試析重力式碼頭抗滑、抗傾穩(wěn)定性

惠陽鴻 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1.重力式碼頭概述

重力式碼頭結(jié)構(gòu)形式多樣化，方塊式、沉箱式、扶壁式等均是較為典型的形式。各類形式的重力式碼頭所具備的特點(diǎn)不盡相同，例如其抗滑、抗傾穩(wěn)定性都有獨(dú)特性。總體來看，重力式碼頭結(jié)構(gòu)受力明確，穩(wěn)定性和耐久性均較為良好，依托于結(jié)構(gòu)自身的重力作用，可以提高抗滑動(dòng)和抗傾倒的能力，其中墻身是影響結(jié)構(gòu)整體品質(zhì)的關(guān)鍵部分。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新材料、新技術(shù)在重力式碼頭設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮結(jié)構(gòu)形式的選擇與優(yōu)化，切實(shí)提高其在荷載作用下的穩(wěn)定性。

碼頭設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，綜合考慮現(xiàn)場地質(zhì)、水文、功能需求等多個(gè)方面，以統(tǒng)籌兼顧的理念為指導(dǎo)，由此生成構(gòu)造設(shè)計(jì)方案；此后著重圍繞強(qiáng)度、穩(wěn)定性展開驗(yàn)算，對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)做出優(yōu)化，減小擋墻后方土應(yīng)力和擋墻沉降量。

在重力式碼頭的結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)式墻身和墻胸兩部分較為關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到此類結(jié)構(gòu)的承載力特性。在設(shè)計(jì)中，若抗滑、抗傾穩(wěn)定性未得到高度重視，則易影響結(jié)構(gòu)的荷載強(qiáng)度，使其在后續(xù)的施工以及使用中缺乏穩(wěn)定性。針對(duì)此問題，設(shè)計(jì)人員必須高度重視抗滑、抗傾穩(wěn)定性，做好設(shè)計(jì)工作，提高重力式碼頭的設(shè)計(jì)水平。

2.重力式碼頭抗滑、抗傾穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)思路

碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮永久作用、可變作用、地震作用和偶然作用，并分別按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中首先給出量值，在此基礎(chǔ)上做針對(duì)性的計(jì)算，確定可靠性指標(biāo)，富有秩序性地完成抗滑、抗傾穩(wěn)定性設(shè)計(jì)工作。

在重力式碼頭的結(jié)構(gòu)組成中，上部地基為重要的應(yīng)力承載部位，因此為保證碼頭整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要提高上部地基和下臥層的承載能力。此外，為滿足結(jié)構(gòu)的承載性能要求，在重力墻的墻身設(shè)計(jì)中通常采取拋石基床的方案，并嚴(yán)格控制基床的厚度，以保證重力式碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，使其可以安全使用。

根據(jù)該特性，在重力式碼頭結(jié)構(gòu)的加固改造工作中，需要重點(diǎn)考慮到碼頭的前沿浚深，做專項(xiàng)加固改造設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)組成的角度來看，碼頭的拋石基床與前沿浚深間存在制約的關(guān)系，其普遍具有較高的復(fù)雜度，因此需要立足于實(shí)際情況、梳理思路，做全方位的分析以及科學(xué)計(jì)算，經(jīng)過對(duì)比分析后選定最具可行性的加固改造設(shè)計(jì)方案，再依據(jù)該方案開展相應(yīng)的加固改造工作，切實(shí)保證工作成效。

在加固改造設(shè)計(jì)中，需要均衡好碼頭結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)效益、適應(yīng)性等多重要求，保證經(jīng)過加固改造后的碼頭結(jié)構(gòu)可以取得較突出的綜合應(yīng)用效果。當(dāng)然，在重力式碼頭結(jié)構(gòu)的加固改造設(shè)計(jì)工作中，安全是首要考慮的因素，且只有在安全的前提下才能實(shí)現(xiàn)效益最大化的目標(biāo)。對(duì)于安全層面的加固改造設(shè)計(jì)，則重點(diǎn)考慮到前沿浚深與碼頭結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，應(yīng)做好安全性計(jì)算驗(yàn)證工作，客觀評(píng)價(jià)各部分結(jié)構(gòu)的安全性，在源頭上形成安全保障。不僅于此，也需要充分考慮碼頭結(jié)構(gòu)拋石基床與前沿浚深的關(guān)系，碼頭結(jié)構(gòu)與船舶?？康木嚯x需得到控制，在做好此方面的工作后可以顯著增強(qiáng)碼頭結(jié)構(gòu)的整體安全性。

2.1 碼頭的自重和穩(wěn)定力矩

立足實(shí)際情況確定重力式碼頭的尺度，由此得到重力式碼頭結(jié)構(gòu)的自重，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)水位得到各層方塊的質(zhì)量、數(shù)量以及浮重度；此外，需考慮到穩(wěn)定力矩，為明確該指標(biāo)的具體值，應(yīng)掌握方塊重力對(duì)每一層碼頭中心的力臂，再計(jì)算求得穩(wěn)定力矩。

2.2 碼頭穩(wěn)定性驗(yàn)算

針對(duì)實(shí)際建設(shè)條件判斷，即是否存在波浪作用，經(jīng)過對(duì)比分析后判斷何種力為可變主導(dǎo)作用力，此后做抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算（著重考慮的部分有墻底、墻身水平縫以及基床底面），驗(yàn)算碼頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，若存在不合理之處則優(yōu)化。

3.重力式碼頭抗滑、抗傾穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的主要問題

（1）碼頭水平位移的可控性較差，依據(jù)承載力的計(jì)算方法展開計(jì)算后，所確定的數(shù)值難以準(zhǔn)確反映碼頭的變形量。在此方面的分析中，現(xiàn)階段普遍以定性控制的方法為主，其能夠在一定程度上控制碼頭的水平位移，但實(shí)際控制效果欠佳，控制缺乏全面性與精準(zhǔn)性。從現(xiàn)階段的技術(shù)水平來看，普遍依據(jù)經(jīng)驗(yàn)展開關(guān)于水平位移的計(jì)算。由此看來，量化計(jì)算控制位移的方法在實(shí)際應(yīng)用中仍有諸多不足之處，難以給重力式碼頭的水平位移分析工作提供可靠的依據(jù)，隨之會(huì)對(duì)重力式碼頭的綜合設(shè)計(jì)效果造成影響。

（2）對(duì)于無底板的重力式結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做特定的分析，從現(xiàn)階段的行業(yè)總體工作狀況來看，該類結(jié)構(gòu)的抗穩(wěn)定性研究方法仍然不夠明確，即難以確定該結(jié)構(gòu)中究竟有多少重量可以發(fā)揮出作用，從而加大了在重力式碼頭設(shè)計(jì)過程中的不確定性。

（3）遇厚度較大的基床時(shí)，考慮到沿基床底面水平滑動(dòng)破壞的模式，選定合適的計(jì)算模式至關(guān)重要，也是設(shè)計(jì)過程中較為棘手的問題，極容易由于計(jì)算模式選擇不合理以及應(yīng)用不當(dāng)而出現(xiàn)設(shè)計(jì)層面的問題。

4.提高重力式碼頭抗滑、抗傾穩(wěn)定性的關(guān)鍵措施

4.1 適度減小基床頂面應(yīng)力

施工環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)沉降受到基床頂面應(yīng)力的影響，在許可范圍內(nèi)降低基床頂面的應(yīng)力極具重要性，此舉一方面能夠增強(qiáng)使用期與施工期的應(yīng)力一致性（減小兩階段的應(yīng)力差），另一方面則可以控制碼頭的工后沉降，使其在后續(xù)維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。為盡可能減小沉箱的下沉量，在碼頭的底部做回填處理，通過填料的應(yīng)用減小前趾應(yīng)力，考慮到石塊間的摩擦作用，擴(kuò)大集中應(yīng)力的傳遞范圍。在多重優(yōu)化之下減小沉箱的不均勻沉降量。

4.2 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的質(zhì)量控制

由重力式碼頭的結(jié)構(gòu)組成可知，在擁有耐久性好等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)其結(jié)構(gòu)本身重力很大，在施工及后續(xù)使用過程中可能會(huì)產(chǎn)生沉降位移問題。為控制結(jié)構(gòu)的沉降在安全范圍之內(nèi)，地基的施工極其重要。地基的基槽開挖對(duì)碼頭的沉降影響極大，在基槽開挖施工過程中要確認(rèn)基槽處土質(zhì)情況滿足規(guī)范要求，并加快早期施工速度。施工前應(yīng)通過相應(yīng)的處理保證地基的堅(jiān)實(shí)度，包括保證夯實(shí)地基的質(zhì)量、對(duì)回淤物質(zhì)進(jìn)行清淤等。施工過程中，應(yīng)保證地基的平整度，并選用符合相應(yīng)強(qiáng)度、配合比標(biāo)準(zhǔn)的填料以達(dá)到良好的填充效果。通過以上措施可以在一定程度上解決重力式碼頭的沉降位移問題。

4.3 提高軌道系統(tǒng)的適應(yīng)性

重力式碼頭在后期使用過程中會(huì)出現(xiàn)一定程度的沉降位移現(xiàn)象，為方便后期的維護(hù)，對(duì)重力式碼頭的軌道系統(tǒng)應(yīng)提前考慮應(yīng)對(duì)措施。如合理設(shè)置兩個(gè)相鄰軌道的中心線的間距，當(dāng)發(fā)生一定程度的位移時(shí)，能夠滿足軌道正常的使用需求。施工前應(yīng)考慮前軌的預(yù)留沉降20mm，且前后軌道的高度差應(yīng)低于35mm。

4.4 其他措施

重力式碼頭施工還易受到現(xiàn)場環(huán)境的影響，因此需要查詢天氣預(yù)報(bào)信息，掌握未來幾天的施工條件，進(jìn)而優(yōu)化施工指標(biāo)，從源頭上規(guī)避施工問題。例如施工前按規(guī)范組織預(yù)超載測壓實(shí)驗(yàn)，更為全面且準(zhǔn)確地掌握實(shí)際施工條件。

5.結(jié)束語

綜上所述，重力式碼頭是碼頭建設(shè)中極為普遍的結(jié)構(gòu)形式，但在現(xiàn)場施工以及后續(xù)使用期間均存在諸多干擾因素，結(jié)構(gòu)自身特性、海域條件等均會(huì)對(duì)其造成影響?？够?、抗傾穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)及施工中需要著重考慮的內(nèi)容，針對(duì)現(xiàn)階段重力式碼頭工程在此方面所表現(xiàn)出的問題，文章對(duì)其做出梳理，繼而提出相應(yīng)的措施，希望能為類似工程提供參考。