廣西沿海重力式碼頭病害分析

唐巾評，張建球，潘新恩

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

在碼頭運(yùn)營過程中，在惡劣、復(fù)雜的環(huán)境下，碼頭會出現(xiàn)裂縫、結(jié)構(gòu)缺損、變形、基礎(chǔ)沖刷等病害，從而影響碼頭的安全性、適用性和耐久性。國內(nèi)外已有許多學(xué)者對碼頭裂縫[1]、基床淘刷[2]、漏砂[3]、沉降[4]等病害的產(chǎn)生原因與防治開展了研究工作。廣西沿海重力式泊位占碼頭泊位總數(shù)的95%以上，在運(yùn)營過程中發(fā)生了病害，但目前尚未有研究者對病害進(jìn)行全面統(tǒng)計與系統(tǒng)的研究。依托《廣西碼頭工程安全監(jiān)控模式研究》課題，對廣西沿海重力式碼頭現(xiàn)狀進(jìn)行全面調(diào)查，分析碼頭病害的類型、發(fā)生率與產(chǎn)生原因，并提出防治措施。

1 病害類型及發(fā)生率

1.1 病害類型

調(diào)研的重力式泊位共130個，投產(chǎn)運(yùn)營時間在50 a以內(nèi)。其中，油碼頭泊位15個，專業(yè)集裝箱泊位11個，其他為件雜貨、散貨、多用途、通用泊位等。調(diào)研碼頭的水工結(jié)構(gòu)形式包括大圓筒、沉箱、方塊、扶壁、墩式、現(xiàn)澆混凝土或漿砌石結(jié)構(gòu)，以及樁基與胸墻組合的特殊結(jié)構(gòu)。近年來碼頭多采用大圓筒結(jié)構(gòu)。廣西沿海碼頭面層絕大多數(shù)采用連鎖塊鋪面，少數(shù)老舊碼頭采用混凝土面層結(jié)構(gòu)。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，廣西沿海重力式碼頭水工結(jié)構(gòu)病害普遍程度自高到低排序為：裂縫、水工結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害、結(jié)構(gòu)破損、不均勻沉降與位移、漏砂、基床淘刷等(圖1)。

圖1 碼頭病害類型

1.2 病害發(fā)生率

1.2.1總體分析

出現(xiàn)1種或多種上述病害的泊位有108個，即病害發(fā)生率為83%。碼頭各類病害發(fā)生率如圖2所示。

圖2 各類型病害發(fā)生率

參照J(rèn)TS 304—2019《水運(yùn)工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》[5]關(guān)于水工建筑物安全性、適用性、耐久性分級，本次調(diào)研安全性B級及以上(不必采取措施或視情況采取措施)、適用性B級及以上(不必采取措施或視情況采取措施)、耐久性A級(不必采取措施)的泊位占調(diào)研泊位總數(shù)的百分比統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 不同安全級別泊位統(tǒng)計

1.2.2按泊位噸級分析

按泊位噸級對調(diào)研的泊位進(jìn)行分檔。5 000噸級以下、5 000(含)～1萬噸級、1萬(含)～5萬噸級、5萬(含)～10萬噸級、10萬(含)～15萬噸級、15萬噸級及以上的泊位個數(shù)分別為42、16、21、33、11、7個(圖4)。

圖4 不同噸級泊位病害發(fā)生率

從圖4可知：裂縫病害在不同噸級的泊位中均有出現(xiàn)，病害發(fā)生率基本呈隨泊位噸級增加而增大的趨勢，而15萬噸級以上泊位裂縫病害率較低，可能受該段調(diào)研泊位個數(shù)少、泊位運(yùn)營時間短的影響；結(jié)構(gòu)破損病害發(fā)生率與泊位噸級之間關(guān)系不明顯；附屬設(shè)施病害、基床淘刷多發(fā)生在低噸級泊位，此規(guī)律可能還受低噸級泊位運(yùn)營時間較長的影響；不均勻沉降病害發(fā)生率基本上呈現(xiàn)隨著泊位噸級增加而增大的趨勢；漏砂病害多發(fā)生在萬噸級以上的泊位，可能因萬噸級以上泊位多采用大圓筒結(jié)構(gòu)。

1.2.3按泊位運(yùn)營時間分析

各碼頭泊位投產(chǎn)運(yùn)營時間不同，病害發(fā)生率也不同。運(yùn)營時間按5 a為1個區(qū)段進(jìn)行分段。運(yùn)營時間0～5、6～10、11～15、16～20、20 a以上的泊位個數(shù)分別為29、29、21、13、38個(圖5)。

圖5 不同運(yùn)營時間泊位病害發(fā)生率

從圖5可知：裂縫病害貫穿碼頭整個使用周期，且運(yùn)營時間越長，裂縫病害率越高；結(jié)構(gòu)破損、附屬設(shè)施病害發(fā)生率基本隨運(yùn)營時間增加而增大；不均勻沉降與位移、漏砂在碼頭運(yùn)營的各時間段均可能發(fā)生；基床淘刷病害出現(xiàn)在運(yùn)營5 a以上的碼頭。

此外，運(yùn)營16～20a的泊位個數(shù)較少，某種病害發(fā)生率出現(xiàn)0可能因為調(diào)研泊位數(shù)太少。

1.2.4按泊位用途分析

調(diào)研的專業(yè)集裝箱泊位11個，油碼頭泊位15個。專業(yè)集裝箱泊位和油碼頭泊位病害發(fā)生率統(tǒng)計見圖6。

廣西沿海專業(yè)集裝箱泊位多采用大圓筒結(jié)構(gòu)，水工結(jié)構(gòu)病害主要有裂縫、結(jié)構(gòu)破損、附屬設(shè)施病害、漏砂，其中裂縫病害最為普遍。廣西沿海油碼頭泊位多采用重力墩式結(jié)構(gòu)，主要病害有裂縫和不均勻沉降、位移，其中裂縫病害發(fā)生率極高。

2 病害產(chǎn)生的原因及對碼頭的影響

2.1 裂縫

2.1.1產(chǎn)生的部位及原因

裂縫貫穿碼頭的整個生命周期。出現(xiàn)裂縫病害的主要部位有碼頭頂面、胸墻迎水面、護(hù)輪坎。碼頭頂面的裂縫主要分布在系船柱周圍混凝土面層、管溝附近面層、油碼頭輸油設(shè)備周圍的混凝土面層。既有獨(dú)立發(fā)展的裂縫，也有網(wǎng)狀裂縫。胸墻迎水面裂縫主要沿著豎向發(fā)展，有些為淺層裂縫，有些則貫穿胸墻。護(hù)輪坎裂縫一般與護(hù)輪坎軸線正交、斜交，裂縫寬度較小，多為淺層裂縫。

研究發(fā)現(xiàn)，裂縫主要有以下幾種：1)溫度裂縫：碼頭施工時，大體積混凝土內(nèi)外存在溫度梯度差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自生應(yīng)力裂縫；2)混凝土干縮裂縫：碼頭施工時，混凝土骨料在重力作用下下沉，受到模板、鋼筋的約束時，混凝土產(chǎn)生塑性變形裂縫；3)由外荷載引起的裂縫：一是由于施工程序不合理，下部安裝構(gòu)件沉降尚未穩(wěn)定就澆筑胸墻，導(dǎo)致碼頭胸墻在施工中的受力過大而開裂，二是碼頭使用荷載超過設(shè)計值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂；4)不均勻沉降引起的裂縫：碼頭發(fā)生不均勻沉降，引起胸墻整體彎曲破壞，形成的裂縫多為貫穿裂縫；5)應(yīng)力集中裂縫：碼頭上的管溝、系船柱等各附屬設(shè)施的預(yù)留孔洞，出現(xiàn)應(yīng)力集中，引起混凝土開裂。

2.1.2對碼頭的影響

一般表層、淺層裂縫對碼頭結(jié)構(gòu)沒有太大影響，但裂縫隨著時間推移發(fā)展成深層裂縫，甚至貫穿裂縫，則會對碼頭構(gòu)成威脅。1)安全性：胸墻貫穿裂縫將影響胸墻結(jié)構(gòu)的整體性，影響胸墻抗滑、抗傾穩(wěn)定性；2)適用性：碼頭面層開裂使碼頭面變得粗糙，流動機(jī)械在上面行駛?cè)菀自斐绍囕喣p；3)耐久性：胸墻或護(hù)輪坎等結(jié)構(gòu)配有鋼筋時，裂縫的產(chǎn)生將會加速二氧化碳和氯離子等物質(zhì)侵入混凝土，加速混凝土碳化及鋼筋表層鈍化膜的破壞而銹蝕，從而使耐久性降低。

2.2 結(jié)構(gòu)破損

2.2.1產(chǎn)生的部位及原因

結(jié)構(gòu)破損病害多出現(xiàn)在運(yùn)營時間較長的碼頭中。新建碼頭較少發(fā)現(xiàn)該病害，且破損程度較輕微。結(jié)構(gòu)破損主要發(fā)生在碼頭胸墻和護(hù)輪坎上。胸墻結(jié)構(gòu)破損主要表現(xiàn)在胸墻迎水面混凝土破損(或漿砌石掉落)、碼頭分段縫兩側(cè)的胸墻混凝土擠壓破壞。護(hù)輪坎破損主要表現(xiàn)為護(hù)輪坎混凝土碎裂、掉落。造成結(jié)構(gòu)破損的主要原因如下：1)鋼筋銹蝕：護(hù)輪坎等配筋構(gòu)件開裂后鋼筋銹蝕，鋼筋銹脹擠壓周圍混凝土，致使混凝土破壞、掉落；2)機(jī)械刮擦、船舶撞擊：船舶撞擊胸墻、護(hù)輪坎，造成胸墻、護(hù)輪坎損壞；3)碼頭不均勻沉降：碼頭兩相鄰結(jié)構(gòu)段碼頭發(fā)生不均勻沉降，互相擠壓導(dǎo)致結(jié)構(gòu)段兩側(cè)混凝土破壞,結(jié)構(gòu)破損。

2.2.2對碼頭的影響

非承重構(gòu)件破損一般影響使用性和耐久性，碼頭承重構(gòu)件破損還影響結(jié)構(gòu)安全性。構(gòu)件破損的主要影響如下：1)安全性：胸墻混凝土大范圍破損，或胸墻漿砌石掉落，威脅碼頭安全；2)適用性：胸墻、護(hù)輪坎發(fā)生破損，影響碼頭使用；3)耐久性：護(hù)輪坎等配筋構(gòu)件破損后，鋼筋外露而銹蝕加速，銹蝕產(chǎn)物進(jìn)一步擠壓周圍混凝土導(dǎo)致開裂混凝土破壞，耐久性降低。

2.3 水工結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害

2.3.1產(chǎn)生的部位及原因

水工結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害多出現(xiàn)在運(yùn)營時間較長的碼頭中。水工結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施主要包括系船柱和橡膠護(hù)舷。系船柱病害表現(xiàn)為碼頭沒有系船柱，系船柱缺少帽檐，或系船柱設(shè)置個數(shù)、間距不合理。橡膠護(hù)舷病害表現(xiàn)為碼頭沒有設(shè)置橡膠護(hù)舷，或橡膠護(hù)舷屬性不明，或橡膠護(hù)舷老化不更換。

水工結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害產(chǎn)生的主要原因如下：1)碼頭建設(shè)時沒有按規(guī)范要求建設(shè)系船柱，碼頭運(yùn)營時在碼頭面現(xiàn)澆混凝土柱或埋設(shè)鋼筋條作為系船設(shè)施；2)碼頭建設(shè)時沒有配備橡膠護(hù)舷，靠泊的船舶自備輪胎護(hù)舷；3)碼頭疏于管理，未及時更換老化的橡膠護(hù)舷。

2.3.2對碼頭的影響

碼頭未設(shè)置橡膠護(hù)舷、橡膠護(hù)舷性能不滿足要求，或系船柱無帽檐船舶脫纜等，船舶在靠泊時撞擊碼頭胸墻，對碼頭造成影響。1)安全性：胸墻混凝土(漿砌石)碎裂掉落，威脅碼頭安全；2)適用性：船舶撞擊碼頭胸墻、護(hù)輪坎，造成胸墻、護(hù)輪坎損壞，影響碼頭使用；3)耐久性：船舶撞擊導(dǎo)致護(hù)輪坎等配筋混凝土保護(hù)層損壞而耐久性降低，或撞擊漿砌石胸墻致使?jié){砌石掉落、松散，耐久性降低。

2.4 不均勻沉降與位移

2.4.1產(chǎn)生的部位及原因

碼頭不均勻沉降與位移病害主要表現(xiàn)為：碼頭兩相鄰結(jié)構(gòu)分段水平面出現(xiàn)明顯高差，或碼頭兩相鄰結(jié)構(gòu)分段迎水面出現(xiàn)較大錯牙；碼頭胸墻出現(xiàn)貫穿裂縫；碼頭裝卸設(shè)備前后軌道不在同一水平面上，或相鄰軌道分段出現(xiàn)明顯高差。

碼頭不均勻沉降、位移產(chǎn)生的原因如下：1)碼頭地質(zhì)情況復(fù)雜：某些局部區(qū)域地基承載力不夠，基底土質(zhì)差，在荷載作用下，地基壓縮變形較其他區(qū)域大；2)施工控制不到位：個別部位軟弱土層未能挖除干凈，或下部結(jié)構(gòu)安裝后沉降尚未穩(wěn)定就急于建設(shè)上部結(jié)構(gòu)，造成不均勻沉降；3)超荷載運(yùn)營：碼頭某些部位使用荷載超出設(shè)計值，造成局部沉降較其他地方大。

2.4.2對碼頭的影響

1)安全性：碼頭發(fā)生不均勻沉降而重心前移，可能導(dǎo)致抗傾穩(wěn)定性不足而傾覆；碼頭發(fā)生不均勻沉降致使胸墻內(nèi)拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生貫穿胸墻的裂縫，影響胸墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定性。2)適用性：碼頭發(fā)生不均勻沉降導(dǎo)致碼頭面坑洼不平，影響碼頭使用；碼頭發(fā)生不均勻沉降致使裝卸機(jī)械前后軌道出現(xiàn)高差、或不同分段軌道出現(xiàn)高差，影響使用。3)耐久性：碼頭發(fā)生不均勻沉降后，導(dǎo)致碼頭配筋構(gòu)件內(nèi)部拉應(yīng)力過大而開裂，加速鋼筋銹蝕，耐久性降低。

2.5 漏砂

2.5.1產(chǎn)生的部位及原因

廣西沿海岸壁式碼頭大多數(shù)采用大圓筒結(jié)構(gòu)。大圓筒具有受力合理等優(yōu)點(diǎn)，但接縫處也較易發(fā)生漏砂。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，碼頭回填的中、粗砂從縫隙漏出，碼頭面局部下陷。

碼頭漏砂的主要原因有：1)墻身產(chǎn)生不均勻沉降和位移，形成縫隙而漏砂；2)波吸力、水流力破壞倒濾層，形成縫隙而漏砂；3)施工缺陷，如安裝縫隙過大，大于設(shè)計倒濾料的直徑，造成漏砂。

2.5.2對碼頭的影響

1)安全性：漏砂區(qū)碼頭面層失去支撐發(fā)生下陷，有的甚至形成漏斗形空腔，聯(lián)鎖塊面層局部下陷成坑，威脅碼頭安全；若碼頭面層為混凝土面層，水泥穩(wěn)定層在荷載作用下，易發(fā)生脆性破壞。2)適用性：漏砂使碼頭上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、甚至下陷坍塌，碼頭不能完全發(fā)揮其裝卸、堆貨的作用。3)耐久性：漏砂不及時處理，碼頭面局部下陷、坍塌，使用年限減少。

2.6 基床淘刷

2.6.1產(chǎn)生的部位及原因

基床淘刷病害主要發(fā)生在運(yùn)營5 a以上的碼頭中。拋石基床淘刷主要原因有：1)拋石基床施工缺陷，如基床石級配不良導(dǎo)致基床上部找平用的碎石逐漸被沖走等，造成基床表面出現(xiàn)空洞；2)碼頭前沿水域疏浚深度過大，導(dǎo)致拋石基床滑落；3)碼頭所在地水文條件復(fù)雜，波浪水流共同作用造成基床淘刷；4)拖輪靠離泊時造成的大流速場，造成拋石基床淘刷。

2.6.2對碼頭的影響

1)安全性：基床淘刷后，基床頂部、底部應(yīng)力增大導(dǎo)致碼頭沉降、塌陷；沉箱與基床的接觸點(diǎn)不再是前趾點(diǎn)，碼頭對接觸點(diǎn)的抗傾穩(wěn)定性降低；2)適用性：基床遭到?jīng)_刷破壞后，有可能引發(fā)墻體不均勻沉降，影響碼頭正常使用；3)耐久性：基床沖刷破壞造成碼頭不均勻沉降，導(dǎo)致構(gòu)件開裂、鋼筋銹蝕，耐久性降低。

3 防治措施

根據(jù)每一類型病害分布及產(chǎn)生的原因，從設(shè)計、施工、運(yùn)營管理等方面提出相應(yīng)的碼頭病害防治措施(表1)。

表1 病害防治措施

4 結(jié)語

1)廣西沿海重力式碼頭水工結(jié)構(gòu)病害主要有裂縫、附屬設(shè)施病害、結(jié)構(gòu)破損不均勻沉降與位移、漏砂、基床淘刷等病害。其中，裂縫病害最為普遍，貫穿碼頭整個生命周期。

2)在所調(diào)研的泊位中，安全性B級及以上的泊位約有93%，適用性B級及以上的泊位約有85%，耐久性A級的泊位約有77%。

3)裂縫、結(jié)構(gòu)破損、附屬設(shè)施病害發(fā)生率基本隨運(yùn)營時間增加而增大；不均勻沉降與位移、漏砂病害在碼頭運(yùn)營的各時間段均可能發(fā)生；基床淘刷病害出現(xiàn)在運(yùn)營5 a以上的碼頭中。

4)廣西沿海油碼頭泊位主要病害有裂縫和不均勻沉降與位移，其中裂縫病害發(fā)生率高達(dá)93%。

5)裂縫主要出現(xiàn)在碼頭頂面、胸墻迎水面、護(hù)輪坎；結(jié)構(gòu)破損主要發(fā)生碼頭胸墻、護(hù)輪坎上；水工結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施病害主要發(fā)生在系船柱和橡膠護(hù)舷；不均勻沉降與位移主要表現(xiàn)為碼頭兩相鄰結(jié)構(gòu)分段迎水面出現(xiàn)較大錯牙，碼頭面各處出現(xiàn)較明顯的高差；漏砂病害表現(xiàn)為碼頭面因漏砂而局部下陷；基床淘刷主要發(fā)生在重力式碼頭水下基床上。病害產(chǎn)生與發(fā)展是多種因素共同作用的結(jié)果。

6)針對不同的病害，應(yīng)在設(shè)計、施工、運(yùn)營階段采取相應(yīng)的防治和修補(bǔ)措施。