高樁碼頭樁基沖刷的加固措施

◎ 陸寬 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

高樁碼頭樁基沖刷的加固措施

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本文結(jié)合浙江省某漁政碼頭的工程實例，論述了附近已建建筑物對工程區(qū)域沖淤的影響，以及在樁基沖刷影響下，對高樁碼頭結(jié)構(gòu)采取的加固措施，可供類似工程參考借鑒。

沖刷 高樁碼頭 樁基 加固

1.工程概況及設(shè)計方案

浙江省某漁政碼頭工程位于江南山島北側(cè)，包含500噸兼靠1000噸漁政船碼頭1座。與本工程同時建設(shè)的工程還包括江南山島西北側(cè)護(hù)岸、連接江南山島與橫勒山島之間的淺水段防波堤及連接牛軛島至橫勒山島之間的深水段防波堤，各工程位置如圖1。其中，連島公路貫穿深水段防波堤及淺水段防波堤，方便了各島嶼的交通；各工程的建設(shè)，可在峰景灣、牛軛島、橫勒山島及江南山島間形成廣大的避風(fēng)水域，滿足漁港的防風(fēng)避臺需要。

1.1設(shè)計條件

漁政碼頭按照永久建筑物設(shè)計，結(jié)構(gòu)安全等級為II級。碼頭泊位長度為110m，寬度為10m，碼頭面頂高程為2.9m，碼頭前沿底標(biāo)高為-6.6m；碼頭與陸域之間設(shè)置長55m，寬7m的引橋一座，頂面高程同碼頭面。

碼頭使用期荷載為：均載15kN/m2；15t汽車滿載運行。

工程區(qū)域極端高水位為3.16m，設(shè)計高水位為1.96m，設(shè)計低水位為-1.38m，極端低水位為-2.35m。50年一遇波要素，極端高水位和設(shè)計高水位波高H1%=2.2m，T=4.5s。

工程區(qū)域地基土自上而下主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土及含礫粉質(zhì)黏土。其中，含礫粉質(zhì)黏土為碼頭樁端持力層，該層樁端土極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值為2800kPa。

1.2結(jié)構(gòu)方案

碼頭為高樁梁板結(jié)構(gòu)，樁基采用φ700PHC管樁，樁尖標(biāo)高為-48m。排架間距7.30m，每榀排架由2對叉樁組成，上部結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土橫梁、縱梁、邊梁、面板及靠船構(gòu)件等組成，全部為預(yù)制構(gòu)件，施工現(xiàn)場安裝后現(xiàn)澆接頭，連成整體結(jié)構(gòu)，其上部現(xiàn)澆8cm厚混凝土面層。碼頭上布置350kN碼頭系船柱及SA 400xL2000橡膠護(hù)舷。

引橋采用高樁梁板結(jié)構(gòu)型式，排架間距8m，樁基采用Φ700PHC樁，每榀排架下布置2根直樁，棧橋上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制鋼筋混凝土大板組成。

圖1 工程形勢圖

2.碼頭區(qū)域沖刷情況

2.1工程建設(shè)前的數(shù)學(xué)模型分析

數(shù)模分析顯示，深水段及淺水段防波堤工程建設(shè)后，會造成工程海區(qū)地形劇烈的沖淤變化，尤其是峰景灣與牛軛島之間的深槽，會逐年淤積，碼頭北側(cè)所在水道則發(fā)生沖刷。從工程實施5年后的地形等深線來看，水深的瓶頸位于景峰灣與牛軛島之間的口門上，但是12m等深線在各個通道之間仍保持貫通，而且主要漁港區(qū)的水深不會發(fā)生大的變化，對船舶通航不會造成明顯的影響，工程區(qū)及附近的水深仍能滿足船舶通航的要求。

2.2工程實施情況

2.2.1設(shè)計情況

本工程建設(shè)前的數(shù)模研究表明，連島堤建成后，碼頭區(qū)的沖刷深度平均達(dá)6～7m，流速增大至3m/s，鑒于此，設(shè)計對碼頭樁基的預(yù)留長度采用7m，并在預(yù)留長度后滿足樁基承載力的情況下，又增加一定的樁長。

2.2.2施工情況

本工程于2011年4月20日開始施工碼頭接岸的護(hù)岸部分，5月20日至6月8日進(jìn)行碼頭混凝土預(yù)制構(gòu)件的施工，7月18日開始進(jìn)行碼頭水上沉樁，并于8月9日完成沉樁施工。由于碼頭區(qū)域漲落潮流速度較大，水深測量結(jié)果顯示，泥面變陡、沖深加大，工況明顯惡化，因此，碼頭上部梁板暫停施工。在此期間，施工單位每月兩次繼續(xù)對碼頭前、后沿進(jìn)行水深觀測，以了解碼頭區(qū)域泥面沖淤的變化；2011年9月業(yè)主委托相關(guān)單位對該區(qū)域進(jìn)行水下地形測量，重點對碼頭前沿主流航道進(jìn)行全斷面的水深測量，了解航道泥面的沖刷情況及有否偏離跡象。

圖2 加固結(jié)構(gòu)圖一

圖3 加固方案二結(jié)構(gòu)圖

2.2.3潮流及泥面變化情況

據(jù)碼頭沉樁期間及上部結(jié)構(gòu)停工后施工單位連續(xù)觀測與分析情況顯示，碼頭前后水流沖淤的變化較快，流速較大，流態(tài)復(fù)雜，沖深超過基樁設(shè)計預(yù)留底線。碼頭區(qū)水流沖刷特點為“先快后慢、沖淤交替”，“東西兩頭低，中間高”和“主流南移、沖刷擴(kuò)大”。水下地形測量成果也表明碼頭前的主航道也有“南沖北淤”的趨勢。以2011年8月31日至2012年8月20日觀測數(shù)據(jù)對比分析，碼頭前沿較原始泥面累計沖刷了11.26m；碼頭后沿泥面累計沖刷了9.51m。近期2012年10月大潮汛期的觀測結(jié)果表明沖淤變化不大，沖淤平衡趨于穩(wěn)定。

3.碼頭加固方案

根據(jù)碼頭區(qū)域流速變化及泥面沖刷情況，按使用期各種工況，對沖刷后的樁基承載力進(jìn)行復(fù)核。經(jīng)計算，考慮沖刷影響，碼頭樁基承載力可勉強(qiáng)滿足使用要求，但安全系數(shù)偏低，如果碼頭處泥面繼續(xù)沖刷，則碼頭安全性得不到保證。設(shè)計單位認(rèn)為，針對該漁政碼頭的性質(zhì)，采取適當(dāng)加固措施，碼頭仍可正常使用。經(jīng)研究，確定采用柔性靠船樁與樁基防護(hù)相結(jié)合的加固方案：

碼頭每榀排架前設(shè)一根Ф600（δ=11）鋼管樁，頂標(biāo)高為2.9m（與碼頭面高程一致），樁底標(biāo)高為-60.0m；上部靠船高度內(nèi)設(shè)三道鋼連系梁（H型鋼250x250），每根鋼管樁頂面設(shè)置一套SA300×L1000橡膠護(hù)舷，以防止與碼頭硬性碰撞，柔性靠船樁頂部用鏈條與碼頭聯(lián)接。2#排架東側(cè)打設(shè)3根相同規(guī)格鋼管樁，并設(shè)置相同三道鋼連系梁，如圖2。

在船舶荷載作用下，柔性靠船樁發(fā)生彈性變形，以釋放船舶撞擊能，待船舶撞擊力消失后，即刻恢復(fù)產(chǎn)生的變位；其特點是將靠船結(jié)構(gòu)與碼頭主體結(jié)構(gòu)分離，避免船舶荷載對碼頭結(jié)構(gòu)的局部撞擊，將船舶撞擊力通過靠船結(jié)構(gòu)擴(kuò)散至碼頭結(jié)構(gòu)的多個排架上。

樁基防護(hù)結(jié)構(gòu)采用拋石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂高程為-12m。結(jié)構(gòu)肩臺邊線距碼頭前沿線及碼頭兩側(cè)邊緣均為向海側(cè)10m，陸側(cè)至天然泥面。拋石結(jié)構(gòu)主體為石碴，海側(cè)設(shè)置200～300kg塊石棱體，棱體外邊坡均為1∶1.5，內(nèi)邊坡為1∶1，頂寬3m。石碴及塊石均分兩層拋填，第一次拋至頂標(biāo)高-15.0m，第二次拋填至頂標(biāo)高-12.0m。為防沖刷，石碴頂部靠近海側(cè)設(shè)置200～300kg塊石兩層，如圖3。

樁基防護(hù)結(jié)構(gòu)可直接防止潮流對碼頭處泥面的沖刷，保證碼頭結(jié)構(gòu)的安全。

4.結(jié)語

高樁碼頭是應(yīng)用廣泛的主要碼頭結(jié)構(gòu)型式，樁基沖刷是高樁碼頭存在的主要破壞原因之一。本工程所在地區(qū)島嶼眾多，流場復(fù)雜，因此，在工程實施前，應(yīng)注意碼頭周圍流場在工程實施后的變化，同時應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型試驗進(jìn)行流場分析。在平面布置中盡量避免高樁碼頭處于沖淤變化大的區(qū)域。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)考慮泥面變化因素，留有更多的安全儲備。在碼頭上部結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)對樁基進(jìn)行實時監(jiān)測，必要時應(yīng)隨時測量樁基處泥面變化情況，如有異常，應(yīng)及時采取措施。

在樁基沖刷的情況下，為了碼頭使用安全可靠，應(yīng)采取必要的措施。本工程采取的加固方案既對樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，又對碼頭上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固，使碼頭整體穩(wěn)定性和安全性大大增加。

[1]吳園園,婁安剛,張坤,方雪原.海陽中心漁港建設(shè)對附近海域沖淤的數(shù)值模擬預(yù)測[J].海岸工程.2014(01).

[2]王彪,沈永明,王亮.長興島海區(qū)波流相互作用數(shù)值模擬研究[J].海洋工程.2012(03).

[3]周廣鎮(zhèn).萊州灣東岸近岸海域規(guī)劃用海實施后沖淤演變預(yù)測[D].中國海洋大學(xué).2012

[4]趙今聲等.海岸河口動力學(xué)[M].海洋出版社,1993.

[5]張金成.高樁碼頭結(jié)構(gòu)加固修復(fù)方法探討[J].珠江水運.2015(22)

[6]孫寧松,孫永福,宋玉鵬.海洋平臺樁基沖刷及影響因素分析[J].海岸工程.2004(04).