港口沉箱码头初步设计书

1 港口沉箱码头初步设计书 一、设计目的和要求 对某市和尚岛港区沉箱码头部分水工结构的设计， 掌握 港口航道工程学这门课程的主要内容，并初步学会运用有关专业课、技术基础课的理论去解决实际工程问题，训练编写设计说明书、绘制港口水工建筑物图纸的能力和技巧，以及培养正确的设计思想，熟悉有关的设计规范等。 二、地区概况 某市地处辽东半岛最南端，三面环海，气候温和，交通方便，是我国东北的一颗明珠，也是我国的重要港口和旅游城市，工业和旅游业十分发达。 但是，多年来该市一直处于缺煤少电状态，已严重影响了工业生产和人民生活，该市是围绕着老港口发展起来的城市，位于市中心的某些货场（如煤场）等已严重威胁着该市的安全。同时，由于国民经济的蓬勃发展，吞吐量的急骤增加，船舶的停泊时间长，造成政治、经济上不应有的影响和损失。 为 了 缓和本地区能源供应紧张 的问题 ，解决该市缺煤少电 的 状况，并使这些货物有专用装卸码头和库场，国家计委批准兴建和尚岛港区 ，并列入国家重点工程项目。 以下是该地区的基本情况。 1、地理位置 和尚岛港区位于本市海湾北端的红土堆子湾。背靠市第四发电厂，与市经济开发区隔海相望，交通方便，有公路与该市至沈阳公路相接，铁路接东北干线，可达全国各地。港区距市内陆路 25 公里，水路 8 海里。 2、自然条件 该港区属海洋型气候，平均气温 78 月最高，一般为 25 左右，极值达 ， 12 月最低，一般为 10，极值达 红土堆子湾内一般不结冰，只在湾内西北部零米水深线以上的海滩结冰，冰层厚度 层最大冰 深 2 由于地处东南亚季风带边缘，基本受季风控制。夏季以 为主，冬季以N 风为主，常风向为 级以上的风很少。本地区一般每隔三年有一次台风通过，风力为 78 级，风向多为 大风速 34m/s。 年降水量为 671均年降雨日数 75 天，多集中在 78 月份。降雪不多，年平均降雪天数为 20 天左右，最大积雪厚度为 降雾日较多，年平均雾日 40 天，三级以下重雾日为 40 天，一般 57 月为盛雾期，雾的形态多属平层雾。 本区潮型为规则半日潮，涨潮延时 6 小时 04 分，落潮延时 6 小时 46 分，其潮位特征值（按大连港筑港零点计）为： 多年最高潮位： +年最低潮位： 年平均高潮位： +年平均低潮位： 年平均潮差： 年最大潮差： 年最小潮差： 大潮流流速 s，流向与湾内中心轴线接近一致，上、中、下三层流向相同。 该市老虎滩设有海洋站，自 1963 年开始观测至今，同时， 1983 年 1 月该市老港又在和尚岛设立观测站，资料基本齐全。经统计、推算，主波向为 向，其频率分别为 强波向为 S 及 ，最大波高为 ，小于 1 米的波高频率为 其设计水位如下： 设计高水位： +计低水位： +核高水位： +核低水位： 工水位按照当地习惯取 + 港区陆域处丘陵区，山势走向 体呈浑圆状，区内沟谷发育，基岩裸露；海底地形平坦，向 斜。地层构造复杂，属第四系地层，层位不稳定、 3 分布不规则，主要由淤泥、淤泥质亚粘土、粘土、亚粘土、粉细砂混砾石、卵石混砾石等构成。基岩为石灰岩、泥灰岩和页岩，石灰岩为弱风化，泥灰 岩、页岩为中等到强风化。岩面起伏变化较大，埋藏标高为 区水域各土层分布情况为： 上为淤泥、淤泥质亚粘土， 上为粘土、粉细砂混砾石等。 港区内有三条 断裂，但不属于金州断裂，为小规模断裂，延伸不远，属不发震斯裂，本区地震基本烈度为八度，设计中考虑了抗震设防。 由上述可知，红土堆子湾风浪小；地处丘陵，不占良田；湾内无天然河流入海，泥沙淤积现象不显著，按自然地貌沉积速度推算，海湾沉积速率为 年；潮流流速小；气候温和，湾内不结冻，常年可以装卸作业； 水深适宜，航道可与大港航道相接，具有建设深水泊位的良好天然条件。 三、码头设计 1、码头等级 由码头前沿水深较大且码头货物堆积能力较大，初定其等级中型码头。 2、码头地面高程 码头前沿高程，按有掩护港口大潮时不被淹没，并尽量减少回填土石方量为原则，则设计高水位加超高值确定为 + 3、港区平面布置 港区陆域以进港道路的海堤与岸公路相接。进口煤码头、甲一码头为突堤式。甲二码头为顺岸式，并与甲一码头相连，港池宽度 320m。工作船码头和出口煤码头布置在进口煤码头与甲二码头之间的小港池内。防波堤布置在甲一码头端部。甲一码头外侧是一突堤护岸，其与防波堤相接。进口煤码头根部外侧为二突堤护岸，通过堆场护岸与海堤相连。考虑到远期发展，填平小港池与甲二码头相连，可开拓一个 3 万吨级泊位，进口煤码头外侧系 2 万吨级泊位。 陆域为生产和生产辅助建筑物区。 港区总平面布置详见图 2。 4、工艺流程 （ 1）进口煤码头： 自卸船（悬臂皮带机）前沿漏斗卸船皮带机系统堆料机堆场。 4 （ 2）甲二码头 采用拖、铲、吊方式。前方用门机或船机进行装卸作业，水平搬运作业采用拖头、平板车或铲车，库场作业配备流动起重机或铲车。其流程为： 船 门机或船机 平板车或铲车 堆场或仓库。 甲二码头配 5 吨门机两台。 5、水工结构的选择 1）防波堤 本区防波堤处地质条件较好，其土层自上而下为淤泥质亚粘土、碎石及角砾、亚粘土、石灰岩。防波堤座落在碎石及角砾层上，地基承载力、沉降和整体稳定完全可以满足要求。 大连地区石料丰富，主要是石灰石，石质好。交通部一船局三公司在盐岛有护面块体（扭工字块）予制厂，能满足工程需要。除此之外，老港 的大港区、渔港等处防波堤均为斜坡式。为此，我们经过方案比选后采用抛石斜坡式。 斜坡式防波堤具有结构简单，施工方便，对地基要求不高，可就地取材，消能性好，损坏后易修复等优点。 总体建设规模见表 1 表 1 水工结构建设规模 项目 船舶 吨级 结构 形式 主要设计尺度 码头工程 进口煤码头 2 万 沉箱墩式栈桥 水深： 273m、宽16m 甲二码头 3 万 沉箱岸壁式 水深： 235m 甲一码头 2 万 沉箱岸壁式 水深： 227m 出口煤码头 千字驳 浮式 工作船码头 浮式 防波堤工程 斜坡式 长 160m 一突堤护岸 （含防浪墙） 斜坡式 长 467m 海堤工程 （含防浪墙） 斜坡式 长 1200m、宽 20m 5 堆场护岸 （含防浪墙） 斜坡式 长 968m 二突堤护岸 （含防浪墙） 斜坡式 长 304m 港池护岸 斜坡式 长 ）护岸 一、二突堤外侧为护岸，实际起防波堤作用，因此，按防波堤设计。其他护岸工程，由于所受风浪较小，按一般护岸设计。各护岸均采用斜坡式结构。 3）码头结构 港区各码头处地质分布情况如前所述，卵石混砾石层以上各层土质，经计算均不满足承载力及整体稳定的要求，其持力层应为基岩或上的卵石混砾石层。该层标高一般在 15m，海底原地面标高一般在 右，而各码头前沿海底标高分别为：进口煤码头 一、甲二码头为 复盖层较薄，该区地质条件适宜建重力式结构。 港区设有防波堤，港内波浪很小，重力式直立岸壁不致于产生过大的波浪反射作用而影响港内的泊稳条件。 该地区砂、石料充足，回填料还可采用后方陆域开山石。同时，该地区历来所建码头均为重力式。为此，本港区码头采用重力式结构。 在重力式结构中主要选择沉箱与方块，沉箱较方块经济，整体性好，抗震性能强，同时，承担水工结构施工任务的交通部一航局三公司地处大连，专业齐全，技术力量雄厚，施工经验丰富，甘井子沉箱予制厂有几十年的历史，并新建有2000 吨级方型沉箱预制台座，采用预制大型方沉箱结构，可保证施工进度。 综上所述，码头采用重力式沉箱结构。 甲一、甲二码头，其上有门机作业，后方需建堆场、仓库、为此采用沉箱岸壁式。进口煤 码头为皮带机运输，荷载较小且单一，为节省材料及投资，采用墩式栈桥沉箱结构。该码头虽然受北向小风区波浪影响，但吹程短，波浪小，完全满足泊稳条件，不影响作业。 四、水工结构设计 1、 基槽设计 本码头采用暗基床的设计形式，基槽底宽为 挖深度为 6 坡坡度为 1:槽前底边线距墙前趾为 底边线距后趾为 2、 基床设计 本码头基床采用抛石， 基床底宽为 宽为 肩宽 为 肩宽 为 2m） ，高度为 侧的斜坡坡度均为 1:基床采用抛石，抛石仍为 10100 公斤级。 3、沉箱设计 甲二码头 结构为 沉箱式， 材料为钢筋混凝土，其断面形状为矩形。 沉箱长度为 20m，底宽为 度为 14m。沉箱的边壁厚度设为 箱体内设有纵横隔墙， 厚度为 隔墙间距 纵向 为 横向为 墙采用双面配筋，箱顶嵌入胸墙 沉箱间采用平接的方式， 沉箱内一般抛填 10100 公斤块石 。 3、胸墙设计 沉箱上部为现浇 混凝土 胸墙， 顶宽为 宽 为 箱或方块背后填 10100 公斤块石减载棱体，倒滤层为片石和混合料，其后回填开山石。 4、 墙后回填 采用 10100 公斤级 块石回填，抛填棱体的断面形式为锯齿形。为了防止墙后回填土的流失，抛石棱体的顶面和坡面设置倒滤层。在抛石棱体的顶面和坡面先铺设一层 的二片石，并加以整平，然后在其上安设倒滤层。片石的坡度为 1:1，混合料的坡面为 1:山石坡度为 1: 四、 码头作用荷载 1、 自重力 码头建筑物的自重力包括构件的自重力和其上的填料自重力，均按体积乘重度计算，水下部分为体积乘浮重度。取墙体后地下水位为水与水下 的分界。 沉箱 构件由钢筋混凝土建造而成，其重度作为 墙采用现浇混凝土形式，其重度为 24kN/填料为 10100抛石，其重度为 18kN/算见表 2。 表 2 自重力计算 体 积计算式 体 积 （ 重力 (底板 0 122 2989 前壁 4*20 84 2058 7 后壁 4*20 84 2058 纵板 2*4*20 112 2744 横板 3*4*料 12*4 胸墙 2*0+*20 198 3564 总重力 由上表计算得码头构件的自重力标准值为： 2、土压力 土对墙体的土压力可通过库伦公式求得。墙体静止不动，既无位移也无变形，墙体后处于静止状态，此时土体对墙体的土压力为静止土压力。 计算方法如下 : 地面 为 水平 面 （即 0）和墙背为垂直面（ 0）时的土压力系数： 22c o ss in)s 1c o sc o s o ss i n)s i n (1c o sc o s 每延米墙上总主动土压力kN/m）和总被动土压力kN/m）： 2( 2( aK、主动土压力系数和被动土压力系数； 地面荷载系数； 土的重度（ kN/ 土的内摩擦角（ ）； q 地面上均布荷载（ kN/ 土与墙背面的摩擦角（ ）； 地面与水平面的夹角（ ）； 墙背与垂直面的倾斜角（ ）； H 墙高（ m）。 3、 剩余水压力 8 码头墙后设置抛石棱体，其透水性较好，墙后水位随墙前水位的跌落而迅速下降，认为墙后水位与墙前水位等高，此时不考虑剩余水压力。 4、地面使用荷载 该地面设有门机，将其近似地用均布荷载替代。总体分布为： 码头前沿（ 25后方堆场为 40 5、船舶荷载 系揽力 P=3505,30 ，作用在码头地面以上 。挤靠力和撞击力不计。 6、 波浪力 由墙前进行波的波高 h=1m，波长 l=12m，因 h ，不计波浪影响。 7、地震力 本设计不考虑地震作用的影响。 五、码头稳定性验算 水平滑动稳定性和倾覆稳定性验算是重力式码头建筑物承载能力极限状态设计的主要验算内容，其目的是保证码头建筑物在设计基准期内具有规定的抗滑、抗倾稳定的可靠度。 1、稳定性公式 不考虑波浪作用力 ，主动土压力为主导可变作用 时： 抗滑稳定性公式： 1)(0 0 结构重要性系数取 E 土压力分项系数； 系揽力分项系数； 作用效应组合 E 、 码头建筑物产生的总主动土压力的水平分力和竖向力（ 系揽力水平分力标准值（ 9 码头面上产生的总主动土压力的水平分力和竖向力（ 系揽力 垂直 分力标准值（ G 结构自重力分项系数； d 结构系数，不考虑波浪作用，取 0.1d； f 沿计算面的摩擦系数设计值。 抗倾覆稳定性公式： )(1)(0 E 结构自重力标准值对计算面前趾的稳定力矩（ m）； M 、 码头建筑物产生的土压力水平力和竖向力标准值对计算面前趾的倾覆力和稳定力矩（ m）； M 、 码头地面上的可变作用产生的土压力水平力和竖向力标准值对计算面前趾的倾覆力和稳定力矩（ m）； 系揽力水平力标准值对计算面前趾的倾覆力矩（ m）； d 结构系数，不考虑波浪作用，取 25.1d； 以上公式中的各分项系数见表 3。 表 3 稳定性验算系数采用值 组合 情况 设计 水位 结构重要性系数 组合 系数 永久荷载 分项系数 可变作用 分项系数 自重力 土压力 堆载土压力 系揽力 0 GE E 持久 组合 设计高水位 二级：计低水位 短暂 组合 设计高水位 计低水位 2、稳定性计算 设计水位： 1）、设计高水位条件下（ + 系揽力标准值及其产生的力矩 10 垂直于码头岸线方向的水平力标准值 6930s i o i nc o s 每延米码头的系揽力水平分力的标准值 H /6920/ 其对墙底的倾覆力矩 主动土压力标准值及其产生的倾覆力矩和稳定力矩 为简单计算，墙后主动破裂面与竖直面之间的夹角近似取为 28，破裂面与抛石棱体表面交于点 M， M 点以上按中砂计算，一下按块石计算。取沉箱顶部以上墙背为理想墙面 ；以下墙面取 第 n 层土的主动土压力系数： 中砂 a a n,0 22 块石 a a n,0 22 ,15 o ss o 土压力强度计算： 第 n 层填料顶层： 永久作用： 111可变作用：1 第 n 层填料底层： 永久作用： 12可变作用：2 设计高水位时土压力强度计算见表 4； 填料自重力产生的土压力合力（永久作用）标准值及其力矩计算见表 5； 地面堆荷载产生的土压力合力（可变作用）标准值及其力矩计算见表 6。 11 第 n 层的土压力水平合力标准值对码头前趾的力臂 n 层底高程 码头底高程 +第 n 层水平梯形土压力强度图的形心与该土层底的距离21 nn ， 212123ee 土压力水平分力 E 土压力竖向分力E 箱码头设计 12 表 4 设计高水位时土压力强度计算 计算层面编号 土层n 图层高程（ m） 土层厚度m） 回填材料 材料重度（ 3/ 外摩擦角（） 主动土压力系数 永久作用 可变作用 计算式 数值 计算式 数值 11 1 砂 18 0 25*2 8* 1 2 砂 （水下） 2 * 1 3 石 11 15 25* 32 * 4 41 4 4 41 * 4 51 5 4 52 * 4 61 6 4 62 * 4 71 7 4 72 * 4 81 8 4 82 * 4 沉箱码头设计 13 表 5 填料自重力产生的土压力合力（永久作用）标准值及其力矩计算 计算土层 n 土层高程（ m） 土层顶土压力强度1 土层底土压力强度2 土层厚度 nh(m) 土压力合力标准值 水平分力标准值及 其产生的倾覆力矩 竖向分力标准值及其产生的倾覆力矩 水平分力底 计算式 数值 1 0+* 2 * 3 6+* 1 4 * 5 * 6 2 * 7 * 8 * 60 1611 表 6 地面堆荷载产生的土压力合力（可变作用）标准值及其力矩计算 计算土层 n 土层高程（ m） 土层顶土压力强度 1 nh(m) 土压力合力标准值 水平分力标准值及 其产生的倾覆力矩 竖向分力标准值及其产生的倾覆力矩 水平分力底 计算式 数值 1 0 2 4 14 4*14 56 7 7 沉箱码头设计 14 建筑物自重力标准值及其产生的稳定力矩 对于沿基床底的抗滑稳定性验算，由地基较好，基床部分水下自重力标准值： j / 基床前的被动土压抗力标准值： 245t a 2 op kN 3045t 2 设计高水位时自重力产生的竖向力标准值及其稳定力计算结果见表 7。 表 7 设计高水位时自重力产生的竖向力标准值及其稳定力计算 编号 构件 竖向力标准值计算 对趾前的抗倾力臂m) 计算式 数值 数值 1 前壁 4*2 纵板 1 4*3 后壁 4*4 横板 1 4*5 横板 2 4*6 横板 3 4*7 底板 8 胸墙 （ 2*） * 填料 1 3*4*11 10 填料 2 8+ 滑稳定性验算 ： 沿基床顶面 1)(0 沿基床底面 )(1)(0 其验算过程及结果见表 8。 沉箱码头设计 15 表 8 抗滑稳定性验算 水位 验算面 作用效应组合值计算 抗力设计值计算 结论 计算式 数值 计算式 数值 设计高水位 沿基床顶面 （ 468 （ 1159 稳定 沿基床底面 （ 468 （ 1126 稳定 抗倾覆稳定性验算 ： 验算表达式： )(1)(0 E 其验算过程及结果见表 9。 表 9 抗倾覆稳定性验算 水位 验算面 作用效应组合值计算 抗力设计值计算 结论 计算式 数值 计算式 数值 设计高水 位 沿基床顶面 （ 611+ 3125 （ ）、校核高水位条件下（ + 系揽力标准值及其产生的力矩 计算结果同设计高水位。 主动土压力标准值及其产生的倾覆力矩和稳定力矩 计算公式同设计高水位，以下仅列出计算过程及结果。 设计高水位时土压力强度计算见表 10； 填料自重力产生的土压力合力（永久作用）标准值及其力矩计算见表 11； 地面堆荷载产生的土压力合力（可变作用）标准值及其力矩计算见表 12。 沉箱码头设计 16 表 10 校核高水位时土压力强度计算 计算层面编号 土层n 图层高程（ m） 土层厚度m） 回填材料 材料重度（ 3/ 外摩擦角（） 主动土压力系数 永久作用 可变作用 计算式 数值 计算式 数值 11 1 砂 18 0 25*2 8* 1 2 砂 （水下） 2 * 1 3 石 11 15 25* 32 * 4 41 4 4 41 * 4 51 5 4 52 * 4 61 6 4 62 * 4 71 7 4 72 * 4 81 8 4 82 * 4 沉箱码头设计 17 表 11 填料自重力产生的土压力合力（永久作用）标准值及其力矩计算 计算土层 n 土层高程（ m） 土层顶土压力强度1 土层底土压力强度2 土层厚度 nh(m) 土压力合力标准值 水平分力标准值及 其产生的倾覆力矩 竖向分力标准值及其产生的倾覆力矩 水平分力底 计算式 数值 1 0+* 2 * 3 6+* 4 * 5 * 6 2 * 7 * 8 * 1409 表 12 地面堆荷载产生的土压力合力（可变作用）标准值及其力矩计算 计算土层 n 土层高程（ m） 土层顶土压力强度 1 nh(m) 土压力合力标准值 水平分力标准值及 其产生的倾覆力矩 竖向分力标准值及其产生的倾覆力矩 水平分力底 计算式 数值 1 0 2 4 14 4*14 56 7 7 沉箱码头设计 18 建筑物自重力标准值及其产生的稳定力矩 对于沿基床底的抗滑稳定性验算，由地基较好，基床部分水下自重力标准值： j / 基床前的被动土压抗力标准值： 245t a 2 op kN 3045t 2 设计高水位时自重力产生的竖向力标准值及其稳定力计算结果见表 13。 表 13 校核高水位时自重力产生的竖向力标准值及其稳定力计算 编号 构件 竖向力标准值计算 对趾前的抗倾力臂m) 计算式 数值 数值 1 前壁 4*2 纵板 1 4*3 后壁 4*4 横板 1 4*5 横板 2 4*6 横板 3 4*7 底板 8 胸墙 2* 填料 1 3*4*11 10 填料 2 8+ 滑稳定性验算： 沿基床顶面 1)(0 沿基床底面 )(1)(0 其验算过程及结果见表 14。 沉箱码头设计 19 表 14 抗滑稳定性验算 水位 验算面 作用效应组合值计算 抗力设计值计算 结论 计算式 数值 计算式 数值 设计高水位 沿基床顶面 （ 436 （ 1297 稳定 沿基床底面 （ 436 （ 1465 稳定 抗倾覆稳定性验算： 验算表达式： )(1)(0 E 其验算过程及结果见表 15。 表 15 抗倾覆稳定性验算 水位 验算面 作用效应组合值计算 抗力设计值计算 结论 计算式 数值 计算式 数值 设计高水 位 沿基床顶面 （ 409+ 2853 （ ）、设计低水位条件下（ + 系揽力标准值及其产生的力矩 计算结果同设计高水位。 主动土压力标准值及其产生的倾覆力矩和稳定力矩 计算公式同设计高水位，以下仅列出计算过程及结果。 设计高水位时土压力强度计算见表 16； 填料自重力产生的土压力合力（永久作用）标准值及其力矩计算见表 17； 地面堆荷载产生的土压力合力（可变作用）标准值及其力矩计算见表 18。 沉箱码头设计 20 表 16 设计低水位时土压力强度计算 计算层面编号 土层n 图层高程（ m） 土层厚度m） 回填材料 材料重度（ 3/ 外摩擦角（） 主动土压力系数 永久作用 可变作用 计算式 数值 计算式 数值 11 1 砂 18 0 25*2 4 8* 1 2 4 2 7） * 1 3 石 18 15 25* 32 * 4 41 4 4 41 * 4 51 5 1 4 52 * 4 61 6 4 62 * 4 71 7 4 72 * 4 81 8 4 82 * 4 沉箱码头设计 21 表 17 填料自重力产生的土压力合力（永久作用）标准值及其力矩计算 计算土层 n 土层高程（ m） 土层顶土压力强度1 土层底土压力强度2 土层厚度 nh(m) 土压力合力标准值 平分力标准值及 其产生的倾覆力矩 竖向分力标准值及其产生的倾覆力矩 水平分力底 计算式 数值 1 0 0+* 2 4 * 3 6+* 4 * 5 * 6 2 * 7 * 8 * 1961 表 18 地面堆荷载产生的土压力合力（可变作用）标准值及其力矩计算 计算土层 n 土层高程（ m） 土层顶土压力强度 1 nh(m) 土压力合力标准值平分力标准值