XX港区多用途码头工程设计
重力式沉箱结构
Design for Multipurpose Wharf Enginnering of
PengLai Port
Gravity Caisson Structure
摘要
港口设计是港口工程中最基本、最重要的环节之一。优秀的设计方案，不仅能提供安全、经济、实用的建筑结构，同时还能够在设计思想和设计理念上展现出创新精神。在港口设计过程中，设计方法、设计计算和设计方案的研究和确定是港口设计的各种规范和工程经验的实现和提升。因此，港口设计过程的研究、实习具有一定理论意义和重要的工程实践价值。
本文通过对XX港自然环境的分析和拟建港区地形、地质、水文、气象、海况的资料统计，确定了拟建港区的平面布置形式，给出了泊位的数量和平面尺寸，设计了码头装卸工艺和后方堆场的位置。提出了建设重力式码头的设计方案，在拟建港区的水域范围内，按照码头前沿港池水深，设计了码头前沿的回旋水域半径和航道的宽度和深度，计算出拟建港区在各种水位下的码头自重、岸壁式沉箱码头墙后回填土的土压力强度和码头上各种堆货产生的荷载，推算出在各种水位下的波浪力条件，并进行抗倾、抗滑及基床稳定性验算，初步完成了XX港码头设计报告书，给出了较完整的设计图纸和设计资料。
本文提供的设计成果符合港口设计规范，提供的设计图纸和设计资料详实、完整，对XX港建设和施工具有指导意义。通过XX港毕业设计项目的实践，夯实了港口航道与海岸工程专业的基础知识，积累了港口、码头和航道的设计经验，为走向工作岗位、从事港口航道与海岸工程的设计和研究打下了坚实的基础。
关键词：港口设计；重力式码头； XX港；岸壁式沉箱
ABSTRACT
Port design is the most basic and important aspects in Port Engineering. Good design, not only to provide security, economic, practical building structure, but also be able to design and design concept to show spirit of innovation. Port design process, design methods, design calculation and design of the study and determine the various port design specification and project implementation and upgrade experience. Therefore, the design process of the port, has a certain theoretical and practical importance of the engineering practice.
Based on the analysis of the natural environment in Hong Kong and Penglai port proposed topography, geology, hydrology, meteorology, sea state statistics to determine the layout of the proposed port form, given the number of berths and plane size, design Terminal handling technology and the location of the rear yard. Proposed construction of the design of gravity quay, in the context of the proposed port waters, in accordance with the terminal front basin water depth, cutting-edge design of the terminal swing radius and channel waters of the breadth and depth, to calculate the proposed port at all kinds of water under the pier weight, Quay Terminal type caisson wall backfill soil pressure intensity and the dock loads generated by various heap goods, projected water levels in a variety of conditions under the wave forces and conduct anti-dumping, anti-slide and sub grade stability computations, the preliminary design completed Penglai Port, report, and gives a complete design drawings and design data.
This article provides results consistent with the design of the port design, provide detailed design drawings and design data, integrity, building and construction of Penglai Port of guiding significance. Penglai Port graduation design projects through the practicing, consolidate the port channel and the basics of coastal engineering, accumulated ports, terminals and paths of design experience, to go to work, in the port channel and coastal engineering design and research laid a solid basis.
Key words：Port Design；Terminal Gravity；Penglai Port；Quay Caisson
目录
第1章设计背景 (1)
1.1工程概述 (1)
1.2设计原则 (1)
1.3设计依据 (1)
1.4设计任务 (2)
第2章设计资料 (3)
2.1地形条件 (3)
2.2气象条件 (3)
2.3水文条件 (6)
2.4泥沙条件 (11)
2.5地质条件 (12)
2.6地震条件 (13)
2.7荷载条件 (13)
2.8施工条件 (13)
第3章设计成果 (14)
3.1总体设计成果 (14)
3.2结构方案成果 (14)
3.3施工图设计成果 (14)
3.4关键性技术要求 (14)
3.5设计成果评价 (14)
第4章总平面设计 (15)
4.1工程规模 (15)
4.2布置原则 (15)
4.3设计船型 (15)
4.4作业条件 (15)
4.5总体尺度 (16)
4.5.1 码头泊位长度 (16)
4.5.2 码头前沿高程 (16)
4.5.3 码头前沿停泊水域尺度 (16)
4.5.4 码头前船舶回旋水域尺度 (17)
4.5.5 陆域设计高程 (17)
4.5.6 航道设计尺度 (17)
4.6装卸工艺设计 (17)
4.7库场面积确定 (17)
4.7.1 件杂货，散货的仓库或堆场面积 (18)
4.7.2 辅助设施 (18)
4.7.3 平面布置 (18)
4.7.4 码头前沿作业地带 (18)
4.7.5 货物堆存及运输区 (18)
第5章结构选型 (19)
5.1结构型式 (19)
5.2构造尺度 (19)
5.2.1 沉箱外形尺寸 (19)
5.2.2 箱内隔墙设置 (19)
5.2.3 沉箱构件尺寸 (19)
5.2.4 胸墙尺寸 (21)
5.2.5 基床尺寸 (21)
5.2.6 地基处理 (21)
5.3施工方法 (22)
5.3.1 基槽挖泥 (22)
5.3.2 基床抛石 (22)
5.3.3 基床密实 (22)
5.3.4 基床的整平 (22)
5.3.5 沉箱的制造 (22)
5.3.6 沉箱的移动和下水 (23)
5.3.7 沉箱的浮运 (23)
5.3.8 沉箱的沉放和填充 (23)
5.3.9 回填土的施工 (23)
5.3.10 胸墙的施工 (23)
5.4作用分析 (23)
5.4.1 材料重度标准表 (24)
5.4.2 结构自重力 (24)
5.4.3 土压力 (27)
5.4.4 船舶作用力 (33)
5.4.5 波浪力 (34)
5.4.6 贮仓压力 (43)
5.4.7 地震荷载 (45)
5.4.8 码头荷载汇总 (50)
第6章结构计算 (51)
6.1稳定性验算 (51)
6.1.1 作用效应组合 (51)
6.1.2 抗滑稳定性验算 (51)
6.1.3 抗倾稳定性验算 (53)
6.1.4 基床承载力验算 (54)
6.1.5 地基承载力验算 (56)
6.2构件设计 (57)
6.2.1 内力计算 (57)
6.2.2 配筋计算及抗裂验算 (66)
6.2.3 沉箱浮游稳定验算 (75)
致谢 (79)
参考资料及设计规范 (80)
外文资料及译文 (82)
毕业设计任务书 (87)
设计进度计划表 (91)
第1章设计背景
第1章设计背景
1.1工程概述
烟台港位于山东半岛北侧，扼守渤海湾口，隔海与辽东半岛相望，与日本、韩国一衣带水，位于东北亚国际经济圈的核心地带，是中国沿海南北大通道（同江至三亚）的重要枢纽和贯通日韩至欧洲新欧亚大陆桥的重要节点。
XX港区位于XX市，于1995年12月正式验收投产。以通用散货和客货滚装作业为主，拥有生产泊位7个，万吨级以上泊位2个，码头岸线长度1400米。
本工程拟在烟台港XX港区建设一个5万吨级泊位的多用途码头。
1.2设计原则
（一）总体设计符合国家、地方经济发展规划和总体部署，遵循国家和行业有关工程建设法规、政策和规定。
（二）结合国情，采用成熟的技术、设备和材料，使工程设计安全可靠、使用方便、工程量少、总造价低、施工进度快，获得较好的经济效益和社会效益。
（三）注重工程区域生态环境保护，不占用土地，方便管理，节省投资。
1.3设计依据
码头结构安全等级为Ⅱ级，结构重要性系数γ0=1.0。本工程位于烟台港XX港区，拟建一个5万吨级泊位的多用途码头。码头前沿水深为-14.5米，码头顶面高程为5.5米。设计船型总长230m，型宽32m，型深17.5m，满载吃水12.7m。拟建码头处地基为陆相沉积的中粗砂层，承载能力设计值为350kPa。设计高水位：2.46m；设计低水位：0.25m；极端高水位：3.56m；极端低水位：-0.95m。
表1-1码头前沿（五十年一遇）波浪要素表
注：H（m），T（s）
水流设计流速0.9m/s，流向与船舶纵轴接近平行。计算风速取22m/s。按照码头前船舶作业标准，根据当地实测风、雨、雾、雷暴、波浪等影响因素的资料统计，并扣除各因素相互重叠的影响天数后，船舶作业天数为339天。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），本区域地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。
1
第1章 设计背景
2
依据规范：《重力式码头设计与施工规范(JTJ290-98)》 《海港水文规范（JTJ 216-98）》 《海港总平面设计规范(JTJ211-99)》 《港口工程荷载规范(JTJ215-98)》 《港口工程地基规范(JTJ250-98)》等等。
1.4 设计任务
本工程拟在烟台港XX 港区建设一个5万吨级的多功能码头，结构安全等级为Ⅱ级，结构重要性系数0 =1.0。
第2章设计资料
第2章设计资料
2.1地形条件
本港位于烟台港XX港区，拟建码头处地基为陆相沉积的中粗砂层，承载能力设计值为350kPa，本区域地震基本烈度为7度。
2.2气象条件
西港区处尚未进行系统的气象要素的观测，本次将采用烟台海洋站多年观测资料作统计分析。
烟台海洋站气象观测场位于芝罘岛上，地理坐标为：北纬37° 33.3′、东经121°23.5′。拔海高度为74.3m，风速仪距地面高度10.4m。
（一）气温
年平均气温：13.4°C
平均最高气温：17.7°C
平均最低气温：11.1°C
极端最高气温：37.1°C
极端最低气温：-11.7°C
（二）2.2.2 降水
年平均降水量：425.1mm
年最大降水量：616.7mm
一日最大降水量：76.5mm
年平均降水量日数为95.6天
降水强度≥中雨年降水日数为13.4天
降水强度≥大雨年降水日数为4.2天
降水强度≥暴雨年降水日数为0.2天
该区降水有显著的季节变化，雨量多集中于每年的6、7、8月份，这三个月的降水量为年降水量的53%，冬季降水量最少，12月至翌年的2月降水量仅为年降水量的9%。
（三）2.2.3 风
多年每日24次风速、风向资料统计，该区常风向为N向，出现频率为13.3%，次常风向为NW、W向出现频率分别为12.12%、11.55%。强风向为NW向，该向≥7级风出现频率为0.46%，次强风向为N向。具体见风频率统计表和风玫瑰图。
表2-1风频率统计表
3
第2章设计资料
4
第2章设计资料
5
图2-1 烟台港风玫瑰图
（四）2.2.4 雾
多年平均每年大雾日为29.0天，大雾多出现于每年的4～7月，为全年雾日的65%，而每年的8月以后，大雾日显著减少。平均每年大雾实际出现天数为10.9天。
（五）2.2.5 灾害性天气
本区灾害性天气过程主要为台风（含热带风暴，强热带风暴）和寒潮。据多年资料统计影响烟台附近海域的台风每年有1～2个，一般多出现于7～9月份。每当台风路经本区时，将出现大风、大浪、暴潮和暴雨。如8509号台风，烟台出现33.3m/s、SSE向大风，最高潮位达3.73m；受9216号台风影响，烟台港风速达18～30m/s，出现解放以来最高历史潮位（4.03m）。
多年资料统计，每年11月～翌年3月为寒潮出现季节，平均每年3.2次，受寒潮影响本海区出现偏N向大风，风速可达9～10级，且有偏N向的大浪，持续时间可达3～4天。
施工和泊位作业天数等。
第2章设计资料
2.3水文条件
（一）2.3.1 潮位
国家海洋局第一海洋研究所对烟台套子湾西海岸海区建港条件进行了调查和部分水文要素的短期观测，并于1994年12月完成了“烟台初旺湾－芦洋湾自然环境调查报告”。潮位是利用初旺湾验潮站1987年3月4日～4月13日一个月的潮位资料和烟台同步资料及烟台1953～1994年长期资料统计分析。用差比方法求得工程海域的设计参数。本次设计采用上述计算值。
1、高程关系：
2、潮位特征值：（以下水位值均从当地理论最低潮面起算）
工程海域为正规的半日潮，其（HK1+HO1）/H平方米=0.32
最高高潮位： 3.67m
最低低潮位：-0.77m
平均高潮位： 2.10m
平均低潮位： 0.61m
平均潮差： 1.49m
平均潮面： 1.33m
在此尚应说明2003年10月10日～12日，由于强冷空气南下影响，烟台港出现仅低于1992年的特高水位，调查值为3.77m。
3、设计水位：
设计高水位： 2.46m
设计低水位： 0.25m
极端高水位： 3.56m
极端低水位：-0.95m
4、乘潮水位
表2-2不同延时不同保证率乘潮水位表
6
第2章设计资料
（二）2.3.2 海流
海流观测分两个区域进行，第一个区域位于龙洞咀及以南的初旺湾，芦洋湾海域，共布设六个测点；第二区域为龙洞咀东北的天然深槽和龙洞咀以西的海域，共布设六个测点，分别进行大、小潮连续25小时观测。观测日期为：大潮第二区域为7月15日09时至16日10时，第一区域为7月16日17时至17日19时；小潮第二区域为7月22日09时至23日12时，第一区域为7月23日16时至24日19时。垂线测点采用六点法，依据实测资料，本海区海流特征如下：
1、潮流特征：测验海区的潮流为不规则半日潮流
其（WK1+WO1）/W平方米在0.76～1.45之间，浅水分潮流影响比较明显，潮流的运动属往复流性质。
2、潮流流场：龙洞咀以南第一测区涨、落潮潮流平均流向呈南北走向，龙洞咀以被第二测区涨、落潮潮流平均流向呈东西走向。
3、最大流速：大潮期间涨、落潮实测垂线平均最大流速第一测区出现在L05站，流速值分别为0.55m/s、0.77m/s，流向分别为150°、325°，测点最大涨、落潮流速为0.74m/s、0.88m/s，流向分别为174°、344°，出现在L03站表层。
第二测区垂线平均最大流速出现在L09和L07站，流速为0.58m/s和0.90m/s，流向分别为81°、278°；测点最大涨、落潮流速为0.76m/s、0.96m/s，流向分别为74°、260°，出现在L07站和L09站表层。
4、余流：本海区余流较小，垂线平均余流流速、流向见表2-3。
表2-3
7
第2章设计资料
（三）2.3.3 波浪
1、资料概况
西港区无波浪实测资料，而与其临近（相约30km）的烟台海洋站在芝罘岛北侧进行了长期的波浪观测工作（1981年至2002年）。本工程岸线在龙洞咀周围，其水深岸线走向与芝罘岛相似，水域开阔无岛屿影响。芝罘岛测波资料有着极好的代表性，基本代表了西港区深水处的波况。本次取用芝罘岛多年（1981年至2002年）观测资料作统计分析。
2、波浪概况
烟台海洋站位于芝罘岛，地理坐标为北纬37°36′、东经121°26′，测波浮标在测点的N向，水深约为17.3m，使用仪器为HAB－2型岸用测波仪，仪器的拔海高度为75.9m，每日进行4次（08、11、14、17）观测，大风浪过程中进行加密观测。
多年观测资料分析结果：该区常波向为NNW、NW，出现频率分别为8.20%、8.19%；次常波向为N、NNE，出现频率分别为5.91%、5.77%。强波向为NNW向，次强波向为N向，这两个方向H4%>1.5m出现频率分别为3.07%、2.45%。详见波玫瑰图和波高、周期频率统计表。
图2-2 烟台波高玫瑰图
8
第2章设计资料
表2-4烟台波高频率统计表
9
第2章设计资料
表2-5烟台波周期频率统计表
3、波高－周期联合分布
对于一个新开辟的港区，应分析波高和周期的联合分布，其目的是了解是否存在小波高对应长周期波浪的出现，小波高长周期的波浪对港内波稳有重要的影响。多年观测资料统计结果如下：
表2-6
10
第2章设计资料
上述统计结果表明，本区波高周期对应关系为大波高对应大周期，小波高对应大周期出现的可能性不大。
4、不同重现期波要素
用芝罘岛测波站多年观测资料作年频率计算，不同重限期波要素见表2-7。
表2-7
2.4泥沙条件
拟建工程港区沿岸主要为基岩海岸，沿岸以低山丘陵台地为主，泥沙来源不甚丰富，主要是海岸侵蚀来沙和人为供沙。港区沿岸岩性多为白云石大理岩，在海浪和海流作用下产生部分泥沙，数量很少；沿海养殖及其加工业产生的废弃贝壳，堆积在海滨，也是局部泥沙的重要来源，但数量有限，对于港口建设不会构成很大影响。
根据国家海洋局第一海洋研究所观测资料分析，该海区近岸及岸滩泥沙较粗，海域平均含沙量为46.6mg/L，如果所搬运的泥沙全部沉淀，每平方米也只有
11
第2章设计资料
46.9kg，即沉积厚度2cm，实际情况可能仅有此值的三分之一左右。
总之，该海区泥沙来源很少、泥沙搬运沉积不甚活跃，近岸泥沙不会对建港构成危害。
2.5地质条件
1）各岩土层分布特征
第一层，海相沉积层
该层存在于勘察区域的表层，分布不均匀，在勘察区域按性质存在三大层。
①1粉土层
灰色、灰褐色，稍密状，该层主要分布在勘察区的部分钻孔中，土层相对较薄，厚度在1.0～3.0m范围内，不是十分稳定，平均标贯击数N＝8.1
①2粉细砂层
灰色、灰褐色，松散～稍密状，该层广泛存在于勘察区域内，分布相对稳定，厚度不均，在0.8～7.0m范围内，平均标贯击数N＝9.3
①3淤泥质粉质粘土层
灰色、灰褐色，软塑状，高塑性，该土层零星存在于勘察区域内，个别土层因含水量原因为粉质粘土，平均标贯击数N＝1.1
第二层，陆相沉积砂层
该层在勘察区域内广泛存在，为陆相沉积砂层。
②中粗砂层
黄色、黄褐色，中密～密实状，该土层在勘察钻孔中均有揭露，层位稳定，土质不均匀，混有碎贝壳，平均标贯击数N＝37.8
第三层，陆相沉积粉质粘土层
该层在勘察区域内一定深度下均可揭露，层位相对稳定。
③粉质粘土层
黄色、黄褐色，硬塑状，中～中上塑性，该层在所勘察钻孔中，最浅标高-17.45m，最深标高-29.06m处揭露，呈自北向南逐次渐深趋势，层位稳定，土质坚硬，土质不均匀，上部及下部多混有大量砂粒，偶见粉细砂夹层，平均标贯击数N＝20.6。
第四层，粗砾砂层
该层在勘察区域内一定深度下广泛存在，层位稳定。
④粗砾砂层
黄褐色，密实状，该层在所勘察钻孔中，最浅标高-28.12m,最深标高-37.57m 处揭露，层位稳定，土质不均匀，其中多含角砾，小块碎石等物，平均标贯击数N＝43.9击。
2）结论与建议
12
第2章设计资料
1、勘察结果表明，码头区基岩埋藏标高-14.29～-47.19m，起伏变化较大，大体上呈由西南向东北倾斜的趋势，近岸区基岩埋藏较浅，上部覆盖层较薄，一般为1.0～5.0米；而远岸区基岩埋藏较深，覆盖层较厚，一般为15.0～20.0米，因此码头结构型式的设计，近岸区可采用重力式结构，而远岸区可采用桩基结构，建议码头布置在近岸区强风化岩面等高线-24米以上，采用重力式结构，以强风化岩为持力层。
2、对于护岸和防波堤的设计，①淤泥质粉质粘土，呈流塑～软塑状，为软弱土层，工程地质性质差，不宜作基础持力层。②1粘土和②2粉质粘土及③2粉质粘土，呈可塑状～硬塑状，属于中等压缩性土，强度较高，工程地质性质较好，可考虑作为基础持力层。
3、上述地质勘察是为可行性研究阶段工作而进行的，钻孔距离较大，特别是垂直岸向风化岩标高出露差异甚大，在下阶段勘察中，应进一步加密钻孔，摸清岩土层分布规律，尤其在码头位置应布置足够的控制性钻孔，并结合物探方法查明基岩中是否有岩溶发育。
2.6地震条件
根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，本区地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。
2.7荷载条件
码头面均布堆货荷载30Kpa。
门机荷载：轨距16m，基距16m，工作状态下前轨最大轮压200kN（375kN），后轨最大轮压375kN（200kN），非工作状态下前轨最大轮压77kN，后轨最大轮压240kN。
2.8施工条件
施工所需的构件预制场、施工码头等可依托本港现有设施。
本工程属港口扩建，具有良好的“三通一平”条件。
本地区砂石料资源丰富，开采运输条件良好，各种规格的砂石料可就近采购，能满足本工程建设需要。
13
第3章 设计成果
14
第3章 设计成果
3.1 总体设计成果
本工程拟在烟台港XX 港区建设5万吨级多功能码头，根据给出的设计依据：设计船型为根据设计任务书选取设计船型总长230m ，型宽32m ，型深17.5m ，满载吃水12.7m 。从而确定码头泊位长度为280m,码头前沿高程为5.5m,码头前沿停泊水域尺度为64m,码头前船舶回旋水域尺度为575m 航道水深为14.4m 航道宽度为340m 。
因本工程为多功能码头，所以去后方堆货为散货，根据规范得出后方散货堆场面积为201002m 。并将库场分为2部分，每部分占101002m 。
3.2 结构方案成果
本码头因地基基础为承载能力较好的陆相沉积中粗砂层，承载能力设计值为350kPa 。因此选用重力式码头进行设计施工。本码头设计采用沉箱结构，和其他重力式结构相比较有以下特点，优点方面：施工速度快，水下工程量少，结构整体性和抗震性能好；缺点方面：需要钢材多，耐久性不如块体码头，需要专门的预制和水下设备。本设计通过对沉箱自重，墙后土压力，波浪力，贮仓压力等作用的计算，对沉箱码头进行抗滑抗倾稳定性验算，地基承载能力验算等。
3.3 施工图设计成果
本工程为重力式码头，并选用岸壁式沉箱结构，通过计算沉箱在各种水位下的码头自重、岸壁式沉箱码头墙后回填土的土压力强度和码头上各种堆货产生的荷载，推算出在各种水位下的波浪力条件，并进行抗倾、抗滑及基床稳定性验算，初步完成了XX 港码头设计报告书，给出了较完整的设计图纸和设计资料。具体计算及图纸见计算书。
3.4 关键性技术要求
本工程选用岸壁式沉箱结构，因此沉箱的制作显得尤其重要，在沉箱的制作过程中不仅要严格按照各重规范及沉箱尺寸进行制作，还要相应的对已完成的沉箱进行检验，务必使沉箱满足设计要求。沉箱的运输及沉放也是比较重要的步骤。
3.5 设计成果评价
本工程通过对沉箱码头的设计与施工的计算，给出了一套严格，具体的计算方法，并对施工的具体步骤做了一部分说明。通过此次设计，使我对沉箱码头的设计工作有了较深刻的认识，并对各种计算方法方式有了一定的了解，对自己在以后的学习生活有着很大的帮助。