸級單向航道南邊線480m[3],距規(guī)劃30萬噸級航道南邊線432m(見圖1)。經(jīng)選取的碼頭前沿線位置兼顧了港池水域?qū)挾取㈥懹蚩v深的需要,適應(yīng)了航道近期營運(yùn)和遠(yuǎn)期發(fā)展的需要,同時(shí)很好地照顧到了25萬噸級散貨船船舶回旋水域的需要,因而實(shí)現(xiàn)了本工程與旗臺作業(yè)區(qū)后續(xù)工程的合理銜接。
圖1 碼頭前沿線與航道關(guān)系圖
受東西連島、西大堤和東防波堤的掩護(hù),灣內(nèi)波浪一般不超過1.6m,連云港港區(qū)已建港口工程碼頭、陸域高程通常為7.0m。本工程位于旗臺作業(yè)區(qū),灣內(nèi)原有掩護(hù)條件不足以提供N向、NE向的有效掩護(hù),因此,本工程包括旗臺作業(yè)區(qū)的后續(xù)工程受外海風(fēng)浪的影響較大。
港區(qū)高程設(shè)計(jì)與水位、波浪條件密切相關(guān),還與水工建筑物結(jié)構(gòu)型式、承受波浪的能力相關(guān)。本工程高程設(shè)計(jì)綜合考慮了以下因素:
1)選擇合適的波浪標(biāo)準(zhǔn)作為計(jì)算前提。在港區(qū)碼頭、陸域高程的選擇上,設(shè)計(jì)綜合考慮了水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全和工程投資的控制因素。在本工程建設(shè)的同時(shí),旗臺作業(yè)區(qū)防波堤工程的前期工作正在進(jìn)行中??紤]到2個(gè)工程的建成時(shí)間相差不會太長,設(shè)計(jì)選擇防波堤建成后的波要素來計(jì)算港區(qū)高程,這樣可適當(dāng)降低碼頭面高程和陸域高程,節(jié)省工程投資,并可以部分提高碼頭裝卸作業(yè)效率;選擇防波堤建成前的波要素來對水工建筑物的結(jié)構(gòu)以及碼頭面高程進(jìn)行復(fù)核,一方面確保結(jié)構(gòu)安全,另一方面避免在這種設(shè)計(jì)工況下碼頭面上水,確保碼頭的正常營運(yùn)。
2)選擇合適的上部結(jié)構(gòu)高度??紤]到本工程碼頭剛度大、整體性好、結(jié)構(gòu)抵抗浪、流的能力較強(qiáng),設(shè)計(jì)選擇上部面板高度作為碼頭上部結(jié)構(gòu)的高度,既充分利用了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,又降低了碼頭面高程。
3)碼頭面高程的確定。碼頭面高程計(jì)算式:
式中:E為碼頭面高程,m;HWL為設(shè)計(jì)高水位,m;η0為設(shè)計(jì)高水位時(shí)重現(xiàn)期為50 a一遇的H1%(波列累積頻率為1%的波高)靜水面以上波峰面高度,m;h為碼頭上部結(jié)構(gòu)高度,m;Δ為波峰面以上至上部結(jié)構(gòu)底面的富裕高度,m,可取0~1.0m。
碼頭面與引橋面高程的計(jì)算見表1。
表1 碼頭面與引橋面高程計(jì)算與復(fù)核 m
通過計(jì)算,確定碼頭面、引橋面高程為8.5m,兼顧了碼頭的使用要求和結(jié)構(gòu)安全。
4)陸域高程的確定。工程區(qū)域設(shè)計(jì)高潮位為5.40m,極端高潮位為6.53m,由于陸域圍堰為透水結(jié)構(gòu),選擇陸域設(shè)計(jì)高程為7.0m,與引橋連接的北圍堤處陸域高程為8.5m。考慮到后期陸域的沉降問題,設(shè)計(jì)預(yù)留了部分沉降量,近期陸域高程取7.3m,前方陸域通過4%坡度過渡到后方陸域。
港區(qū)功能要求,碼頭可同時(shí)???艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè),或者同時(shí)進(jìn)行1艘25萬噸級散貨船卸船作業(yè)與1艘5萬噸級散貨船裝船作業(yè),后方還可進(jìn)行火車的裝車作業(yè)。為滿足功能要求,對港區(qū)平面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。
為滿足船舶同時(shí)作業(yè)的需要,碼頭長755m;考慮到碼頭上皮帶機(jī)棧橋布置、抓斗落地、清艙機(jī)吊運(yùn)和車輛通行,大機(jī)軌距30m,碼頭寬38m。碼頭前沿停泊區(qū)取2倍設(shè)計(jì)船寬(25萬噸級散貨船),為108m,設(shè)計(jì)底標(biāo)高-24.3m;調(diào)頭區(qū)回旋圓直徑采用2倍設(shè)計(jì)船長(25萬噸級散貨船),為655m,近期設(shè)計(jì)底標(biāo)高-16.5m,遠(yuǎn)期隨著30萬噸級航道工程的建設(shè)同步浚深調(diào)頭區(qū)水深。碼頭與陸域通過3座引橋連接,引橋?qū)?2~19m。陸域縱深862 m,寬937m,前方陸域自北圍堤處8.5m高程通過4%坡度過渡到后方陸域7.3m高程;后方陸域平行碼頭方向布置7條斗輪堆取料機(jī)作業(yè)線和4條火車裝車線(見圖2)。
圖2 連云港港旗臺作業(yè)區(qū)25萬噸級礦石接卸碼頭工程效果圖
碼頭卸船采用4臺抓斗卸船機(jī),額定生產(chǎn)能力為3 000 t/h;卸船接運(yùn)采用軌內(nèi)高架棧橋上海側(cè)的2條帶式輸送機(jī),正常卸船作業(yè)以2臺卸船機(jī)對1條卸船輸送機(jī),2條輸送機(jī)BC1在碼頭東端的1號轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)將礦石轉(zhuǎn)卸至引橋上的2條輸送機(jī)BC2上。裝船機(jī)布置在卸船機(jī)東側(cè),額定能力為6 000 t/h,其停機(jī)位置不影響2個(gè)泊位的正常卸船作業(yè),裝船集運(yùn)采用棧橋上陸側(cè)的1條輸送機(jī)。
大宗散貨的火車裝車有兩種方案:一是采用定點(diǎn)裝車的倉式火車裝車樓,通過火車的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)每節(jié)車皮的礦石裝料任務(wù),該方案需要的裝車線大于2倍整列車皮的長度;二是采用移動(dòng)式裝車機(jī),火車不動(dòng),通過裝車機(jī)的移動(dòng)對每節(jié)車皮逐一給料,該方案需要的裝車線大于1倍整列車皮的長度。受陸域條件制約,設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)式裝車機(jī)方案,裝車機(jī)4臺,額定生產(chǎn)能力為3 000 t/h,軌距9m。
根據(jù)本工程礦石運(yùn)量大、礦石品種多、貨物堆存期長、工藝流程要求靈活切換特點(diǎn),結(jié)合陸域條件,在滿足卸船進(jìn)場、裝船出場、裝火車出場的流程作業(yè)線數(shù)的基本要求前提下,堆場料堆走向按東西向平行碼頭布置,東進(jìn)西出,全部采用堆、取合一的寬料堆斗輪堆取料機(jī)的布局方案,實(shí)現(xiàn)堆場容量的最大化。后方陸域布置8條礦石堆場,設(shè)置堆、取合一的斗輪堆取料機(jī)7臺,額定堆料能力為6 000 t/h,額定取料能力為3 000 t/h,軌距10m。
卸船水平輸送工藝系統(tǒng):為適應(yīng)25萬噸級礦石船的卸船作業(yè),并配合額定生產(chǎn)能力3 000 t/h橋式抓斗卸船機(jī)的作業(yè),礦石卸船進(jìn)場采用雙路額定生產(chǎn)能力為6 000 t/h的帶式輸送機(jī)輸送線進(jìn)入7條堆取料機(jī)線的任意2條進(jìn)場堆垛。進(jìn)場帶式輸送機(jī)帶寬1.8m,帶速3.15m/s。
裝船水平輸送工藝系統(tǒng):裝船系統(tǒng)采用移動(dòng)式裝船機(jī)裝船,堆場出場裝船水平輸送系統(tǒng)選用1路額定生產(chǎn)能力為6 000 t/h的帶式輸送機(jī),可視船型大小采用2條堆場斗輪堆取料機(jī)同時(shí)或單一堆場取料向該條帶寬1.8m,帶速3.15m/s出場裝船帶式輸送機(jī)線供料。
裝車水平輸送工藝系統(tǒng):裝車系統(tǒng)采用4臺軌道式移動(dòng)火車裝車機(jī),堆場出料供料可通過堆場7條斗輪堆取料機(jī)線中的4條分別向4條火車裝車輸送機(jī)線供料,裝車水平輸送機(jī)采用額定生產(chǎn)能力為3 000 t/h的帶式輸送機(jī),其帶寬1.4m,帶速3.15m/s。
本工程碼頭于2008年底建成,后方堆場的主要部分于2009年底建成,但由于海軍基地尚未遷走,進(jìn)線鐵路未能建設(shè)。工程投產(chǎn)后主要進(jìn)行水水中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù),2010年完成吞吐量810萬t(截至11月底),從投產(chǎn)運(yùn)行情況來看,工程總體運(yùn)轉(zhuǎn)正常。本工程的建設(shè),提高了我國大型專業(yè)化散貨碼頭的工藝水平,體現(xiàn)了我國港口工程的技術(shù)進(jìn)步,為我國港口建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。工程總體布置設(shè)計(jì)具有以下技術(shù)特點(diǎn):
1)連云港港25萬噸級礦石接卸碼頭是我國目前一次性建設(shè)規(guī)模最大的礦石碼頭,是國內(nèi)首次采用3 000 t/h橋式抓斗卸船機(jī)進(jìn)行卸船作業(yè)的散貨碼頭,卸船、裝船、裝火車等工藝系統(tǒng)較為復(fù)雜;
2)碼頭前沿線位置適度外推,基本解決了旗臺作業(yè)區(qū)陸域縱深不足的狀況;
3)合理確定碼頭布置形式、碼頭前沿線位置以及碼頭面高程、陸域高程,為旗臺作業(yè)區(qū)后續(xù)工程的建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ);
4)前方圍堰的東、西兩端向外適度延伸,方便相鄰工程的建設(shè);
5)考慮到工程區(qū)域軟基較厚,設(shè)計(jì)綜合采用了3種技術(shù)措施以應(yīng)對沉降:①在高程設(shè)計(jì)上預(yù)留部分沉降量;②地面皮帶機(jī)、軌道的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下填道渣,部分土建結(jié)構(gòu)設(shè)置沉降調(diào)節(jié)點(diǎn);③皮帶機(jī)鋼支腿上預(yù)留沉降調(diào)節(jié)孔。
[1] 連云港港旗臺港區(qū)25萬噸級礦石接卸碼頭工程初步設(shè)計(jì)[R].上海:中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,2008.
[2] 連云港港總體規(guī)劃[R].北京:交通部規(guī)劃研究院,2007.
[3] 連云港港15萬噸級航道擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)[R].上海:中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,2006.