EPC工程浮码头锚定优化.pdf

EPC工程浮码头锚定优化 左华楠1，黄梓雄2，薛林虎2（1.中交四航工程研究院有限公司，广东广州 510230；2.中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510230）摘要：EPC 工程在满足工程功能性需求的前提下对结构进行优化，从而降低实施成本以提高投标竞争力。浮码头能够较好的适应水位变化，在拖轮码头、客运码头和大水位差码头中运用广泛。以沙特吉赞商业港项目浮码头的锚定优化为例，对比高弹性索和大体积混凝土锚定桩，两种不同锚定形式的优缺点及经济效益，为类似工程提供浮码头锚定优化思路。关键词：EPC工程；浮码头；锚定优化 中图分类号：U652 文献标识码：B 文章编号：1004-9592（2023）04-0041-05 DOI:10.16403/ki.ggjs20230409 Optimization of Floating Wharf Mooring in EPC Project Zuo Huanan1,Huang Zixiong2,Xue Linhu2（1.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510230,China;2.The Second Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510230,China）Abstract:As for EPC project,optimizing the structure while meeting the functional requirement leads to strong competitive power in bidding based on lower project costs.Floating wharf is widely used in tugboat berth,passenger berth and large water head berth due to its adaptability to water level changes.Base on the mooring optimization of a floating wharf in Jizan City commercial port in Saudi Arabia,the advantages,disadvantages and economic benefits of flexible cable mooring system and mass concrete mooring piles are compared,which will provide an idea for the floating wharf mooring optimization in similar projects.Key words:EPC project;floating wharf;mooring optimization 引引 言言 EPC 项目打破了传统施工中设计与施工分离的局面，使得设计与施工的需求能够统一，为EPC 项目设计优化奠定了基础。EPC 项目设计阶段，在满足设计基础前提下，提出工程造价最优的方案，可大大提高市场竞争力。浮码头的锚定方式主要分为系泊缆和定位桩两种，在水位变化频繁的地区，系泊缆需要随着水位的变化频繁的收放，对系泊缆的使用寿命有极大的考验，定位桩结构则是采用钢管桩导桩式结构，侧向位移较小，但在土质软弱的地区，往往需要多根钢管桩且钢管桩的入土深度较大，施工难度较大。郝浩3对浮码头定位墩进行数值分析，获得不同工况下定位墩的弯矩和位移分布，根据分析结果提出针对定位墩钢斜撑连接位置的优化和刚斜撑材料的优化。刘普等4利用有限元软件 Midas Civil，分析桩径、桩距和斜撑对浮码头趸船定位桩结构内力和变形的影响，提出定位桩结构较为合理的桩径和桩距。夏运强等5针对台风中某港浮码头破坏案例，分析浮码头破损的原因，并指出浮收稿日期：2021-12-25 作者简介：左华楠（1992-），男，硕士，工程师，主要从事港口、船舶和海洋工程研究工作。41 1Port,Waterway and Offshore Engineering 码头的约束位移对防风浪的影响。厉泽逸等6介绍了拆装式浮码头的设计方案和使用效果，指出拆装式浮码头适宜宽边滩及大水位差地区。杨玉勤7从多角度对比两种浮码头系留消能方式，提出钢撑杆消能设施能有效控制船舶靠泊时浮码头的位移，结构安全且经济性好。郑娟等9探索和研究了门架式定位桩固定趸船的系留方式，提出在趸船首尾各设一组门式定位桩，可有效限制趸船水平位移。祖福兴和李洪英10以重庆海螺水泥专用码头为例，介绍以钢导桩定位浮趸、以浮趸支撑钢引桥、靠水的浮力实现自动升降的大水位差浮码头。刘丽娜等11针对洋山港区避风港池浮码头，提出了 3 根定位桩的锚定形式，表明其具有良好的经济效益。目前国内对浮码头的研究多集中在锚定结构的数值分析及定位桩斜撑的优化，鲜有对浮码头高弹性索系泊和重力式混凝土锚固定位桩系泊的研究。本文以浮码头的锚定优化为研究对象，拟从施工性、经济性、安全性等方面对比分析浮码头锚定结构，探讨浮码头锚定结构的设计优化方向。1 工程概况工程概况 沙特吉赞商业港 EPC 项目位于沙特阿拉伯王国吉赞经济城内。商业港港池主要为散货船、矿砂船、集装箱等提供装卸货运输服务。浮码头位于商业港港池的西北角，属于有掩护条件的海域，风浪流等外部荷载较小，用来停靠拖轮、锚艇、领航船等的港口辅助作业船舶。浮码头共有 5 个泊位，每个泊位长 40 m，宽7.7 m，高 1.5 m，干舷为 0.5 m，每个泊位由三个浮体组成，浮体之间使用连接器进行连接，如图 1所示。图图 1 浮码头总平面布置示意图浮码头总平面布置示意图 2 招标方案招标方案 2.1 招标方案结构招标方案结构 招标方案中浮码头的锚定形式为钢管定位桩，其断面形式如图 2 所示。图图 2 浮码头招标方案设计断面示意图浮码头招标方案设计断面示意图 断面结构有如下特点：1）采用定位桩法进行锚定，锚定钢管桩直径914 mm，海床标高为-16.5 m，钢管桩底标高为-26.7 m，钢管桩需打入海床下 10.2 m；42 2）钢管桩底部 5 m 进行水下混凝土灌浆，底部 5 m 还设置20 环向抗剪钢筋；3）地勘报告显示，该区域海床下约 5 m，存在约 0.6 m 厚的石灰岩层，标贯击数超过 80 击，且岩石层下方为非常密实的砂层，标贯击数在 70击以上。表表 1 土层材料土层材料 土层 层顶高程/m 层底高程/m 层厚/m 中密砂层，标贯 17 击-15-16.5 1.5 密实砂层，标贯 30 击-16.5-19.5 3 石灰岩层，标贯 88/28击-19.5 20.4 0.9 非常密实砂层夹杂砾石，标贯 88/24击-20.4-21.4 1 非常密实砂层，标贯 70击-21.4-28.4 7 2.2 招标方案特点招标方案特点 1）依靠桩土之间的作用锚固钢管桩，底部灌注混凝土增强桩土之间锚固；2）钢管桩锚固深度较为保守，在钢管桩锚固深度计算中，锚固土层为全考虑为中密的砂土层，钢管桩锚固长度超过 10 m，钢管桩需贯穿地勘中的岩石层及下方的非常密实砂土层，且又增加了水下混凝土增强桩土之间的锚固力；3）岩石层下方为非常密实的砂层，标贯击数在 70 击以上。2.3 招标方案难点招标方案难点 1）钢管桩沉桩深度需穿过岩石层及下方非常密实的砂土层，标贯击数如表 1 所示，海上打桩难度极大，海床下 510 m 土层极为坚硬；2）海上打桩施工周期长，商业港项目相邻泊位浮码头之间距离仅为 37 m，小于起重船起吊所需的最小距离，因此每次只能施工一个泊位的钢管桩，等到泊位的浮台起吊安装完成后，才能进行下一个泊位的钢管桩施工。浮码头钢管桩仅有30 根，但海上打桩周期需 1 年左右；3）沙特地区无海上打桩船租赁，需从迪拜租赁打桩船，由于浮码头钢管桩施工周期长，因此船舶租赁费较高，影响了工程效益。3 锚定方案优化锚定方案优化 3.1 浮码头性能要求浮码头性能要求 招标文件中对浮码头的锚定形式无具体要求，但却给出浮码头性能要求：在浮码头招标文件中，浮码头性能要求如下：1）每个泊位的浮码头都应能停靠最大的拖轮，最大拖轮型长 32 m，型宽 12 m，型深 5 m，且浮码头需满足 75 t 系柱拖力的使用需求；2）浮码头设计寿命为 50 年；3）浮台空载时最小干舷 50 cm，满载时最小干舷 10 cm；4）每个泊位浮码头尺寸为 40 m7.7 m。招标文件中浮码头的性能要求主要是能够满足大型拖轮的停靠，对锚定形式未作出要求。3.2 锚定方案比选锚定方案比选 1）锚链系泊 在浮码头锚定设计中，除定位桩外，最常见的系泊方式还有锚链系泊。锚链系统所需的锚链长度至少为水深的 3 倍，且在水位差较大的水域，还需设置电动铰链设施，以调整水中锚链的松紧程度，商业港项目共有 5 个泊位的浮码头，每个泊位之间中心距仅为 37 m，水深 17.5 m，采用锚链系统至少小 3 倍水深即 52.5 m，该距离超过了浮码头泊位的中心距，因此常规的锚链系泊系统不适用沙特吉赞商业港的浮码头。2）高弹性索系泊（主推方案）近些年来，已有数千计的浮码头使用高弹性索替代传统的系泊锚链，如青岛国际帆船中心、迪拜朱美拉棕榈岛码头、深圳大运会游艇码头和三亚半山半岛帆船码头等，特制的高弹性索由于其自身良好的伸缩性、较大的断裂拉力、所需的高弹性索长度短等优势，在国内外很多浮码头中得到了应用。高弹性索是一种用于外海及港口码头的定位锚定系统。是一种含碳纤维的弹性橡胶索，在使用过程中，不会释放任何污染物，对环境无污染，即适用于海洋环境，也适用于内河环境。高弹性索有较好的延伸率，资料显示，高弹性索在延伸率 70%以内可来回拉伸约 11 万周次（相当于150 年的潮水涨落周期）。高弹性索用弹性延伸吸能，能较大程度地消除风浪对浮台的冲击、潮差对码头浮台的影响，可以安全的稳固浮码头浮台。43 因此考虑商业港浮码头使用高弹性索对浮码头进行锚定，高弹性索所需长度小，且高弹性索的位置对于船舶靠泊没有影响。初步设计每个浮码头有 8 个高弹性索，每个高弹性索由 10 组成一束，末端装有断裂保护器，在正常工作时，高弹性索在弹性范围最大承载力为 50 kN，破断力可达150 kN。该方案每个浮台由 8 根高弹性索锚定，绳与浮台成 20 角和 30 角布置，使用混凝土沉块作为锚固点，每根绳索的水平长度为水深的两倍，即 172=34 m，小于相邻泊位的水平距离 37 m，因此高弹性索锚定系统能够顺利的布置。使用高弹性索锚定系统施工简单，只需要预制沉块，高弹性索则从专业厂家采购，海上施工时，使用一艘起重船吊运浮台和沉块，依次连接浮台、高弹性索、沉块即可。因此高弹性索系泊锚定方案为商业港项目浮码头优化首推方案。（a）平面示意图 （b）立面示意图 图图 3 高弹性索优化方案高弹性索优化方案 3）大体积混凝土方块锚固钢管桩（备选方案）参考重力式海洋平台，平台底部采用大体积混凝土锚固，因此浮码头定位桩系统可参照该种方式进行优化，使用大体积混凝土方块锚固底部钢管桩，大体积混凝土坐落在海床上，该优化方案可以避免海上打桩，依靠混凝土的锚固力和自重，将钢管桩锚固在水下。根据初步计算，使用大体积混凝土锚固钢管桩，每个大体积方块长 9 m，宽 3 m，高 2 m，每个方块重 130 t，钢管桩需锚固在方块中 1.5 m深，每个方块锚固 2 根钢管桩。图图 4 大体积混凝土锚固钢管桩方案大体积混凝土锚固钢管桩方案 使用大体积混凝土方块锚固钢管桩，可以避免海上打桩，避免穿过地下硬层，大大降低了施工难度，仅需预制大体积混凝土方块，钢管桩从专业厂家采购，海上施工时，先安装大体积混凝土方块，接着安装钢管桩，再进行水下灌浆将大体积混凝土方块和钢管桩之间的空隙填满，最后在钢管桩周边回填护脚块石保护钢管桩。施工工序比高弹性索多，施工难度相比高弹性索略微复杂。因此考虑将该方案作为备案。3.3 高弹性索与大体积混凝土锚固钢管桩对比高弹性索与大体积混凝土锚固钢管桩对比 1）高弹性索优缺点 高弹性索系统有以下几点优势：施工简单，仅需预制沉块，高弹性索从专业厂家采购，施工时安装沉块即可；施工成本低，高弹性索购买、沉块预制、安装的费用总和小于大体积混凝土锚固钢管桩方案；材料为非金属，海上环境下无腐蚀，且对环境无污染。高弹性索系统有以下几点缺点：设计寿命 25 年，浮码头结构设计寿命周期内考虑更换一次高弹性索；后期维护频率高，运营期间每隔 5 年需要对弹性绳索进行维护保养，维护成本不可忽视。而钢管桩基本不需要维护；在商业港海况下，最大横向位移超过 50 cm，横向位移相比大体积混凝土锚固钢管桩方案较大；44 高弹性索系统长度为水深的 2 倍，对浮码头周边的空间有一定的要求。2）大体积混凝土锚固钢管桩优缺点 大体积混凝土锚固钢管桩有以下几点优势：横向位移小，使用定位桩系统，浮码头最大横向位移仅为 25 cm；对空间要求小；无需海上打桩；钢管桩寿命长，可达 50 年。大体积混凝土锚固钢管桩有以下几点缺点：施工工艺略微复杂，包括方块预制、安装、钢管桩安装、水下灌浆、护脚块石回填；安装精度较高，水下安装方块和钢管桩的精度需控制在 5 cm 以下；钢管桩在海水环境下腐蚀较为严重，需增加阳极块防腐。3.4 最终方案选择最终方案选择 沙特吉赞商业港项目虽然是 EPC 项目，但是任何的设计优化都需得到业主的审批，在推进浮码头高弹性索锚定方案时，经业主内部技术咨询部门审核，最终拒绝了高弹性索锚定方案，主要理由是不希望浮码头运营时有较大的横向位移，以及后续较为频繁的维护保养工作。因此又推行重力式混凝土锚固钢管桩的备选方案，上报详细的设计计算书，并积极与业主技术咨询部门沟通，最终业主同意了该设计优化方案，可见业主虽然在招标文件中未要求浮码头的锚定形式，但是业主内部技术部门偏重于定位桩锚定形式，更希望减少运营期的维护成本。若只考虑施工成本，高弹性索锚定系统经济性远好于重力式混凝土锚固钢管桩，综合考虑全周期（浮码头结构设计寿命 50 年）成本后，使用重力式混凝土锚固钢管桩的经济性，略好与高弹性索锚定系统，如表 2 所示。表表 2 全周期成本对比（全周期成本对比（50 年设计寿命）年设计寿命）项目名称 大体积混凝土锚固钢管桩/万元 高弹性索/万元 备注 施工费用 491.2 266.3 沙特里尔维护费用 9.6 327.5 沙特里尔总成本 500.8 593.8 沙特里尔年平均成本 10.0 11.9 沙特里尔4 结结 语语 本文以沙特吉赞商业港项目浮码头的锚定优化为例，通过对比高弹性索和重力式混凝土锚固定位桩，两种不同锚定形式的优缺点及经济效益，获得主要结论如下：1）高弹性索锚定系统施工简单、耐腐蚀好、抗风浪强，但其横向位移稍大，对浮码头周边空间有一定的要求，且运营期需要定期维护；2）重力式混凝土锚固定位桩横向位移小，对空间要求低，无需海上打桩，但施工较为复杂，且需增加阳极块防腐；3）只考虑施工成本，高弹性索锚定系统经济性远好于重力式混凝土锚固钢管桩，综合考虑全周期 50 年成本后，使用重力式混凝土锚固钢管桩的经济性，略好于高弹性索锚定系统；4）EPC 工程在招标设计中存在较大的优化空间，通过合理的设计优化能够降低项目的实施成本。由于业主对设计优化方案有否定权，因此在设计优化中不能只有一个优化方案，还需要有备案，当首选方案被拒绝时，还可以推进备案进行优化，给项目带来优化空间。参考文献参考文献:1 AS3962.Guidelines for design of marinasS.Australian,2001.2 BS 6349-6.Design of inshore moorings and floating 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