內(nèi)河架空直立式碼頭發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)展望

戴 俊，吳林鍵，咼城新，彭華君，舒 丹

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2. 中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300)

內(nèi)河運(yùn)輸具有運(yùn)能大、運(yùn)距長(zhǎng)、能耗小、成本低、占地少、污染輕、節(jié)約能源等特有優(yōu)勢(shì)，發(fā)展內(nèi)河運(yùn)輸順應(yīng)了我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。三峽工程的建設(shè)一方面為內(nèi)河航運(yùn)帶來前所未有的機(jī)遇，同時(shí)也使庫區(qū)碼頭的建設(shè)面臨更為嚴(yán)峻的問題。三峽水庫成庫后水位落差高達(dá)30 m，使庫區(qū)港口工程建設(shè)更加困難和繁雜；加之庫區(qū)地形高差大，地質(zhì)復(fù)雜并伴隨地質(zhì)災(zāi)害治理，導(dǎo)致港口碼頭建設(shè)成本大幅增加[1]。這給庫區(qū)碼頭的建設(shè)造成了極大的困難。多年來，內(nèi)河碼頭的主要結(jié)構(gòu)型式包括：斜坡式、分級(jí)直立式、半斜坡式、半直立式、棧橋式、臺(tái)階浮躉式等，隨著內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)和內(nèi)河航道的發(fā)展，舊的碼頭結(jié)構(gòu)型式及其裝卸效率已不能滿足新的建設(shè)環(huán)境條件和內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求?；谏鲜鲈?，目前已提出一種內(nèi)河架空框架直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式，該碼頭結(jié)構(gòu)型式采用先進(jìn)的裝卸工藝，大幅提高了碼頭的裝卸效率和通過能力，能較好的滿足內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。但由于該結(jié)構(gòu)型式存在框架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，縱、橫聯(lián)系撐繁多，樁基布置密集，經(jīng)濟(jì)性較差等問題。因此，現(xiàn)正在對(duì)庫區(qū)架空直立式碼頭的結(jié)構(gòu)型式以及其相應(yīng)的構(gòu)造、受力特性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行進(jìn)一步深入地研究，以求設(shè)計(jì)出更能適應(yīng)大水位差和大水深的經(jīng)濟(jì)性更好、受力更優(yōu)的庫區(qū)碼頭結(jié)構(gòu)型式，為庫區(qū)大規(guī)模的碼頭建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)和技術(shù)支撐[2]。

1 內(nèi)河架空直立式碼頭發(fā)展歷程

1.1 在國外的發(fā)展歷程

對(duì)航運(yùn)發(fā)達(dá)的歐洲地區(qū)所開發(fā)利用的的河流(如法國的羅納河、盧瓦爾河，美國的密西西比河，德國的多瑙河、萊茵河，俄羅斯的伏爾加河、第聶伯河等)而言，其水位差大多在幾米到十幾米之間。而我國，長(zhǎng)江、西江、川江以及瀾滄江的水位差與國外所開發(fā)利用的河流的自然水文條件大不相同，其最大的水位差高達(dá)30 m。因此，由于國外所開發(fā)利用的河流不具有我國長(zhǎng)江、西江、川江等河流高水位差的特征，所以，國外對(duì)于類似三峽庫區(qū)內(nèi)河大水深、高變幅水位碼頭的合理結(jié)構(gòu)型式的研究就相當(dāng)罕見，也幾乎未見與內(nèi)河架空直立式碼頭相應(yīng)的碼頭結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)及研究成果[3]。

1.2 在國內(nèi)的發(fā)展歷程

自從20世紀(jì)60年代起，我國針對(duì)大水位差碼頭的結(jié)構(gòu)型式和裝卸工藝在川江、西江開始進(jìn)行研究。經(jīng)過幾十年的工程建設(shè)和探索研究，在關(guān)于大水位差碼頭建設(shè)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面總結(jié)了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。我國西部地區(qū)河流眾多，水資源豐富，但大多屬于山區(qū)河流，隨著季節(jié)的變化，水位落差很大，最高可達(dá)30 m以上，因此，在我國西部地區(qū)所修建的碼頭，由于受到水文、地形、地質(zhì)等條件的限制，大多采用了斜坡式碼頭的型式。經(jīng)過多年的工程建設(shè)和研究，斜坡式碼頭已成為適應(yīng)西部山區(qū)河流的主要碼頭型式，也是我國特有的碼頭型式[4]。

1.3 架空直立式與斜坡式碼頭的對(duì)比分析、發(fā)展趨勢(shì)探討

1.3.1 斜坡碼頭

采用躉船作為系靠船設(shè)施，用斜坡道與碼頭面連接，躉船隨水位變化沿斜坡道方向移動(dòng)為斜坡碼頭。斜坡碼頭的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建設(shè)速度快，投資較少，對(duì)水位變化的適應(yīng)性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是躉船需隨水位變化經(jīng)常移泊，移泊作業(yè)麻煩，另外，它的部分裝卸機(jī)械設(shè)在躉船上，作業(yè)受風(fēng)浪影響大，在船與碼頭面之間有斜坡道連接，多了一個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)。裝卸效率不高，運(yùn)營成本較大，吞吐能力有限。

1.3.2 架空直立式碼頭

架空直立式碼頭是由接岸矮擋墻、棧橋結(jié)構(gòu)和高樁框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)等部分組成，碼頭前沿裝卸作業(yè)通過集卡和岸邊起重機(jī)共同協(xié)作完成，是主要用于集裝箱裝卸的碼頭結(jié)構(gòu)型式。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)輸環(huán)節(jié)少，裝卸效率高，吞吐量大，機(jī)械化程度高；缺點(diǎn)是造價(jià)較高[5]。

斜坡碼頭與架空直立式碼頭經(jīng)濟(jì)性、適用性對(duì)比情況見表1。

表1斜坡碼頭與架空直立式碼頭經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

Table1Economiccomparisonofslopedwharfandvertical-facedframecontainerwharf

表1清晰地反映出斜坡碼頭投資較少、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和裝卸效率不高、吞吐能力有限的缺點(diǎn)，以及出架空直立式碼頭卸裝效率高、吞吐量大的優(yōu)點(diǎn)和造價(jià)較高的缺點(diǎn)。

縱觀近10多年的發(fā)展，即使架空直立式碼頭存在造價(jià)較高的缺點(diǎn)，但其仍在山區(qū)河流大水位差地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，并也將是山區(qū)河流(包括長(zhǎng)江上游、三峽庫區(qū))碼頭型式在今后的發(fā)展趨勢(shì)，主要原因如以下幾點(diǎn)[6]：

1)內(nèi)河航道與樞紐的發(fā)展。經(jīng)過多年內(nèi)河航道的整治與建設(shè)，加之三峽大壩等樞紐地逐步完成，內(nèi)河航道等級(jí)得以較大提高。由于航道等級(jí)的提升，長(zhǎng)江 5 000 t級(jí)船可直達(dá)武漢，10 000 t級(jí)船隊(duì)可直達(dá)重慶，促使了內(nèi)河水運(yùn)的迅速發(fā)展。

2)西部市場(chǎng)的發(fā)展。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，促使我國東西部地區(qū)物資的貿(mào)易交流量和西部地區(qū)對(duì)外貿(mào)易量迅速增加。又由于水路具有運(yùn)輸成本低廉的優(yōu)勢(shì)，因而大量貨物的運(yùn)輸會(huì)采用船舶集裝箱運(yùn)輸方式。由此，水路運(yùn)輸中的集裝箱運(yùn)輸量必將迅猛增長(zhǎng)。

3)裝卸工藝效率。直立式碼頭的裝卸機(jī)械設(shè)在碼頭面上，其作業(yè)不受水位和風(fēng)浪的影響，裝卸效率高，吞吐量大；而斜坡式碼頭裝卸機(jī)械設(shè)在躉船上，作業(yè)易受到水位風(fēng)浪的影響，并且多了一個(gè)斜坡運(yùn)輸環(huán)節(jié)，導(dǎo)致其裝卸效率低、運(yùn)營成本高，吞吐量小，且安全性較差。

4)工程建設(shè)資金的增長(zhǎng)。在過去，由于工程建設(shè)資金比較缺乏，在碼頭結(jié)構(gòu)選型時(shí)往往優(yōu)先考慮采用造價(jià)相對(duì)較低的斜坡式碼頭。但近10多年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和融資渠道的多樣化，資金不再是主要的制約因素，碼頭結(jié)構(gòu)選型時(shí)更多的是考慮其功能能否滿足現(xiàn)在貨物裝卸量急劇增長(zhǎng)的情況下高裝卸效率的需求和地區(qū)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

2 內(nèi)河架空直立式碼頭的組成、通過能力及荷載組合計(jì)算方法

2.1 內(nèi)河架空框架直立式碼頭的組成

內(nèi)河架空框架直立式碼頭主要由基樁、高樁框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)、橫梁、縱梁、縱橫聯(lián)系撐、接岸矮擋墻、棧橋結(jié)構(gòu)、岸坡和碼頭設(shè)備等部分組成。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)在縱橫向設(shè)置了較多的聯(lián)系撐，在豎直方向設(shè)置了分層系纜。現(xiàn)已建成的某內(nèi)河架空框架直立式碼頭的全景圖、斷面圖如圖1、圖2。

圖1 某內(nèi)河架空框架直立式碼頭Fig.1 A vertical-faced frame container wharf in inland river

圖2 某架空框架直立式碼頭結(jié)構(gòu)的斷面Fig.2 Profile of vertical-faced frame container wharf

碼頭前沿裝卸作業(yè)通過集卡和岸邊起重機(jī)共同協(xié)作完成[7]，其裝卸工藝為：

2.2 內(nèi)河架空框架直立式碼頭通過能力計(jì)算

碼頭通過能力是現(xiàn)代港口碼頭是否先進(jìn)的重要判別標(biāo)準(zhǔn)。通過調(diào)研和分析內(nèi)河現(xiàn)有碼頭的裝卸工藝及實(shí)際現(xiàn)狀，按式(1)計(jì)算模型計(jì)算內(nèi)河斜坡式和架空框架直立式碼頭的通過能力，計(jì)算結(jié)果見表2：

(1)

(2)

P=np1K1K2

(3)

式中：Ty為碼頭作業(yè)天數(shù)，取330 d；G為設(shè)計(jì)船型的實(shí)際裝卸箱量(TEU)或?qū)嶋H裝卸量，t；tz為裝卸一艘該類船型所需的純裝卸時(shí)間，h；tf為該類型船舶裝卸輔助與技術(shù)作業(yè)時(shí)間之和，h；td為晝夜小時(shí)數(shù)，h，根據(jù)工作班次確定，三班制為24 h，兩班制為16 h，一班制為8 h；ts為晝夜泊位非生產(chǎn)時(shí)間之和，h；ρ為泊位利用率，%；P為設(shè)計(jì)船時(shí)效率，t/h；n為前方裝卸船設(shè)備臺(tái)數(shù)；p1為裝卸集裝箱船設(shè)備臺(tái)時(shí)效率，TEU/h；K1為集裝箱標(biāo)準(zhǔn)箱折算系數(shù)；K2為裝卸船設(shè)備同時(shí)作用率。

表2 碼頭通過能力計(jì)算結(jié)果

2.3 內(nèi)河架空直立式碼頭荷載作用效應(yīng)組合計(jì)算方法

目前，由于內(nèi)河水位落差大，船舶荷載在碼頭結(jié)構(gòu)上的作用位置隨水位變動(dòng)而變化，這使得碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中的船舶荷載工況增多，碼頭結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力變得更為復(fù)雜。由此，其他不同河流條件或結(jié)構(gòu)型式的碼頭，其荷載作用效應(yīng)組合計(jì)算方法與內(nèi)河架空框架直立式碼頭有所區(qū)別。

經(jīng)內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)架空框架直立式碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、綜合分析研究后，王多垠，等[8]提出了單位力法，該方法清晰地分析了各種工況對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的作用，使碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，合理，該方法的荷載作用效應(yīng)組合方法示意如圖3(其中n為分層系纜的層數(shù))。

3 內(nèi)河架空直立式碼頭存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)展望

3.1 存在的問題

現(xiàn)已建內(nèi)河架空框架直立式碼頭雖具有適應(yīng)大水位差能力強(qiáng)、機(jī)械化程度高、吞吐量大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，但存在下列缺點(diǎn)。

圖3 作用效應(yīng)組合方法示意Fig.3 Schematic diagram of effect combination method

3.1.1 水下工程量大

三峽大壩成功蓄水后，庫區(qū)水位大幅提升，這對(duì)于三峽庫區(qū)港口碼頭建設(shè)而言，過去利用長(zhǎng)時(shí)間的枯水期(頭年11月中上旬到次年4月中下旬)來進(jìn)行港口碼頭建設(shè)的有利自然條件已不復(fù)存在，現(xiàn)面臨的是長(zhǎng)時(shí)間的深水期(頭年11月到次年4月)和水位陡漲陡落的洪水期(7—9月可能出現(xiàn)的超過20 m以上的大水位差)，這就造成以往有利于碼頭建設(shè)的枯水施工期大幅縮短，庫區(qū)碼頭建設(shè)將面臨深水施工，碼頭建設(shè)水下工程量增大的問題。經(jīng)對(duì)已建成的內(nèi)河架空直立式碼頭寸灘碼頭研究，其排架間距小，樁基數(shù)目多，水下工程量巨大，施工期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性較差。

3.1.2 碼頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜

通過對(duì)已建成的架空框架直立式碼頭寸灘碼頭的研究分析，為承受較大的水平荷載，提高碼頭結(jié)構(gòu)的整體剛度，該碼頭結(jié)構(gòu)型式設(shè)置了較多的縱、橫聯(lián)系撐，且樁基布置密集，排架間距較小，這就使得整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，且對(duì)河流流勢(shì)、河流演變?cè)斐梢欢ㄓ绊懀瑫r(shí)也增加了整個(gè)工程項(xiàng)目的造價(jià)。

3.2 內(nèi)河架空框架直立式碼頭的發(fā)展趨勢(shì)

重慶交通大學(xué)王多銀、周世良等通過對(duì)已建內(nèi)河架空框架直立式碼頭存在的問題的研究[1,3]，提出了粗樁大跨架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)理念，即通過增加碼頭排架間距，減少樁基數(shù)目的方法來減少水下工程量，從而降低碼頭施工難度和工程造價(jià)；用加大樁徑的方式來提高碼頭承載能力和剛度，減少碼頭縱橫聯(lián)系撐的數(shù)目，從而簡(jiǎn)化碼頭結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。目前,粗樁大跨架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式憑借其適應(yīng)大水位差能力強(qiáng)、機(jī)械化程度高、吞吐量大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、受力更合理，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，施工更容易，經(jīng)濟(jì)性更好等特點(diǎn)，在庫區(qū)碼頭建設(shè)中的應(yīng)用前景越來越廣泛。

針對(duì)架空框架直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式的發(fā)展趨勢(shì)，因叉樁或斜樁基礎(chǔ)能有效地承受水平荷載，提高結(jié)構(gòu)水平向剛度，減小碼頭結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的橫向位移，從而可使架空框架直立式碼頭結(jié)構(gòu)在保證剛度的同時(shí)大量減少縱橫聯(lián)系撐的數(shù)量，減少水下工程量，降低工程造價(jià)。加之碼頭嵌巖斜樁施工技術(shù)[9]和大直徑全斷面斜樁嵌巖施工技術(shù)[10]等嵌巖斜樁或叉樁技術(shù)的不斷發(fā)展和逐步成熟，使得在內(nèi)河巖基地區(qū)修建嵌巖斜樁(叉樁)基礎(chǔ)成為了可能。故筆者認(rèn)為：該碼頭結(jié)構(gòu)型式的樁基礎(chǔ)會(huì)由全直樁基礎(chǔ)向直樁 + 斜撐基礎(chǔ)、直樁+嵌巖叉樁或斜樁基礎(chǔ)發(fā)展。

4 結(jié) 語

筆者基于三峽庫區(qū)蓄水對(duì)內(nèi)河碼頭建設(shè)的影響和西部經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的背景，介紹了內(nèi)河碼頭建設(shè)面臨的新問題和內(nèi)河碼頭結(jié)構(gòu)型式的發(fā)展歷程，重點(diǎn)講述了內(nèi)河新型碼頭結(jié)構(gòu)型式——架空框架直立式碼頭在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷程，詳細(xì)闡述了內(nèi)河架空框架直立式碼頭的組成、通過能力、荷載作用效應(yīng)組合計(jì)算方法，并敘述了現(xiàn)已建成的內(nèi)河架空框架直立式碼頭存在的問題和該結(jié)構(gòu)型式的發(fā)展趨勢(shì)，提出采用直樁+嵌巖叉樁或斜樁的思路來優(yōu)化碼頭結(jié)構(gòu)，降低建設(shè)成本，為三峽庫區(qū)新型碼頭結(jié)構(gòu)型式的發(fā)展提供參考。

[1] 溫焰清,王多銀,楊洪祥,等.三峽庫區(qū)碼頭結(jié)構(gòu)新趨勢(shì)的探討[J].港工技術(shù),2010,47(6):35-37.

Wen Yanqing,Wang Duoyin,Yang Hongxiang,et al.Discussion on new trend of Three Gorges Reservoir wharf structure [J].Port Engineering Technology,2010,47(6):35-37.

[2] 王多銀,周世良,劉明維,等.三峽庫區(qū)港口碼頭建設(shè)的基本原則探討[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2003,22(增刊1):107-111.

Wang Duoyin,Zhou Shiliang,Liu,Mingwei,et al.Study on construction basic principle of harbor in the Three Gorges reservoir [J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2003,22(S1):107-111.

[3] 王多銀,宋成濤,溫焰清,等.三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式研究[J].水運(yùn)工程,2011(3):54-58.

Wang Duoyin,Song Chengtao,Wen Yanqing,et al.Research on overhead wharf structural pattern in fluctuating backwater area of Three Gorges reservoir area[J].Port & Waterway Engineering,2011(3):54-58.

[4] 曹周紅,劉曉平,沈志剛.山區(qū)河流碼頭型式及其發(fā)展趨勢(shì)[J].湖南交通科技,2004,30(2):90-92.

Cao Zhouhong,Liu Xiaoping,Shen Zhigang.Types of wharf in mountain river and its developmental trend[J].Hunan Communication Science and Technology,2004,30(2):90-92.

[5] 重慶市港航管理局.三峽蓄水后港口碼頭結(jié)構(gòu)型式及筑港技術(shù)研究[R].重慶:重慶交通大學(xué),2010:6-12.

Chongqing Port and Waterway Administration.The Research on Port Quay Structure Types and Pier Technology after Three Gorges Water Storage [R].Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2010:6-12.

[6] 吳友仁,王多銀,吳宋仁,等.長(zhǎng)江上游港口碼頭結(jié)構(gòu)型式及其發(fā)展趨勢(shì)[J].港工技術(shù),2005(4):22-24.

Wu Youren,Wang Duoyin,Wu Songren,et al.On structural type of wharfs in upper reaches of Yangtze River and its development tendency [J].Port Engineering Technology,2005(4):22-24.

[7] 王多銀,田建柱.大水位差架空直立式集裝箱碼頭結(jié)構(gòu)型式研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,27(1):139-143.

Wan Duoyin,Tian Jianzhu.Research on structure pattern of large water-head overhand-erection container wharf [J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2008,27(1):139-143.

[8] 王多銀,石興勇,丁德斌,等.內(nèi)河架空直立式集裝箱碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中的作用效應(yīng)組合探討[J].中國港灣建設(shè),2005(4):33-35.

Wan Duoyin,Shi Xingyong,Ding Debin,et al.Study on loading combinations in structural calculation of high-pile container wharfs in inland rivers [J].China Harbour Engineering,2005(4):33-35.

[9] 李紅偉,徐偉.鉆孔灌注樁斜樁施工技術(shù)研究[J].建筑施工,2008,30(10):876-878.

Li Hongwei,Xu Wei.Study on raked construction technology for bored piles [J].Building Construction,2008,30(10):876-878.

[10] 杜天旦,陳宣東.大直徑全斷面斜樁嵌巖施工技術(shù)[J].水運(yùn)工程, 2007(6):21-25.

Du Tiandan,Chen Xuandong.The construction technology of large diameter,whole section rock-socketed raking pile [J].Port & Waterway Engineering,2007(6):21-25.