程星

摘 要：架空式斜坡码头是我国大水位差（水位差可达20 m～30 m）山区河流的最主要码头结构形式。因此，在工程设计时，详细分析实例工程的受力情况，保证码头结构的稳定性是工程稳定性的重要前提。本文以重庆江津区鱼尾碛码头为实例工程，借助三维有限元数值模拟技术，研究了在最不利工况下，实例工程的码头自身结构稳定性及岸坡稳定性。为实例工程的建设提供了稳定性支持依据，也为同类工程的研究计算提供了参考。

关键词：架空式斜坡码头;大水位差;岸坡稳定;桩基应力

中图分类号：U656.1 文献标识码：A

1 实例工程概况

本文以重庆江津区鱼尾碛码头为实例工程。实例工程位于长江合川鱼尾碛段。工程段距离重庆主城李家沱河段约75.5 km，地理坐标为经112°11′21″，北纬32°14′39″。实例工程码头设计吨位为3 000吨级，码头主要货种为件杂货和干散货。斜坡坡比为1：2.5，并采用实心六角块进行护面。同时，斜坡采用11根桩基进行支撑。

2 三维有限元模型建立

综合考虑实例工程的建设条件、各类三维结构数学计算模型的适用范围、计算精度，最终采用ANSYS有限元计算软件进行建模分析。

2.1 三维数模建立及单元网格划分

采用三维有限元模型进行计算模型建立，网格划分采用稳定性最好的三角网格网格（在应力、荷载传递计算中不容易发散）间距设置为5.0 m。经划分，整个计算模型共有22 856个网格、37 530个网格节点。

2.2 模型主要参数定义

根据鱼尾碛码头的实际情况，各部分材料的特征参数如下：

挡土墙为C40混凝土，密度为2 400 kg/m3，内摩擦角为14.0°，弹性模量为30.5 GPa;地基土以粉质粘土为主，密度为2 020 kg/m3，内摩擦角为25.8°，弹性模量为0.12 GPa。

同时，根据对实例工程的分析，实例工程受到以下外部荷载：均布荷载（30 kPa，竖直向下）;水流压强（10.45 kPa，垂直于作用面）。

3 数模计算及结果分析

根据大量工程实践经验，架空斜坡式码头在最高通航水位下的稳定系数最小，最容易受到滑移、倾覆破坏。因此，本文主要分析在最高通航水位下，码头自身的受力情况，以及码头岸坡稳定情况。

3.1 码头桩基应力分布云图

对码头桩基进行编号处理，令码头斜坡底部的桩基编号为1#，然后依次向上，编号分别为2#、3#，直至11#。

根据数模计算结果，实例工程码头的压应力分布和拉应力分布云图依次见图1与图2。分析可知：

（1）实例工程最大压应力主要分布在8#桩基和9#桩基，最大压应力为9.85 MPa，小于C40混凝土20 MPa的抗压要求，符合规范。

（2）实例工程的最大拉应力分布区域与最大主压应力分布区域一致，也在8#桩基和9#桩基。经计算，最大拉应力为1.6 MPa。小于C40混凝土2.0 MPa的抗拉要求，符合规范。

进一步分析可知，实例工程的主要拉应力分布在T梁的跨中截面区域。建议对该区域进行加筋防护。

3.2 码头桩基形变值分布分析

根据数模计算结果，在最高通航水位工况下，实例工程码头在水平、竖直两个方向形变值分布云图见图3，分析可知：

（1）1#至3#墩台结构在水平、竖直两个方向的变形值都非常小（0.01 cm～0.05 cm）。而4#至11#桩基的变形值都相对较大（0.08 cm～0.15 cm）。最大值出现在 Y轴负方向，最大值为0.15 cm，小于规范要求的0.25 cm安全值，满足规范。

（2）4#至11#桩基（尤其是Z轴方向）受到水流冲击作用影响较大，在8#桩基和9#桩基，最大值为0.098 cm。因此，应当在上部横梁布置时加强结构抵抗横向受力的加劲肋或横隔梁，增加实力工程横向受力稳定，保证实例工程结构安全。

（3）桩基的变形会传递、影响接触的土体，从而使得土体产生被动土压力，抵消一部分变形作用。在实例工程中，有土体覆盖的区域，桩基底部变形值相对较小，安全稳定性相对更高。

3.3 岸坡土体形变值分析

根据数模计算结果，进一步分析岸坡土体形变值。分析可知：

（1）總体来看，鱼尾碛码头工程岸坡土体的形变值在0.02 cm～0.17 cm范围内。

（2）1#至3#墩台结构接触的土体部分形变值较小。基本分布在0.02 cm～0.08 cm范围内。

（3）4#至11#桩基接触的土体变形值相对较大，基本分布在0.05 cm～0.17 cm范围内，且基本在表层土体区域。在中深层土体，变形值基本趋近于0。

（4）变形值最大的土体为与8#桩基和9#桩基接触的土体部分。产生较大变形值的原因主要有陆域后方土体滑坡推力的影响，以及受水流力的作用效应影响。

4 结论

本文选择重庆江津区鱼尾碛码头作为实例工程。借助ANSYS三维有限元数值模拟软件，分析了实例工程最不利工况（最高通航水位下），码头自身的应力分布情况，以及码头范围内的形变分布情况。研究结果显示，在最不利工况下，鱼尾碛架空式斜坡码头的拉应力、压应力最大值均满足规范要求，码头整体的形变值较小，且岸坡基本保持稳定。因此，实例工程结构设计合理，符合规范要求。

参考文献：

[1]Brown，P.T，S.K.Y.Load sequence and structure—foundation interaction.

[2]刘小强，尚明芳，周世良，等.库水位循环作用下架空斜坡式码头变形研究[J].水运工程，2013（04）：76-82.