重力式碼頭國際熱點研究問題與案例解析

胡升，朱瑞虎，吳騰

（1.安徽省交通科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

2019年和2021年，中共中央、國務(wù)院先后印發(fā)《交通強國建設(shè)綱要》和《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，全面建設(shè)現(xiàn)代化高質(zhì)量國家綜合立體交通網(wǎng)已成為我國向交通強國邁進的重要目標。高質(zhì)量國家綜合立體交通網(wǎng)需要高質(zhì)量的交通工程配套與支撐，因此，交通運輸部近幾年開展了“平安百年品質(zhì)工程”建設(shè)工作，全力打造精品工程、平安工程、高質(zhì)量工程。按照推進建設(shè)交通強國的要求，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量安全領(lǐng)域，要補齊短板，夯實基礎(chǔ)，推動關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。目前，發(fā)達國家的基礎(chǔ)研究依然走在世界的前列，部分熱點研究問題仍需 “對標對表國際”、尋找差距、補齊短板。

重力式碼頭是我國分布較廣，使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式。服役環(huán)境惡劣，承載力超載、船舶碰撞等問題的發(fā)生嚴重影響碼頭的使用安全，甚至?xí)l(fā)生事故。本文總結(jié)了國際典型港口重力式碼頭的相關(guān)質(zhì)量安全研究問題并結(jié)合案例進行分析，為國內(nèi)相關(guān)從業(yè)者提供參考。通過國際論文檢索分析總結(jié)，重力式碼頭的熱點問題如下：

1 通過監(jiān)測預(yù)警對質(zhì)量風(fēng)險進行分析與研究

該研究主要針對可能引發(fā)工程質(zhì)量的不確定性因素加以有效的監(jiān)測、分析及處理，以最少成本作為代價，實現(xiàn)施工質(zhì)量及運營控制方面的保障。此類方法的手段較多，如對監(jiān)測資料的分析、對項目的觀察等，其運用的數(shù)學(xué)工具包括數(shù)理統(tǒng)計、概率論等，并結(jié)合系統(tǒng)論這一科研方法，對碼頭諸多方面潛在的風(fēng)險進行探究。

1.1 案例1：西班牙巴利阿里港務(wù)局重力式碼頭監(jiān)測系統(tǒng)[4]

西班牙巴利阿里港務(wù)局在博塔?？朔啦ǖ坦こ讨袨? 號沉箱開發(fā)了一套監(jiān)測儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在沉箱4個側(cè)立面及海底布設(shè)監(jiān)測傳感器，該傳感器測量壓力和加速度響應(yīng)，其原理是用慣性系統(tǒng)完成的測量三個笛卡爾軸的角速度和加速度，并轉(zhuǎn)化為壓力和加速度響應(yīng)。港務(wù)局和馬德里理工大學(xué)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)開展兩個方向研究：一個是基于Goda 和Sainflou 研究垂直防波堤設(shè)計新理論，一個是基于監(jiān)測數(shù)據(jù)開發(fā)結(jié)構(gòu)報警監(jiān)測系統(tǒng)。這種報警系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并實時處理，比較沉箱所受的壓力規(guī)律與設(shè)計臨界狀態(tài)，給出了一個安全系數(shù)實時指出實時風(fēng)險水平；警報系統(tǒng)位于港口控制中心，為在緊急疏散的情況下提供建議。

1.2 案例2：科倫坡某重力式碼頭沉降位移監(jiān)測分析與應(yīng)對措施[5]（中交第四航務(wù)工程局承建）

結(jié)合前期設(shè)計施工經(jīng)驗，在科倫坡港（斯里蘭卡西南部）某在建碼頭工程中，對施工期間沉箱沉降位移進行觀測分析，總結(jié)已安放沉箱沉降位移穩(wěn)定與施工工序時間上的對應(yīng)關(guān)系，指出上部結(jié)構(gòu)施工應(yīng)在箱內(nèi)、箱外回填完成3 個月后進行。根據(jù)檢測資料從碼頭設(shè)計施工的角度出發(fā)，通過設(shè)計上調(diào)整軌道安裝方式，預(yù)留前軌沉降量；施工上延后頂層胸墻澆筑時間，減少碼頭工后沉降、位移對碼頭使用的影響。

2 結(jié)構(gòu)加固與改造技術(shù)研究

碼頭結(jié)構(gòu)加固與改造是通過對在役老碼頭進行檢測、評估、加固及改造等技術(shù)措施，恢復(fù)受損碼頭結(jié)構(gòu)的原有功能并滿足其使用要求，或者提高已有碼頭結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性以滿足結(jié)構(gòu)荷載增加及使用功能改變等要求。隨著一批老碼頭達到設(shè)計使用年限，以及船舶大型化、專業(yè)化發(fā)展趨勢迅猛，港口工程即將進入大規(guī)模的碼頭結(jié)構(gòu)加固改造時期。然而，目前對碼頭結(jié)構(gòu)加固改造的研究較少，尤其是重力式碼頭結(jié)構(gòu)加固改造的設(shè)計理論和計算方法遠落后于工程實踐。

2.1 案例3：意大利熱那亞港重力式碼頭墻身升級[6]

熱那亞港是意大利的主要海港，圣喬治碼頭是熱那亞港口的一個設(shè)施。該碼頭是20世紀20年代建造的，經(jīng)營多年，用于進口煤炭。由于業(yè)務(wù)繁忙為了能夠?？看笮痛?，將碼頭前沿開挖由水深-11 米開挖到-14 米，因此對碼頭墻身進行改造。如圖1所示，改造主要采取3 個措施：①用鋼棒從墻身上部直接伸到碼頭底部至-18米位置，鋼棒將重力式碼頭塊體連接到一起，提高整體穩(wěn)定性，同時伸到下部與注入高強混凝土形成整體。②碼頭底部注入高強混凝土通過鋼棒與原墻身形成一個嵌入墻。③安裝了有源地面錨。

圖1 圣喬治碼頭改造示意圖

2.2 案例4：加拿大蒙特爾港碼頭混凝土性能惡化原因調(diào)查[7]

蒙特爾港口有5 個碼頭修建于1901-1928年，由鋼筋混凝土沉箱或大體積混凝土組成。碼頭調(diào)查包括混凝土水上部分目測和通過試驗測試抗壓強度，彈性模量，快速氯離子滲透性(RCP)，水溶性氯離子滲透剖面，以及詳細的微觀結(jié)構(gòu)檢查。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論：①由于凍害原因老舊混凝土表面出現(xiàn)結(jié)垢和開裂，還有部分表面損壞是由于水位處的冰磨損造成的?；炷疗茐牡闹饕蚴牵毫蛩猁}侵蝕、凍融、腐蝕的鋼筋；②鋼筋混凝土沉箱存在銹蝕嚴重、混凝土剝落和外露鋼筋層外露的情況，這樣的沉箱氯離子濃度最高；③ 1936年，對45 號碼頭和B4 號碼頭外段進行混凝土和砂漿修補由于采用淺銷錨固，與原混凝土粘結(jié)不良，導(dǎo)致大面積剝落，在混凝土內(nèi)部形成空洞；④盡管破壞跡象已比較嚴重，但混凝土依然具有合理的強度和彈性模量值可，對其進行必要的修復(fù)可延長其使用壽命。

3 結(jié)構(gòu)形式改進與優(yōu)化研究

在傳統(tǒng)重力式碼頭形式基礎(chǔ)上，很多學(xué)者針對重力式碼頭的具體施工環(huán)境和運營要求對碼頭結(jié)構(gòu)形式進行了改進，并通過數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場施工對改進結(jié)構(gòu)進行了研究，表明該結(jié)構(gòu)形式具有較好的穩(wěn)定性和先進性。

3.1 案例5：美國拱背式墻體研究[8]

美國伊利諾斯大學(xué)學(xué)者對拱背式碼頭墻身（見圖2）進行了研究，重力式碼頭擋土墻的背面形狀是影響擋土墻后側(cè)土壓力的重要參數(shù)。為了研究拱背式碼頭墻身力學(xué)性能，進行了加速度為1g 的振動試驗。該實驗用碎石和硅砂模擬回填土和底土。在墻身布設(shè)土壓力傳感器，在墻身后側(cè)裝孔隙水壓力傳感器。試驗結(jié)果表明墻后陽坡面土壓力隨拱背式坡度增大而增大，墻后陰坡面土壓力隨拱背式坡度增大而減小。根據(jù)墻的背面形狀不同，總推力和傾覆力矩的大小也不相同，拱背式墻身的優(yōu)點是提高了施加在墻身的總推力作用點高度，減小墻身在地震中的損傷比例。

圖2 拱背式重力式碼頭墻示意圖

3.2 案例6：斯里蘭卡漁業(yè)碼頭修復(fù)工程—用石籠代替塊石[9]（中國援建）

斯里蘭卡漁業(yè)碼頭修復(fù)工程在貝魯沃勒漁港新建重力式碼頭，碼頭為重力式石籠結(jié)構(gòu)，石籠上部為現(xiàn)澆混凝土墊層，然后為混凝土胸墻，石籠采用鍍鋅覆塑（PVC）鋼絲制作，石籠內(nèi)填塊石，保證空隙率最小，在石籠安裝之后用膠合鋼絲或鋼環(huán)將相鄰的石籠連接起來(變形縫處不能連接)。采用石籠代替塊石或混凝土作為重力式碼頭的胸墻有許多優(yōu)點，首先，施工可以不需要圍堰，石籠裝填可以在干地進行，裝填好后吊入工程區(qū)域，這樣，可減少工程投資，縮短工期; 其次，石籠具有一定的空隙，可以消減港池內(nèi)入射波浪的能量，減小入射波的反射，保證?？看暗牟捶€(wěn)要求，方便漁民裝卸作業(yè)。

4 地震作用下重力式碼頭動力響應(yīng)及地基液化研究

在地震作用下,重力式碼頭會發(fā)生滑移、傾覆等嚴重震害,地基破壞或液化是重力式碼頭地震破壞的主要特點,所以通過地震作用重力式碼頭的動力響應(yīng)（位移、加速度等）和地基液化分析了地震液化條件下重力式碼頭的變形破壞機理是工程界的研究熱點。

4.1 案例7：英國大型重力式碼頭地震液化模擬研究[10]

英國劍橋大學(xué)2019年發(fā)表了“大型重力式碼頭地震液化模擬研究”，該文通過動力離心機模型試驗研究了土體液化時的重力式碼頭沉降，研究表明重力式碼頭結(jié)構(gòu)在中等密度砂土上時,地震引起的液化沉降是一個顯著的風(fēng)險。試驗結(jié)果顯示，在強震作用下，即使自由場的土體完全液化，碼頭下方的土體也不會發(fā)生完全液化，但由于結(jié)構(gòu)下方產(chǎn)生超孔隙水壓力導(dǎo)致土體液化引起結(jié)構(gòu)沉降。在某種程度上，這種沉降是可以接受的，僅需要在地震后對碼頭結(jié)構(gòu)進行修復(fù)工作即可。

4.2 案例8：意大利神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在重力式碼頭地震作用下的損傷評價[11]

意大利學(xué)者Armando Calabrese 研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在重力式碼頭地震作用下的損傷評價。通過數(shù)值模擬分析了意大利南部某重力碼頭的地震時程響應(yīng)。在此過程中，地震作為隨機變量輸入，通過重力式碼頭的地震時程響應(yīng)分析，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來尋求地震下模型土力學(xué)場參數(shù)和碼頭響應(yīng)之間的非線性關(guān)系，研究了不同幾何形狀、液化發(fā)生和破壞機理的類型，提出了新的脆性函數(shù)。研究表明液化增加了碼頭的破壞幾率，碼頭岸壁寬/高越大，水平滑動破壞的發(fā)生概率就越高于向海側(cè)傾倒的概率。

除上述研究外，部分學(xué)者還開展了結(jié)構(gòu)可靠性、設(shè)計優(yōu)化、設(shè)計施工規(guī)范更新等研究。由于研究較精細、各國規(guī)范標準不統(tǒng)一，在此不展開論述。

5 結(jié)語

通過國內(nèi)資料搜集，就當前關(guān)于重力式碼頭耐久的熱點研究問題進行了總結(jié)，并通過具體案例對熱點問題進行了詳細說明。隨著中國企業(yè)在海外碼頭建設(shè)項目的日益增多，對標對表國際、緊盯國際先進技術(shù)以及最新研究成果，系統(tǒng)梳理重力式碼頭耐久性常見問題及解決措施有很大的必要性，本文可為相關(guān)從業(yè)人員提供參考和借鑒。