复杂地质条件下船坞坞墙结构设计与应用
时间：2023-04-24 12:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
张淼臣，阮心
（中国电建集团山东电力建设有限公司，山东 济南 250010）
公司承建的沙特萨拉曼国王国际港务综合设施项目包含建设三座大型干船坞，其中两座用于新造船只的建设，一座用于船只的检修维护。因项目所在地所处的地质水文环境复杂，坞墙结构作为船坞正常使用以及抵抗极端事件的保障作用则更加突出。因此，坞墙结构的合理选型及设计是如何在安全可靠的前提下最大限度地提高经济性、缩短施工周期的保证，也是坞墙结构设计需要完成的一项重要指标。
本研究从解决工程实际问题出发，通过对项目复杂地质进行分析，对坞墙结构的设计、选型研究过程及方法进行总结，尤其针对船坞坞墙结构优化过程中的计算分析过程进行说明，包括优化方向的确定、有限元分析及计算结果。
项目所处地区原始地貌为砂质土层，其岩层埋深较深，且风化程度较高，船坞区域的地下土层依次为级配不良的粉砂、轻度至良好胶结的砂/软弱砂岩、较软弱的砂岩、粘土岩/泥岩/粉砂岩/粉砂屑石灰岩/石膏，偶有薄的粉砂/粘土透镜体。地质的承载力低，天然地基往往不能满足大型工程对土体变形和稳定的要求，因此，在工程建设前通常需要对地基进行处理、加固，增加土体的抗剪强度，提高软基的承载力和稳定性。
表1 当地土层概览
2.1 结构选型
船坞的结构形式按干船坞克服地下水扬压力的方式可分为四大类，即重力式、锚杆式、锚桩式和排水减压式。其中：
（1）重力适宜用于采用排水减压式和锚拉式结构均有困难和地基较好的情况；
（2）锚杆式宜用于地基具有良好锚碇条件的情况；
（3）排水减压式宜用于原地级或经防渗处理后地基的渗水量较小的情况。
而根据坞墙与底板的连接方式，又可以分为整体式和分离式两大类。坞墙与底板刚性连接的称为整体式，两者用缝分开而相互独立的称为分离式。
分离式坞墙常用的结构形式有重力式（包括实体式、悬臂式和扶壁式）、桩基承台式和板桩式，以及衬砌式和混合式。其中：
（1）重力式适用于承载力较高的地基；
（2）桩基承台式和板桩式适用于承载力较低的地基；
（3）衬砌式和混合式适用于坞墙后全部或部分为岩体的情况。
考虑项目所处地区的复杂地质，锚碇能力有限；
同时，沙特当地商混价格较高，钢筋等建材大部分依赖进口；
鉴于以上两点，锚拉式与重力式无论是在技术层面还是经济性上都不适合作为本工程项目的船坞选型。考虑到沙特当地丰富的油气资源造就的低价电力，使用排水设施保证船坞稳定的排水减压式结构相较于其它结构形式有着适应当地特色的较大优势。
在综合造价及技术难度等方面的考虑后，确定排水减压式结构作为本工程项目中干船坞的结构形式。同时，考虑到船坞所在地区地基承载能力较好，地质分布较均匀，而且船坞埋深较大，墙体自重及上方覆土能够提供足够的稳定性。在保证安全稳定的前提下，为尽量节省成本，综合考虑后，决定使用分离式的扶壁式坞墙作为船坞坞墙结构形式。
2.2 方案优化
项目坞墙结构原设计方案由荷兰某公司进行设计，其坞墙主体由400mm 厚钢筋混凝土墙面板、扶肋（3m间距）、800—2100mm 变截面墙踵及1400—2100mm 墙趾组成。
图1 扶墙原设计方案（截面图）
原坞墙设计方案在设计之初未完全考虑上部设备等因素施加在坞墙主体上的外荷载及底板提供的约束，设计相对保守，通过精细化设计考虑，坞墙墙趾及墙踵设计、坞墙间距存在优化的空间，具体为：
（1）通过对上部设备荷载取值及布置的精确化确定，将墙踵及墙趾最大厚度进一步优化；
（2）通过对坞墙稳定性分析，探索墙趾及墙踵长度上的优化空间；
（3）优化扶肋的间距。
在确定优化方向后，根据类似工程的设计经验及设计参数分析，拟定了新的设计方案：考虑现场模板的尺寸，将底板划分由原方案的25m x 25m 改为24m x 24m；
底板厚度保持不变；
坞墙扶肋改为4.5m 间隔，墙踵最小厚度由1400mm 优化为800mm，长度由3m 优化为2.5m；
墙趾最大厚度优化为1500mm，长度不变。
2.3 整体稳定计算分析
图2 优化后的扶墙设计方案
坞墙结构的稳定性分析主要包括四个部分：抗滑移（Sliding）、抗倾覆（Overturning）、抗浮（Uplift）以及承载力分析（Bearing Capacity）。
其中，每个部分的安全系数标准值为：
表2 稳定性分析安全系数标准值
坞墙的抗倾覆分析原理是对比坞墙的倾覆力矩与坞墙本身抗倾覆的能力，即坞墙本身抗倾覆能力需大于坞墙受到的倾覆力矩一定倍数（本工程为1 倍）；
坞墙的抗浮分析原理为对比坞墙自身重力及其它使坞墙有向下移动趋势的合力与坞墙受到的浮力，其分析结果同样为两者的比值。
2.3.1 坞墙计算模型
坞墙的稳定性计算使用Staad Pro 有限元结构计算软件进行验算分析，其电算模型如下图所示：
图3 坞墙电算模型及尺寸
2.3.2 计算分析结果
表3 计算分析结果
经过计算分析，新方案下的坞墙设计满足稳定性需求。
本项目坞墙结构设计的亮点之一，在坞墙设计过程中充分考虑了底板抗水平力的约束效应，有效减小了坞墙的设计尺寸，在保证安全稳定的同时进一步增强了结构设计的经济性。此外，在坞墙设计过程中，在原方案的基础上，进一步优化了结构荷载的配置，将原方案中较不明确的荷载分布进行了细致的划分，将底板及坞墙按照其使用目的配置荷载，在简化了结构分析的同时，使得结构布置更加趋于合理，进而实现了结构总量的优化。
总体来看，坞墙结构的设计要点着重体现在荷载配置的合理性方面。对于船坞这类使用目的明确，设备配置固定的结构，设计初期的方案选型对设计过程影响较大。因此船型配置、工艺设备、设计容量这三项必须在整体方案敲定前尽可能完善，并作为结构设计的设计目标时刻校核设计成果，才能保证最终的设计安全、经济。
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