福建東山島重力式碼頭破壞原因分析

彭大勇

（海軍某部某某工程大隊，山東 青島 266031）

引 言

本文示例碼頭兼做防波堤，位于福建省南部沿海東山島蘇尖灣北側水域，泊位總長度290 m，設計使用年限為50 年。該工程于2018 年底完成施工。

2019 年4 月19 日晚7 時至4 月20 日早上6 時之間，該工程直立式方塊碼頭局部突然發(fā)生嚴重的沉降和位移（圖1）。經檢測，碼頭破損段平均沉降量36.4 cm，平均位移30.3 cm 左右；碼頭前沿最大位移59.9 cm，最大沉降量為69.7 cm。

該碼頭結構為重力式方塊結構，從上到下依次為現(xiàn)澆混凝土胸墻、預制卸荷板、預混凝土方塊和拋石基床，墻后為拋填10～300 kg 塊石。碼頭前沿底高程為-5.6 m、泊位寬度為20 m。

圖1 碼頭破壞情況

1 碼頭檢測情況

1.1 外觀總體狀況

1）根據現(xiàn)場檢查結果，變形破損段范圍約130 m（K0+338 至K0+468），包含XQ1-XQ7 七個胸墻塊體。碼頭向港池側位移及沉降最大值均位于破損區(qū)段中部，表現(xiàn)出橫凸下陷的變形特征。

2）胸墻XQ2 和XQ4 破損情況最為嚴重，胸墻表面出現(xiàn)了大量裂縫，最大縫寬約3 cm。

3）破損區(qū)段外的碼頭結構基本良好。

4）破損區(qū)段扭王字塊有相對擋浪墻向下的沉降（有較新的錯痕），相對錯位量約20 cm。

5）碼頭變形最嚴重部位的碼頭立面向堤心方向傾斜，后方擋浪墻向港池側傾斜；碼頭結構及后方回填區(qū)向港池側的位移大于擋浪墻，聯(lián)鎖塊與擋浪墻張開距離最大有35 cm。碼頭最大向前位移量為74 cm。截至5 月13 日，胸墻最大沉降量為80 cm，后方回填區(qū)域為96 cm?，F(xiàn)場監(jiān)測結果顯示，結構的沉降量持續(xù)增長，剔除誤差影響后的水平位移量趨于穩(wěn)定。

碼頭破損段結構斷面如圖2 所示。

圖2 碼頭破損段結構斷面示意

1.2 鋼筋混凝土參數(shù)檢測

卸荷板鋼筋保護層厚度滿足設計要求，混凝土表面碳化小于1 mm，可不考慮碳化的影響。經回彈法和鉆芯法檢測，碼頭胸墻和方塊結構混凝土強度基本滿足設計要求。

1.3 水下探摸檢測

水下探摸情況顯示，在碼頭西起K0+338+14位置，第二層方塊較第一層方塊向碼頭前側凸出，該處接縫存在較多黑色塑料雜物，對塑料雜物進行清理后測量，最大錯臺25 cm，向東逐漸變小，至K0+338+30 處凸出3 cm。

碼頭的拋石基床無沖刷現(xiàn)象，未破損段碼頭基床前沿與原泥面之間存在溝槽；破損區(qū)段的溝槽不明顯，該區(qū)域破損段碼頭結構向基床內沉陷，最大沉陷量約1 m。

1.4 多波束測深檢測

掃測區(qū)域內水下地形總體較為平坦，東南角屬于拋石區(qū)域，水深較淺；碼頭東側離前沿處存在溝槽。根據1:500 水深成果圖統(tǒng)計，掃測區(qū)域內最淺水深為1.5 m，位于測區(qū)西北角邊緣位置；東南角拋石區(qū)域最淺水深2.0 m；掃測區(qū)域內最深水深為8.2 m，位于碼頭前沿溝槽內。

根據現(xiàn)場檢測結果，結合胸墻裂縫走向和碼頭結構向基床內沉陷情況，初步判斷該結構因地基承載力不足而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2 碼頭安全性復核驗算

在碼頭結構破壞事件發(fā)生后，根據原設計的地勘資料分別按照單獨考慮碼頭結構、整體考慮碼頭及防波堤兩種情況對碼頭結構的破損段設計斷面進行安全性復核驗算。

2.1 單獨考慮碼頭結構的復核驗算

根據原設計斷面，采用原設計地勘資料，按設計荷載及7 級地震工況分別對重力式碼頭承載能力極限狀態(tài)的持久組合、地震組合和短暫組合進行復核驗算，各項穩(wěn)定性驗算內容的最不利工況下的安全性系數(shù)計算結果如表1、表2 和表3 所示。按原設計資料進行復核驗算的結果表明，該重力式碼頭（設計斷面G-H）在荷載的持久組合和地震組合作用下的抗滑穩(wěn)定性、抗傾穩(wěn)定性、基床承載力、地基承載力、整體穩(wěn)定性均滿足設計規(guī)范要求，在荷載的短暫組合作用下的地基承載力滿足設計規(guī)范要求，但安全性系數(shù)均偏小。

表1 持久組合復核驗算結果

表2 地震組合復核驗算結果

表3 短暫組合復核驗算結果

2.2 整體考慮碼頭及防波堤的復核驗算

表4 持久組合安全性驗算結果

表5 地震組合安全性驗算結果

表6 短暫組合安全性驗算結果

將碼頭及防波堤作為整體考慮，對重力式碼頭破損段設計斷面的承載能力極限狀態(tài)的持久組合、地震組合和短暫組合進行驗算，在最不利工況下的各項穩(wěn)定性驗算內容安全性系數(shù)計算結果如表4、表5 和表6 所示。

計算結果表明，將碼頭及防波堤作為整體考慮，設計斷面在荷載的持久組合及地震組合作用下的基床承載力、地基承載力均滿足設計規(guī)范要求；設計斷面在荷載的短暫組合作用下的地基承載力不滿足設計規(guī)范要求。

3 碼頭破壞原因分析

對于建設于軟土地基的重力式結構物，即使持久狀況的地基承載力抗力系數(shù)滿足規(guī)范的要求，短暫狀況即施工期的地基承載力抗力系數(shù)也可能并不滿足要求。事實上，對軟粘土上的重力式結構，施工期的地基承載力往往是斷面穩(wěn)定的控制因素。

另外，原設計未按照現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范《碼頭結構設計規(guī)范》（JTS 167-2018）第7.2.14 條（原設計依據規(guī)范《重力式碼頭設計與施工規(guī)范》（JTS 167-2-2009）第2.3.12 條）規(guī)定在基床與軟土地基之間設置砂墊層及二片石墊層。本工程塊石直接拋填在粉質粘土地基上，缺少砂墊層和二片石墊層作為過渡，上部豎向荷載無法有效地施加于粉質粘土地基，因此粉質粘土難以有效固結，土體抗剪指標和地基承載力就很難通過固結進一步增長。

4 結 語

本工程雖然建設規(guī)模不大，但結構型式和地質條件都較為復雜。從結構型式上看，碼頭外側為防波堤、內側為碼頭；從地質條件看，基床下臥地基有軟粘土、砂混泥、中砂等，地質條件十分復雜。這些都增加了設計難度，現(xiàn)有的行業(yè)規(guī)范中缺乏對此類工程的具體規(guī)定與指導。本工程以及近些年來國內不斷出現(xiàn)軟粘土地基上重力式結構破壞的案例，也更加說明亟需完善和補充規(guī)范中關于軟基上重力式結構的設計方法。