沿海某大高差工作船码头设计优化及应用

■鄢在锋

（福建省港航勘察设计院有限公司，福州 350002）

随着水运事业的蓬勃发展， 水上运输繁忙，港区内各类船舶众多，水上安全监管工作繁重，建设工作船码头的需求也日益显现。 我国东南沿海地区水位高低变化大，低水位时码头结构水上高度高。根据调查，部分工作船码头在工作船靠泊过程中，船舶随着潮水升降，存在船舷挂靠码头平台或橡胶护舷、船舶缆绳吊拉船舶的危险情况，严重影响码头的安全运营。 一个合理的码头设计方案，能够提高工作船码头运营效率，保证码头运营安全。 对此，本文结合实际工程案例，总结设计方案，可供类似工作船码头工程参考。

1 工程概况

1.1 建设规模

本工程建设1 个60 m 级工作船泊位及其相关配套设施。

1.2 设计船型

本工程码头需满足建设单位现有30 m 级工作船日常靠泊要求，同时满足建设单位60 m 级工作船不定期靠泊要求，以及考虑后期溢油设备装卸船的需要，选取30 m 级工作船、60 m 级工作船、500 t 级溢油回收船为设计船型。 设计船型尺度如表1 所示。

表1 设计船型尺度

由于工作船自身功能的特殊性，船体结构也较为特殊，不同于普通的客运或货运船舶，工作船船舷四周设计有凸出的钢制防撞设施，且与船体连成一体，容易挂靠或顶碰相邻设施，工作船船艏结构典型断面如图1 所示。

图1 工作船船艏结构典型断面图

1.3 装卸工艺及荷载

1.3.1 装卸工艺

码头除供工作船靠泊及船员上下外，同时考虑溢油应急设备（收油机、围油栏、吸油毡、消油剂等）的装卸船。 码头前沿装卸采用25 t 汽车吊，水平水平运输采用30 t 汽车。

1.3.2 工艺荷载

均布荷载：20 kPa；机械荷载：30 t 汽车、25 t 汽车吊。

1.4 水文气象条件

1.4.1 气象条件

根据港区一年的风速风向观测，对观测资料统计分析表明，夏季6—8 月主导风向为WSW 向，而9 月至翌年5 月则盛行ENE 和NE 向风，全年常风向为ENE 和NE 向，频率分别为26.7%和24.8%，全年平均风速4.6 m/s，大风主要出现在夏季，冬季东北大风较少。 船舶靠泊设计风速取22.6 m/s。

1.4.2 潮位特征值

根据当地港区一年的潮位观测资料统计分析表明，本地潮汐每日两涨两落，属规则半日潮性质。高程基面采用当地理论最低潮面，下同。 潮位特征值具体如下：年最高潮位为7.83 m；年最低潮位为0.18 m；平均高潮位为6.54 m；平均低潮位为1.71 m；平均海平面为4.15 m；平均潮差为4.95 m；大潮平均高潮位为6.79 m；大潮平均低潮位为1.79 m。

1.4.3 设计水位

设计水位具体如下：设计高水位为7.32 m（高潮累积频率10%）；设计低水位为0.87 m（低潮累积频率90%）；极端高水位为8.77 m（五十年一遇高潮位）；极端低水位为－0.24 m（五十年一遇低潮位）。

1.4.4 波浪

根据本港一年实测波浪资料按《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）[1]方法推求设计波浪。 综合分析，确定码头前沿设计波浪要素如表2 所示。

1.4.5 水流

涨潮流向为SW 向，落潮流向为NE，涨潮实测流速达1.51 m/s，流向255°，落潮实测流速达0.91 m/s，流向78°，设计流速取2.0 m/s。

1.5 工程地质条件

根据钻孔揭露，主要岩土层为淤泥质土混砂①、粉砂①-1、淤泥质粘土②、砂土状强风化花岗岩③、碎块状强风化花岗岩④、中微风化花岗岩⑤。 地基各岩土层物理力学指标如表3 所示。

表3 地基各岩土层物理力学指标

1.6 抗震设防标准

场区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10 g，所属设计地震分组为第三组。

2 结构方案

2.1 结构型式选择

码头结构型式的选择应统筹考虑泊位的功能、使用要求、结构安全、与相邻工程的关系等。 拟建工程区覆盖层为淤泥质土混砂， 覆盖层下为强风化岩，区域覆盖土层厚薄不一，厚度10～20 m，泥面、岩面起伏较大，泥面高程－14～0 m，强风化花岗岩面高程－18～－24 m。本工程紧靠港区已建码头，已建码头前沿设计底高程为－14.1 m， 码头面顶高程为10.4 m，码头平台宽30 m，码头为高桩梁板式结构，桩基为直径1.2 m PHC 嵌岩桩。 根据现场实际情况，码头结构型式采用灌注桩基础的高桩梁板式结构，码头面高程取与已建码头相同为10.4 m。

2.2 结构优化分析

工程区域设计高低水位差达6.45 m，水位高低变化大，低水位时码头结构水上高度高。 根据对周边沿海工作船码头使用情况的调查，部分工作船码头在工作船靠泊过程中，船舶随着潮水升降，存在船舷挂靠码头平台或橡胶护舷、船舶缆绳吊拉船舶的危险情况。 为消除工作船靠泊时的危险因素，提高工作船码头运营效率，保证码头运营安全，对码头结构及设施进一步优化设计，提出新的针对性的解决方案。

由于工作船吨位较小，船舶干舷较低（30 m 级工作船干舷1.1 m），设计低水位工作船甲板面与码头面最大高差达到8.43 m。 停靠在码头的工作船随着潮水降低，船舶缆绳逐渐拉紧，容易发生缆绳吊拉船舶的危险情况，系泊风险较大。 为消除缆绳吊拉船舶的风险，考虑在码头平台前沿设置下沉系缆平台，降低系缆平台高程，同时保证系缆平台在年最高潮位（7.83 m）时不被淹没。 下沉系缆平台高程综合考虑取8.4 m（7.83 m＋波浪、增水等因素的富裕高度0.57 m），较码头平台顶面下降2.0 m，缩小设计低水位时工作船甲板面与系缆平台面高差至6.43 m，能够有效防止缆绳吊拉船舶；下沉系缆平台宽度考虑工作人员通行及系解缆作业方便，同时结合整体结构设计取2.4 m。

由于工作船自身功能的特殊性，船体结构也较为特殊，不同于普通的客运或货运船舶，工作船船舷四周设计有凸出的钢制防撞设施，且与船体连成整体。 停靠在码头前沿的工作船随着潮水升降，船舷四周凸出设施易挂靠下沉系缆平台或挂靠顶碰橡胶护舷，从而发生危险。 为消除船舶挂靠下沉系缆平台的风险， 在下沉系缆平台前沿增设靠船立柱，立柱顶面高程应保证极端高水位（8.77 m）时最大工作船（60 m 级工作船干舷1.9 m）不会挂靠立柱顶面，立柱顶面高程综合考虑取10.9 m（8.77 m＋1.9 m+富裕高度0.23 m）。 为消除船舶挂靠顶碰橡胶护舷的风险，在船舷四周凸出设施随潮水升降高度范围内的橡胶护舷，端部采用30°的斜面设计，防止船舷四周凸出设施挂靠顶碰橡胶护舷，保证工作船系泊安全。

2.3 结构方案设计

2.3.1 结构方案

码头平台采用高桩梁板式结构，码头面设计顶高程取与已建码头面高程相同为10.40 m，设计底高程－4.50 m，码头平台长80.0 m、宽20.0 m，排架间距8.5 m，共10 个排架。 每个排架设置3 根直桩，间距7.5 m，桩基采用直径1.2 m 的灌注桩，桩基持力层为中风化花岗岩，桩基进入持力层有效深度不小于3.0 m。

标准排架桩基上部设置桩帽，踏步位置处排架桩基上部设置下层横梁及立柱，桩帽或立柱上部设置横梁、纵梁、叠合面板、磨耗层等。 码头前沿下部设置靠船构件、纵撑，码头前沿上部设置下沉系缆平台。码头前沿下沉系缆平台高程8.4 m，宽度2.4 m。下沉系缆平台前沿设置靠船立柱， 立柱顶面高程10.9 m。灌注桩混凝土强度等级采用C35，其余结构混凝土强度等级采用C40。

2.3.2 附属设施

码头前沿设置橡胶护弦，橡胶护舷采用DAB400H 低反力型，护弦设计压缩变形47.5%，吸能量为36 kJ，反力为236 kN，设计船型最大靠泊速度不大于0.30 m/s。 位于系缆平台面、踏步横梁面的橡胶护舷，端部采用30°的斜面设计，防止船舷四周凸出设施挂靠顶碰橡胶护舷，保证工作船系泊安全。 系船柱采用250 kN 系船柱，在风速大于9 级风（v＝22.6 m/s）时，船舶应离开码头去锚地避风。 为便于工作人员上下船舶，下沉系缆平台内侧设置宽1.0 m 的钢制人行踏步，与码头面衔接，在下沉系缆平台前沿设置宽2.4 m 的人行踏步，与工作船衔接，每级台阶高0.16 m、宽0.3 m。

码头结构立面如图2 所示，码头结构A-A 断面如图3 所示，码头结构B-B 断面如图4 所示，码头结构C-C 断面如图5 所示。

图2 码头结构立面图

图3 码头结构A-A 断面图

图4 码头结构B-B 断面图

图5 码头结构C-C 断面图

3 结构计算

根据 《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）[2]、《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[3]的有关内容，对优化设计后的工作船码头平台横向排架、纵梁、面板的内力进行分析计算，码头平台横向排架计算结果如表3 所示，码头平台纵梁、面板计算结果如表4 所示。

表4 码头平台横向排架计算结果

根据结构计算结果及设定的构件尺寸，结合《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS 151-2011）[4]的有关规定，对构件的承载能力极限、正常使用极限等进行分析计算，构件正截面和斜截面等承载力满足受力要求，横梁、纵梁、靠船构件等最大挠度不大于l0/600，面板最大挠度不大于l0/300，大气区、浪溅区、水位变动区、水下区构件最大裂缝宽度分别不大于0.2 mm、0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm，构件尺寸能够满足受力要求，码头结构设计合理。 本工作船码头已完成施工图设计并通过审查，同时顺利完成工程施工，现已投入运营，目前运营情况良好，成效明显，达到设计效果。

4 结语

本项目根据现场地质条件、 水文气象条件等，结合装卸工艺、靠泊船型等，对工作船码头结构进行设计，码头结构采用灌注桩基础的高桩梁板式结构。 同时针对现有大水位差工作船码头在工作船靠泊过程中，船舶随着潮水升降，存在船舷挂靠码头平台或橡胶护舷、 船舶缆绳吊拉船舶的危险情况，对码头结构进行优化设计，主要成果如下：（1）工作船吨位较小，船舶干舷较低，停靠在码头的工作船随着潮水降低，船舶缆绳逐渐拉紧，容易发生缆绳吊拉船舶的危险情况。 为消除缆绳吊拉船舶的风险，在码头平台前沿设置下沉系缆平台，降低系缆平台高程，缩小设计低水位时工作船甲板面与系缆平台面高差，能够有效防止缆绳吊拉船舶。 （2）工作船船舷四周设计有凸出的钢制防撞设施，且与船体连成整体。 停靠在码头前沿的工作船随着潮水升降，船舷四周凸出设施易挂靠下沉系缆平台，从而发生危险。 为消除船舶挂靠下沉系缆平台的风险，在下沉系缆平台前沿增设靠船立柱，立柱顶面高程应高于极端高水位时最大工作船船舷顶面。 （3）为防止船舷四周凸出设施挂靠顶碰橡胶护舷，在船舷四周凸出设施随潮水升降高度范围内的橡胶护舷，端部采用30°的斜面设计。（4）优化的码头结构设计新颖、合理，建成后满足使用要求，达到预期效果，成效显著。 本项目码头结构设计方案可为类似的大高差沿海工作船码头的工程设计提供参考，提高工作船码头的运营效率，促进航运事业发展。