常 江，申瑞婷，李 梅，周子骏

(1.山东港口集团日照港，日照 276808；2.中交水运规划设计院有限公司,北京 100007；3.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220；4.南京水利科学研究院，南京 210029)

国家为加强滨海湿地保护，严格控制围填海活动，不仅严格控制新增围填海造地，同时也对新建的码头设施提出了更高的生态环境保护要求。随着国家用海政策的日益严格，传统重力式码头结构(实体结构)已不适应生态环保的要求，因此需要研究开发一种适应于岩基等较好地质的新型透空式码头结构——框架式生态沉箱码头结构。该结构形式在港口工程施工建造、生产运营时期均能采取有效措施减小对海洋生态的影响，保证海洋水体的流动和交换。因此，积极研究该新型透空式码头结构，为绿色港口建设提供一种新思路。

框架式生态沉箱新型码头是一种全新的透空重力式沉箱码头结构，其上部承台大板结构与预制的桩柱结构现浇成整体，能够抵抗波浪上浮作用，无需抬高码头面高程，充分利用码头岸线；其桩柱和下部生态沉箱共同预制成为整体，桩柱的长度不受施工水位限制，大大提高了其透空率，提高了水体交换能力；同时，该结构在生态沉箱顶人工设置底栖环境，更利于底栖生物的恢复及生长，适应目前国家政策对生态环保的要求。框架式生态沉箱码头具有明显的实用、生态、经济等优势和广阔的应用前景。

框架式生态沉箱新型码头的使用能够避免大面积的围填海，便于尽快投资、尽快建设、尽快投产。同时，框架式生态沉箱新型码头的使用对我国北方现有的重力式沉箱结构也是一种创新，在施工工艺、运行维护以及海洋环保均有进步。

1 框架式生态沉箱概述

框架式生态沉箱码头结构包括下部潜沉箱、与沉箱整体浇筑的桩柱、上部承台大板及回填料四部分。该结构将重力式沉箱和桩基两种码头结构的优点结合在一起，适应岩基等较好地质，能显著提高水体交换能力，通过在潜沉箱顶面设置人工鱼礁、利于底栖生物的恢复及生长、适应目前国家政策对生态环保的要求。另外，新结构采用沉箱与上部桩柱整体预制、出运，施工快捷高效，实现了码头构件的大型化、装配化。框架式生态沉箱码头结构作为一种新型透空式码头结构，无成熟设计计算方法和实施案例。依托我国北方某港口的实际工程对框架式生态沉箱码头结构所受波浪力进行专题研究，总结框架式生态沉箱结构设计的关键技术。

2 生态沉箱的类别

岩基等地基条件较好的港区采用透空式码头时通常考虑重力式沉箱墩+大跨度梁板及开孔沉箱两个结构方案。重力式沉箱墩+大跨度梁板结构由多个沉箱墩基础和横跨在沉箱墩上的梁板组成，为满足大跨度梁板抗浮稳定要求和解决支座上水问题，码头面高程往往比一般重力式码头高2～4 m，影响船舶作业效率，增加工程造价，且与港区周边码头高程不协调，尤其码头顺岸连片布置时，严重影响港口生产组织和效益。开孔沉箱结构有的在胸墙上开孔、有的在沉箱上部开孔、还有的在沉箱底部开孔；在胸墙上及沉箱上部开孔的防波堤主要利用波浪自身动能消能、降低开孔沉箱前的波浪力、降低堤后波高和减少越浪量、进而降低工程量、节约投资；在沉箱底部开孔的防波堤，允许港内外水体交换，同时可作为生物通道；但以上开孔沉箱都是在结构本身进行开孔处理，主要用于消浪和适当提高水体交换；为保证结构本身的安全性，往往开孔率相对较低，水体交换量不大，且大多应用在防波堤结构中。

我国离岸深水港建设过程中提出重力式复合结构，也可作为岩基等地基条件较好的港区透空式码头结构方案。该结构为重力式结构和桩基结构的组合结构，可以针对外海环境特点、施工特点，充分发挥各自的优点[1-8]。该种结构特点是随着码头水深的增加，造价增加较少，在水深较大时工程造价相对较低，适合于地质较好、水深较深的开敞式码头建筑物。由于上部桩基和下部沉箱为两个独立构件，需现场将桩基嵌固于沉箱舱格混凝土内，使其连接成为整体，嵌固位置和嵌固施工是该结构的重点与难点，施工较为复杂。目前重力式复合结构国内外应用实例总体较少[9-11]。

3 工程实例

某港区码头结构按25万t级泊位设计，泊位长度为345 m，包括码头新建主体结构段(260.14 m)和与已有码头连接的过渡段(84.86 m)。码头面顶高程为7.0 m，码头前沿底高程为-24.0 m，码头面宽度42 m。疏港通道共2条，拟采用引堤或栈桥结构，单通道长度158 m，顶宽11.0 m，顶高程7.0 m。如图1和图2所示。

图1 框架式生态沉箱码头立面图

码头主体结构段拟采用框架式生态沉箱结构。下部采用重力式潜沉箱框架，上部采用桩柱大板。为保证码头透空性要求，生态沉箱顶部设计标高取为-2.0 m，生态沉箱底部设计标高为-24.60 m。码头面宽度42.0 m，由前后2个生态沉箱组成，单个生态沉箱(含桩柱)质量约5 800 t，总计28个框架沉箱。泊位前后沉箱大小保持一致，每个框架沉箱宽17.60 m，在码头面的长度15.50 m，高22.60 m，共计9个仓格，四周设脚趾；沉箱顶部由混凝土进行封仓，封盖厚0.50 m，盖板顶部标高为-3.00 m，其上为底栖生物的生活空间；结构柱直径1.0 m，横断面间距5.70～5.45 m，码头面间距5.0～4.75 m，总计16个构造柱，构造柱的顶部标高为4.50 m。码头基槽底高程从-25.6～-29.0 m，持力层为强风化岩，抛石基床厚度从1.0～4.4 m；沉箱内吹填砂至封仓盖板底；桩柱上现浇混凝土大板。前轨距码头前沿距离4.0 m，前沉箱上大板厚度为2.5 m，后沉箱上大板厚度为2.0 m；码头系船设施采用2 000 kN系船柱，靠船设施采用SC2250H(RO)型一鼓一板橡胶护舷，护舷中心标高4.8 m。

过渡段总长84.86 m，该段码头结构及系靠船设施已建设完成，其中45.5 m范围后方抛石棱体已回填完成，39.36 m范围内后方尚未回填。泊位过渡段已建码头面顶高程7.0 m，码头前沿底高程为-24.0 m。采用重力式沉箱结构，沉箱底标高-24.0 m，顶标高-3.00 m；沉箱纵向5个仓格，横向4个仓格，沉箱尺寸为19.58 m×19.21 m×27.0 m(长×宽×高)，重约为4 520 t。沉箱内回填10～100 kg块石，顶面设300 mm二片石垫层和100 mm素混凝土垫层，沉箱上部现浇混凝土胸墙。码头以强风化花岗片麻岩为基础持力层，抛石基床采用10～100 kg块石，基床厚1.0～2.2 m。前轨直接坐落在现浇胸墙上，距码头前沿4.0 m，钢轨采用A150型。码头设2 000 kN系船柱和2 250 H(标准反力)一鼓一板鼓型橡胶护舷，每个沉箱设置一套。该段码头面顶高程、码头前沿底高程、系靠船设施均与新建主体结构段相同，满足25万t级散货船使用要求，仅需进行后方回填、护面、护底、挡浪墙及轨道梁等结构的施工。在已建沉箱、胸墙后方未回填处回填10～100 kg抛石棱体，棱体后方采用100～200 kg护面块石，下部采用60～100 kg护底块石；抛石棱体上方设混凝土挡浪墙，挡浪墙下部设100 mm素混凝土垫层和300 mm碎石垫层。装卸设备前后轨距12 m，后轨应作用在沉箱上，在已建沉箱最后一个仓格上现浇面板，面板厚度1.0 m，面板上现浇后轨道梁，轨道梁高3.0 m，底宽2.4 m，采用现浇弹性地基梁结构。

4 模型试验

4.1 试验要求

针对码头工程，物理模型试验是较为有效的研究方法[11-16]，本次试验在波浪试验港池进行。港池长52 m、宽24 m、高1.2 m，配有不规则波造波机，可根据试验要求产生规则波和不同谱型的不规则波。波高测量采用电容式波高仪及自动采集系统进行采集。波压力采用压强传感器测量，总力采用拉压力传感器测量，由计算机自动采集量测数据。

遵照《水运工程模拟试验技术规范》的规定，采用正态模型，按重力相似模型设计。根据场地条件和工程的平面尺寸，模型比尺取为1：45。主要物理量的比尺为：几何比尺λh=λ1=45，时间比尺λt=λ11/2，重量比尺λw=λ13，波浪力比尺λF=λ13，压强比尺λp=λ1。

试验的波向为SSE和SE两个波向，模型范围包括拟建泊位及过渡段。工程模型布置于距离造波机约10 m处，大于6倍波长，符合《水运工程模拟试验技术规范》的规定。整体模型中地形、码头等都按《水运工程模拟试验技术规范》要求准确模拟，做到与原型几何相似。

波浪按重力相似准则模拟，不规则波的波谱采用JONSWAP谱，其表达式为

(1)

模型试验中波高和周期与目标值的误差控制在±5%以内，使之在模型放置处满足所要求的波要素。

在码头前沿和后方布置波高仪测量码头前波面高度，码头前沿布置9个波高仪，其中7个布置在拟建生态结构码头前，2个位于过渡段。拟建生态结构码头后方布置2个，距后沿线25 m。

对码头结构前排沉箱墩、沉箱墩上部大板结构(前、后沉箱，包括立柱)等测量波浪水平力及浮托力。测量的沉箱结构位置有三处，分别位于拟建生态沉箱段中部及两端。进行总力测量时，结构除与总力传感器接触外不受其他外力作用。总力传感器用铁架和金属螺杆固定住。总力采用拉压力传感器测量，采样频率为125 Hz，由计算机自动采集量测数据。总力仪器布置见图3。

图3 总力传感器布置(沉箱墩水平力和上托力)

在前排沉箱墩上布置4列垂线，每列5个压力测点，并在沉箱底部布置压强测点；对于沉箱上部结构，在大板底面布置压强测点测量面板上托力；对于压仓板结构，在每块板顶面中心布置压力测点测量下压压强。波压力采用压力传感器测量，采样频率为125 Hz，由计算机自动采集量测数据。压强传感器布置见图4。

图4 压强传感器布置(沉箱墩)

4.2 试验条件[3]

(1)设计水位(当地理论最低潮面，下同)。

极端高水位(50 a一遇)： +6.48 m

设计高水位： +5.34 m

设计低水位： +0.63 m

极端低水位(50 a一遇)： -0.55 m

对于部分工况，补充了3.70 m水位时波浪及波浪力测量。

(2)试验波浪要素见表1。

表1 试验波浪要素

5 模型试验结果以及讨论

图5 压强传感器布置(上部大板底面)

(1)在拟建码头及过渡段(直立结构)前沿布置波高仪测量码头前、后波面高度，以分析码头上水及透浪情况，试验结果表明：设计高水位及相应10 a一遇SSE和SE向波浪作用下，拟建生态沉箱码头段基本不上水，SSE向浪波列中大浪作用时过渡段有少量上水。SSE向波浪作用下生态沉箱段和过渡段码头前沿最大波面高程(D4%)分别为7.00 m和7.73 m，SE向波浪作用下生态沉箱段和过渡段码头前沿最大波面高程(D4%)分别为6.49 m和6.80 m。极端高水位及相应50 a一遇SSE和SE向波浪作用下，码头上水量较大，码头生态沉箱段前最大波面高程(D1%)分别为9.22 m和8.63 m，SSE向波浪作用下最大波面高于码头面顶高程(7.00 m)2 m以上。高水位时，水位超过码头上部面板底高程，透射波浪较小。50 a一遇波浪作用下，最大透射波高出现在设计高水位，H13%=1.61 m；10 a一遇波浪作用下，最大透射波高出现在设计低水位，H13%=1.12 m，波浪方向为SSE向。

(2)试验中对拟建码头中部及两端三个位置处生态沉箱进行波浪力试验，波浪力试验结果表明：对于各结构，SSE向浪与码头前沿线交角较大，通常对结构作用力也大，但对于拟建码头北端与过渡段连接处前排沉箱上部大板，由于过渡段为全直立沉箱结构，沉箱侧面对SE向波浪的反射较大，波浪浮托力也较SSE向浪作用时的值大。拟建码头中部段前排沉箱上部大板，设计高水位5.34 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，水平波浪力和浮托力最大，分别为954 kN和4 764 kN；后排沉箱上部大板最大水平波浪力和浮托力分别为417 kN和3 465 kN。对于拟建码头南端前排沉箱，补充水位3.70 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，横向和纵向水平波浪力最大，分别为5 762 kN和4 996 kN；设计高水位5.34 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，浮托力最大，为5 218 kN。后排沉箱，补充水位3.70 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，横向和纵向水平波浪力最大，分别为3 523 kN和4 194 kN；设计高水位5.34 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，浮托力最大，为4 203 kN。对于拟建码头南端前排沉箱上部大板，设计高水位5.34 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，横向水平波浪力、纵向水平波浪力和浮托力最大，分别为843 kN、607 kN和5 026 kN；后排沉箱上部大板最大横向水平波浪力、纵向水平波浪力和浮托力分别为402 kN、604 kN和4 113 kN。对于拟建码头北端与过渡段连接处前排沉箱上部大板，设计高水位5.34 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，水平波浪力最大，为744 kN；设计高水位5.34 m及相应的SE向50 a一遇不规则波作用下，波浪浮托力最大，为5 066 kN。对于拟建码头中部段前排沉箱小立柱，设计高水位5.34 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，最大水平波浪力为13 kN。

(3)试验中对码头中部及北端两个位置处生态沉箱进行波浪压强试验，结果表明：对于拟建码头中部段前排沉箱，极端高水位6.48 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，最大波压力为32.5 kPa，出现在沉箱后侧。对于拟建码头中部段前排沉箱上部大板，补充水位3.70 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，最大波压力为36.5 kPa；后排沉箱上部大板波压力较小；设计低水位0.63 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，封仓板最大波压力为26.7 kPa。对于拟建码头北端与过渡段连接处前排沉箱上部大板，补充水位3.70 m及相应的SSE向50 a一遇不规则波作用下，最大波压力为30.3 kPa。

6 结论

采用1:45的正态模型对港区泊位工程开展波浪局部整体物理模型试验工作，验证了波浪作用下码头主体结构及护底结构的稳定性，测定了沉箱、上部大板、桩柱、封仓板等构件上波浪力及分布情况，测定了码头主体结构段及过渡段码头前沿波峰面高程及码头后方透射波高等。主要结论如下：

(1)码头面上水试验表明，由于生态沉箱结构上部采用透空结构，码头前波高小于过渡段码头(直立结构)前波高；设计高水位及相应10 a一遇SSE和SE向波浪作用下，拟建生态沉箱码头段都不上水，SSE向浪波列中大浪作用时过渡段有少量上水；极端高水位及相应50 a一遇SSE和SE向波浪作用下，码头上水量较大。

(2)SSE和SE向波浪作用下，由于前方码头的掩护，后方波高较小，SE向透射波高略小。高水位时，水位超过码头上部面板底高程，受上部结构阻挡透射波浪较小。

(3)对于各结构，SSE向浪与码头前沿线交角较大，通常对结构作用力也大，但对于拟建码头北端与过渡段连接处前排沉箱上部大板，由于过渡段为全直立沉箱结构，SE向波浪的反射较大，波浪浮托力也较SSE向浪作用时的值大；前排沉箱波浪力通常大于后排沉箱。

(4)对于拟建码头中部段前排沉箱，极端高水位最大波压力出现在沉箱后侧。前排沉箱上部大板波浪压强大后排沉箱上部大板。

(5)稳定性试验结果表明，在各级水位及相应50 a一遇波浪作用3 h后，前、后排沉箱及沉箱前10～100 kg块石基床均满足稳定要求。需要说明的是，对于本工程码头上部大板结构，极端高水位时，部分已没于水下，本次试验给出的波浪上托力未考虑浮力的影响。