自動化集裝箱碼頭高程系統優化設計

舒開連，李 彬

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

自動化集裝箱碼頭通常采用電力驅動的自動化水平運輸設備，該設備的價值較高、視覺導航功能對路況的要求也較高，并且堆場內大量堆存的集裝箱中也是經濟價值高的貨物。近年來臺風、強暴雨等惡劣天氣頻繁加劇，若高程設計不合理導致港區積水過深，不僅影響自動化水平運輸設備的導航定位，而且會導致貨物財產損失和自動化設備故障。因此，通過合理的高程設計提高港區防洪抗澇能力是自動化集裝箱碼頭設計的重要課題之一。

本文通過對自動化集裝箱碼頭的特點進行分析，總結現有高程設計方法存在的問題和優化方向，提出適用于自動化集裝箱碼頭的高程系統優化設計方法。

1 自動化集裝箱碼頭特點

自動化集裝箱碼頭因堆存集裝箱和采用電力驅動的自動化水平運輸設備，其具有以下特點：1)集裝箱在堆場內堆存時，首層集裝箱距地面高度較小，堆場內積水易造成貨損現象。2)目前主流的自動化水平運輸設備電池一般布置在底部，距地面凈高較小。若道路積水較多，積水濺起進入設備內部或者積水淹沒底部，將損壞電池或導致內部元件短路，造成重大財產損失。3)對于采用自動駕駛技術的水平運輸設備，視覺導航為其中重要的導航方式。若道路大范圍積水也將嚴重影響自動化水平運輸設備的導航定位。

近年來臺風、強暴雨等惡劣天氣頻繁加劇，經常出現降水量超過設計排水能力以及碼頭前沿越浪上水倒排入堆場的現象，導致港區積水嚴重，極大影響港口貨物保值和正常生產作業。因此，自動化集裝箱碼頭高程設計需要適當提高港區的防洪抗澇能力。

2 現有高程設計方法存在問題及優化方向

2.1 碼頭高程設計標準偏低

根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》[1]，碼頭前沿高程應滿足當地大潮時碼頭面不被淹沒的要求，對于實體結構形式的碼頭前沿頂高程按照上水標準確定時，按下式計算：

HE=HDWL+ΔW

(1)

式中：HDWL為設計水位(m)；Δw為上水標準的富余高度(m)，基本標準設計高水位的富余高度采用10～15 a重現期H4%波浪的波峰面高度(并不小于1.0 m)，復核標準極端高水位的富余高度采用2～5 a重現期H4%波浪的波峰面高度。

由于碼頭高程計算時采用的波浪重現期較短，導致波浪的超越概率較大，在臺風天氣下時常發生碼頭上水現象。

2.2 陸域高程設計標準可適當提高

陸域高程根據《海港總體設計規范》進行設計，同時按《防洪標準》[2]復核。根據《海港總體設計規范》，陸域高程應滿足在設定的防護標準水位時港區陸域不被淹沒的要求，不宜低于極端高水位以上0.3～0.5 m。同時為滿足防洪要求，陸域高程應按防洪標準確定的設計高潮位+安全超高進行復核?！斗篮闃藴省分?，對于海港最高防護等級的設計高潮位取100～200 a一遇的高潮位。

隨著極端天氣頻繁加劇，海港需要面臨超過防洪標準高潮位的影響。對于自動化碼頭，陸域受淹后損失大于普通碼頭。另外由于目前海港碼頭通常采用吹填港池疏浚土的方式造陸，陸域高程取值偏低也會減少陸域吹填納泥量，從而增加疏浚土外拋量，增加工程投資。

2.3 抗澇能力低

集裝箱碼頭高程設計時，為便于設備通行，通常陸域高程與碼頭高程取值一致，極端天氣時碼頭越浪上水易進入后方陸域形成積水。同時由于陸域高程設計一般采用平坡式系統，港區整體較為平坦。但根據《自動化集裝箱碼頭設計規范》[3]，自動化集裝箱碼頭雨水管渠的設計重現期僅規定為不小于3 a，出現超標雨水的概率較大，導致經常出現超標雨水無處排放而在港區形成內澇。

另外由于海港吹填造陸固有的后期沉降特點，使用期經常出現箱區和道路局部不均勻沉降形成洼地，導致陸域積水。

2.4 優化方向

綜上，現有高程設計方法的設計標準和抗澇能力偏低，難以與自動化集裝箱碼頭的特點相適應，需要提高碼頭高程和陸域高程以減小碼頭越浪上水的影響，同時提高堆場抗澇能力減少陸域積水。

3 高程優化設計

3.1 碼頭高程優化設計

自動化集裝箱碼頭受淹后損失巨大，高程設計時，碼頭前沿在滿足《海港總體設計規范》的情況下，可以考慮適當抬高碼頭高程以適應更高的波浪重現期標準。

以南方某集裝箱碼頭[4]為例，設計高水位對應的不同重現期的波峰面高度見表1。

表1 波峰面高度

該碼頭原方案基本標準的富余高度根據《海港總體設計規范》取10 a一遇H4%的波峰面高程；碼頭高程增加0.2 m時，富余高度對應為25 a一遇H4%的波峰面高程。因此，碼頭高程小幅度增加即可大幅提高波浪重現期，從而有效提高抵抗越浪的能力。

3.2 陸域高程優化設計

自動化集裝箱碼頭設備和貨物價值高，受淹后損失大于普通碼頭。為減少高潮位時碼頭越浪上水對堆場的影響，陸域高程設計可參考城市防護區適當提高防洪標準，保證陸域高程高于碼頭前沿。另外陸域高程抬高還可增加陸域納泥量，減少工程投資。

以南方某集裝箱碼頭為例，當地防洪標準為200 a一遇，對應水位為4.87 m，原方案陸域高程取5.4 m?？紤]減少臺風期碼頭越浪，陸域高程設計按300 a一遇高潮位5.19 m進行復核，同時考慮到港池疏浚土較多，陸域高程設計優化后取6.0 m，高于碼頭前沿0.4 m，能夠大幅提高陸域防洪能力，同時可增加納泥約25萬m3，并且堆場積水可通過地表排向碼頭前沿，后方陸域為自動化水平運輸設備提供了一個安全的停放區域。后方陸域與碼頭高程銜接見圖1。

圖1 后方陸域與碼頭前沿高程銜接(高程：m)

3.3 堆場高程優化設計

提高堆場抗澇能力可考慮采取工程措施將超標雨水暫時蓄存，減少堆場和道路積水。對于自動化集裝箱碼頭，可考慮設置臺階式箱區，將通常與箱角基礎平齊的箱間區鋪面布置為下凹式場地，從而形成蓄水空間，因此間接增加了集裝箱箱底距離地面的高度，保證即使出現一定程度的超標雨水也不會在道路和箱角基礎以上形成積水，提高了堆場抗澇能力。

臺階式箱區高程設計主要包括箱間區鋪面高程和箱角基礎高程兩部分內容。箱間區鋪面高程應低于道路和箱角基礎，與周邊道路和箱角基礎之間形成臺階，在箱區范圍形成下凹式蓄水空間，并且將路面的匯水距離由道路中心到排水溝縮短至道路中心到道路邊沿。箱間區鋪面高程越低，形成的蓄水空間越大，但是箱角基礎埋深越小，因此需要綜合蓄水空間需求和箱角基礎穩定性、投資等確定箱角區鋪面與周邊的臺階高度。箱間區鋪面可采用由兩側向中間傾斜或由中間向兩側傾斜的多向傾斜平坡式系統，也可采用由一側向另一側傾斜的單向傾斜平坡式系統。從增加蓄水空間和減少工程投資的角度，建議采用由兩側向中間傾斜的方案，在堆場中間設置1條排水溝。

箱角基礎的高程設計應不低于道路高程，同時箱角基礎高程越高，抗澇能力越強，對于后期沉降的適應性也越高，但是為保證箱角基礎穩定性需要額外增加基礎高度，導致投資增加；高程越低，抗澇能力和對后期沉降的適應性越低。因此箱角基礎的高程需要根據抗澇能力和投資綜合確定。

以南方某海港集裝箱碼頭為例，堆場高程設計采用臺階式箱區設計方案[5]，見圖2。箱間區鋪面高程根據箱角基礎高度、軌道梁高程取5.73～5.78 m，由箱區兩側往中間傾斜，坡度i約3‰，箱角基礎高程綜合考慮工后沉降和箱間區鋪面下凹高度取6.1 m，臺階高差約0.35 m，箱區可額外提供約9.5萬m3蓄水容量。

圖2 臺階式箱區設計方案(單位：m)

當箱間區鋪面和箱角基礎頂面取不同高差時可得出港區累計降雨厚度，即在設計重現期下降雨厚度與臺階高差之和，見表2。根據歷年降雨與重現期的擬合公式可推算出不同高差所對應的暴雨重現期，見圖3。

表2 臺階高差對應累計降雨厚度

圖3 臺階高差與暴雨重現期關系

考慮極端情況下箱區、道路均積水至箱角基礎頂面時，對應的暴雨重現期為27.8 a，遠大于規范要求的3.0 a重現期。因此，采用臺階式箱區的堆場高程設計方案可大幅提高堆場抗澇能力。另外，箱區側邊道路寬度20.0 m，路面匯水距離由原來的25.5 m減少至10.0 m，大幅提高了道路的排水能力。

4 結語

1)由于自動化水平運輸設備和堆存貨物的特點，自動化集裝箱碼頭對于防洪抗澇的要求更高，可以從提高碼頭高程和陸域高程、提高堆場抗澇能力的角度優化高程設計。

2)碼頭和陸域高程設計可以在規范要求的基礎上，適當提高波浪重現期標準和防洪標準，從而提高防洪能力。

3)采用臺階式箱區的高程設計方案可以為超標雨水提供蓄存空間，提高堆場的抗澇能力。