鄧 薔

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

隨著我國(guó)原油進(jìn)出口行業(yè)的繁榮，港口船舶貿(mào)易量也急劇增長(zhǎng)，年進(jìn)口原油的數(shù)量早已突破1億t大關(guān)[1]，隨之而來(lái)的是較為嚴(yán)重的船舶溢油污染風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，我國(guó)港口溢油事故呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，碼頭通常是溢油事故頻發(fā)區(qū)域，因此應(yīng)作為防控的重點(diǎn)地段。

目前，我國(guó)港口油品碼頭已逐步建立了溢油應(yīng)急設(shè)備庫(kù)。根據(jù)《港口碼頭水上污染事故應(yīng)急防備能力要求》[2]《國(guó)家船舶溢油應(yīng)急設(shè)備庫(kù)設(shè)備配置管理規(guī)定(試行)》[3]以及《船舶溢油應(yīng)急能力評(píng)估導(dǎo)則》[4]的要求，在碼頭投入使用前應(yīng)配備滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定數(shù)量的應(yīng)急設(shè)備及物資，科學(xué)設(shè)置應(yīng)急庫(kù)和工作船碼頭。一旦發(fā)生事故，能夠快速響應(yīng)，迅速將污染物控制在港區(qū)范圍內(nèi)，最大限度減少事故溢油擴(kuò)散面積以及對(duì)周邊海域水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響。

根據(jù)《盤錦市防治船舶及其有關(guān)作業(yè)活動(dòng)污染海洋環(huán)境應(yīng)急能力建設(shè)規(guī)劃(2018—2025年)》[5]，榮興港區(qū)規(guī)劃建設(shè)能覆蓋轄區(qū)和30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭的二級(jí)應(yīng)急設(shè)備存儲(chǔ)體系，包括：水域部分新建一座應(yīng)急工作船碼頭及其配套設(shè)施，陸域部分新建應(yīng)急設(shè)備庫(kù)、固體廢棄物倉(cāng)庫(kù)、含油污水罐、回收物資暫存場(chǎng)地等設(shè)施及其配套設(shè)施。

本文僅針對(duì)該擬建應(yīng)急泊位工程碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，為同類工程提供借鑒。

1 工程區(qū)建設(shè)條件

1.1 設(shè)計(jì)要求

按四道溝水文站實(shí)測(cè)驗(yàn)潮資料和1952—1972年潮位極值資料，本工程水位為：設(shè)計(jì)高水位4.25 m，設(shè)計(jì)低水位0.19 m，極端高水位5.32 m，極端低水位-0.52 m。

工程位于遼河口西側(cè)，盤錦港榮興港區(qū)西作業(yè)區(qū)西二突堤南端，靠近西防波堤一側(cè)，波浪掩護(hù)條件較好。常浪向和強(qiáng)浪向均為SSW向，設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期為50 a時(shí)，碼頭前沿H1%波高達(dá)1.35 m，波浪平均周期為6.8 s。

1.2 潮位和海流

港區(qū)潮型屬規(guī)則半日潮。平均漲潮歷時(shí)5 h左右，平均落潮歷時(shí)7～8 h，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)。受口門環(huán)流影響，最大橫流流速0.36 m/s。

1.3 冰況

遼東灣是我國(guó)所處緯度最高的海區(qū)，也是我國(guó)冰情最嚴(yán)重的區(qū)域。港區(qū)位于遼東灣頂部，冰情更為嚴(yán)重。

由于港區(qū)位于河流入?？冢盍骷?，海冰不易固結(jié)。在正常年份，除近岸約有長(zhǎng)5 km的固定冰帶外，其余均為流冰。浮冰帶在風(fēng)、流等綜合作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。流冰方向、速度和風(fēng)、潮流的方向密切相關(guān)，在冰情嚴(yán)重期，可出現(xiàn)厚度超過(guò)10 cm的灰冰、灰白冰、白冰。

2009—2010年冬季，盤錦遭遇了前所未有的低溫，最低氣溫為-24.8 ℃，創(chuàng)3年來(lái)的最低值。盤錦港同時(shí)遭遇了嚴(yán)重海冰災(zāi)害，據(jù)2010年1月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，港區(qū)全部封凍，最大冰厚達(dá)50 cm。

結(jié)合當(dāng)?shù)睾１闆r及《港口工程荷載規(guī)范》[6]，設(shè)計(jì)冰厚采用47.6 cm。

1.4 地質(zhì)

工程地處遼河三角洲前緣，海陸交互頻繁，地層成因復(fù)雜，表層主要以第四系海相沉積層為主。整個(gè)場(chǎng)地揭露的土層自上而下為：淤泥層頂高程約為-5.8 m，平均層厚3.8 m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土平均層厚3.3 m；粉土平均層厚2.4 m；中密-極密實(shí)粉細(xì)砂平均層厚10.8 m，標(biāo)貫擊數(shù)為23擊；粉質(zhì)黏土平均層厚1.4 m，標(biāo)貫擊數(shù)為17擊；極密實(shí)粉細(xì)砂層頂高程約為-27.5 m，平均層厚22.8 m，標(biāo)貫擊數(shù)為44擊。各層樁基參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樁基參數(shù)

1.5 地震

該地區(qū)地震抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。根據(jù)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[8]有關(guān)規(guī)定，Ⅱ類場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》表1和附錄E調(diào)整后，本工程地震動(dòng)峰值加速度值為0.172 5g，特征周期為0.55 s。

1.6 工藝荷載

考慮20 kPa的碼頭均載和流動(dòng)機(jī)械荷載，包括40 t汽車吊、10 t平板拖車和5 t叉車。

2 建設(shè)規(guī)模

根據(jù)盤錦市海洋污染應(yīng)急能力的建設(shè)需求和港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭應(yīng)急設(shè)備的配備需求，擬新建一個(gè)應(yīng)急泊位及其配套設(shè)施，其碼頭長(zhǎng)度135 m、平臺(tái)寬度12 m、頂高程6 m，通過(guò)東、西兩側(cè)兩座棧橋與后方陸域相接。

根據(jù)盤錦港現(xiàn)有工作船舶使用情況及國(guó)內(nèi)溢油應(yīng)急船發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，結(jié)合港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭對(duì)所需溢油回收船能力的要求，預(yù)計(jì)到港溢油應(yīng)急船長(zhǎng)度為70 m左右；除溢油應(yīng)急船外，其他工作船如拖消船、圍油欄布放艇、小型油污水回收船長(zhǎng)度在10～40 m。設(shè)計(jì)船型主尺度見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)船型主尺度

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)方案選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料揭示，下層粉細(xì)砂層呈極密實(shí)狀態(tài)，分布普遍且層位穩(wěn)定，厚度較大、力學(xué)指標(biāo)較高，宜作為碼頭基礎(chǔ)持力層。

根據(jù)地基情況，本工程宜采用樁基結(jié)構(gòu)或重力式結(jié)構(gòu)。由于工程位置處水深較淺，泥面高程在-6～-5 m，重力式結(jié)構(gòu)挖泥量較大，工程造價(jià)較高。另外，樁基結(jié)構(gòu)可減少碼頭立面對(duì)波浪反射，避免惡化水域條件，因此，本工程考慮樁基結(jié)構(gòu)方案。碼頭標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 碼頭標(biāo)準(zhǔn)斷面(高程：m；尺寸：mm)

3.2 樁基設(shè)計(jì)

為滿足樁基承載力要求，樁基須伸入極密實(shí)粉細(xì)砂層，常規(guī)的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁(PHC樁)、大管樁等施工難度較大、抗超載能力弱，沉樁較為困難，施工速度難以保證；且本工程位于北方凍融地區(qū)，從樁基耐久性及承受水平荷載能力方面綜合考慮，碼頭平臺(tái)基礎(chǔ)選用鋼管樁結(jié)構(gòu)。

樁基內(nèi)力計(jì)算采用豐海PJFX碼頭排架綜合分析計(jì)算軟件，計(jì)算模式為上端固接、下端彈性嵌固的平面剛架。樁基抗壓承載力采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定，抗拔承載力按打入樁計(jì)算；本工程碼頭工作平臺(tái)長(zhǎng)135 m，根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]宜分兩個(gè)結(jié)構(gòu)段，考慮工作船碼頭特點(diǎn)，排架間距不宜過(guò)大，本次提出兩種不同樁基布置方案進(jìn)行比較：

1)方案1共23榀排架，排架間距6 m，每榀排架基礎(chǔ)采用3根φ800 mm鋼管樁，其中碼頭前沿為1對(duì)叉樁，斜率分別為6:1和4:1，碼頭后沿1根直樁，每個(gè)結(jié)構(gòu)段兩側(cè)各設(shè)置2組縱向叉樁，樁底高程均為-42.0 m。

2)方案2共26榀排架，排架間距5.25 m，每榀排架基礎(chǔ)采用3根φ700 mm鋼管樁，其他同方案1。

兩方案差別在于排架間距和樁徑。經(jīng)計(jì)算，樁基內(nèi)力均滿足承載能力設(shè)計(jì)要求，綜合比較，方案1更經(jīng)濟(jì)且打樁數(shù)量少、施工更快，因此選用方案1。

3.3 系纜設(shè)計(jì)

為減少低水位情況下小型船舶吊纜情況，滿足拖消船等的安全系泊，本工程每隔20～30 m設(shè)雙層系纜平臺(tái)，系纜設(shè)施均采用250 kN系船柱。上層系纜平臺(tái)頂高程為6.0 m；下層系纜平臺(tái)頂高程為3.8 m，位于港區(qū)平均高潮位以上0.5 m處，以保證其使用率。并通過(guò)設(shè)置安全防護(hù)欄桿和防滑臺(tái)階，及時(shí)除冰等措施解決下層系纜平臺(tái)冬季易結(jié)冰的問(wèn)題。雙層系纜平臺(tái)如圖2所示。

圖2 雙層系纜平臺(tái)斷面(高程：m；尺寸：mm)

3.4 抗震設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，碼頭平臺(tái)水平地震慣性力標(biāo)準(zhǔn)值為464 kN。本工程采用橫向排架設(shè)置1對(duì)叉樁和1根直樁，以抵抗橫向水平地震慣性力；碼頭每個(gè)結(jié)構(gòu)段兩側(cè)布置2組縱向叉樁，以抵抗縱向水平地震慣性力。

3.5 抗冰設(shè)計(jì)

工程所在地多為流冰作用，流冰產(chǎn)生冰壓力相對(duì)較小。冰排作用情況的極限冰壓力對(duì)結(jié)構(gòu)破壞性最強(qiáng)。

首先核算冰排在直立樁、樁帽前連續(xù)擠碎時(shí)極限冰壓力，冰排作用在靠近碼頭前沿的第1根叉樁上的極限擠壓冰力標(biāo)準(zhǔn)值為514 kN，作用在樁帽上的極限擠壓冰力標(biāo)準(zhǔn)值為982 kN，樁基內(nèi)力均滿足承載能力設(shè)計(jì)要求；其次，下層系纜平臺(tái)預(yù)制走道板的迎冰面設(shè)計(jì)為棱角形，夾角為90°，迎冰面形狀系數(shù)將折減為0.69，有效減小了極限擠壓冰力。預(yù)制走道板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

1)此類配套應(yīng)急泊位工程，既要滿足其服務(wù)港區(qū)或碼頭溢油應(yīng)急狀態(tài)的處置要求，又要兼顧傳統(tǒng)工作船泊位的屬性?？v觀全國(guó)，港口碼頭溢油應(yīng)急能力建設(shè)工作已經(jīng)取得一定成果，但僅有少數(shù)油品碼頭配備了專業(yè)溢油應(yīng)急處置船，絕大多數(shù)碼頭的溢油應(yīng)急措施仍局限于少量的吸油氈和消油劑。為響應(yīng)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該應(yīng)急泊位碼頭應(yīng)運(yùn)而生，具有很強(qiáng)的代表性和可參照性。

2)工程區(qū)域自然水深較淺，以砂質(zhì)地基為主，持力層標(biāo)貫擊數(shù)大且地處北方凍融地區(qū)承受水平荷載較大，因此采用樁基基礎(chǔ)為鋼管樁的高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)。考慮到可能出現(xiàn)地震慣性力作用，橫向排架和縱向排架方向均設(shè)置叉樁。

3)針對(duì)小型船舶干舷頂高程較低的情況，多采用雙層或多層系纜平臺(tái)設(shè)計(jì)，以滿足不同水位不同尺度船舶的系纜要求。下層系纜平臺(tái)頂高程的確定應(yīng)綜合考慮系纜和水文因素，盡量保證使用率。下層系纜平臺(tái)冬季易結(jié)冰問(wèn)題不容忽視，通過(guò)設(shè)置安全防護(hù)欄桿、防滑臺(tái)階和及時(shí)除冰等措施解決。

4)該碼頭地處遼東灣頂部，冰情嚴(yán)重。設(shè)計(jì)中，考慮將下層走道板迎冰面設(shè)計(jì)為棱角形以有效抵抗冰荷載。為了保證結(jié)構(gòu)安全，冬季重冰期應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)破冰船等有效的保障措施，避免形成冰排，同時(shí)碼頭頂面也應(yīng)采取防滑措施。