受沖刷影響的高樁碼頭安全管理與維修

王 鶯

(福州港務(wù)集團(tuán)有限公司，福州 350004)

1 概述

福州港閩江口內(nèi)港區(qū)一座碼頭于1993 年建成投產(chǎn)，全長190 m，寬25 m，其中前樁臺寬15 m，后樁臺寬10 m。碼頭結(jié)構(gòu)型式為高樁梁板式，碼頭前沿設(shè)計泥面高程-10.3 m，建成初期天然泥面高程-12.0 m(基準(zhǔn)羅零，下同)。 樁基為600 mm×600 mm 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心方樁，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁及疊合面板組成。 多年來閩江下游河道由于上游來砂量減少， 加上以往曾出現(xiàn)過量采砂等原因，導(dǎo)致水流流速加快、河床刷深下切。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，港池底高程普遍達(dá)到-19.0 ～-20.0 m，碼頭前沿底高程-15.5 ～-17.5 m，局部達(dá)-18.5 m。碼頭及平臺下方也受到一定程度沖刷，而自平臺后沿往后，泥面高程一般在0.0 m 以上。 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖及沿縱向多個實測泥面見圖1。

沖刷作用導(dǎo)致樁的自由長度增大， 相應(yīng)樁的入土深度減少，對樁基承載力起削弱作用；沖刷作用(后方局部淤積)改變了碼頭區(qū)域泥面形狀，影響整體穩(wěn)定性；這2方面問題都會影響安全性。 為此做了以下工作：(1)間隔半年的港區(qū)定期水深測量；(2)碼頭安全檢測評估；(3)加固研究設(shè)計及施工。 本文是對這3 方面工作的回顧和總結(jié)。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖及沿縱向多個實測泥面

2 水深測量數(shù)據(jù)分析

筆者分析了碼頭及港池水域自2011 年以來每半年一次的水深測量數(shù)據(jù)，為便于說明水深的變化情況，從水深圖中摘取碼頭前沿及距離碼頭前沿15 m 和30 m 三個縱向斷面泥面高程數(shù)據(jù)，繪制成港池水深變化圖(圖2)。

圖2 港池水深變化(2011 年9 月-2016 年6 月)

由圖2 可見， 停泊水域底高程普遍深于-18.0 m，原設(shè)計的-10.3 m 和天然泥面的-12.0 m 大幅度刷深；2013年以來隨著閩江采砂問題得到治理， 港池水深已經(jīng)基本穩(wěn)定。

3 碼頭調(diào)查檢測評估

為了解碼頭受到?jīng)_刷后的安全狀況， 委托有資質(zhì)單位對碼頭進(jìn)行全面檢測評估[1]，包括以下內(nèi)容：構(gòu)件及其連接節(jié)點(diǎn)外觀破損調(diào)查；結(jié)構(gòu)分段相對位移和沉降測量；對樁基采用低應(yīng)變法抽樣檢測； 碼頭區(qū)域土坡整體穩(wěn)定性分析；碼頭結(jié)構(gòu)受力計算及可靠性評估。上述檢測評估內(nèi)容的結(jié)果如下：

(1)構(gòu)件及其連接節(jié)點(diǎn)外觀破損

碼頭結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件除個別構(gòu)件存在混凝土局部破損露筋現(xiàn)象外，碼頭結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件樁、橫梁、縱梁和面板等基本完好，構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)完好，碼頭整體結(jié)構(gòu)運(yùn)行正常。

(2)結(jié)構(gòu)分段相對位移和沉降

根據(jù)以往經(jīng)驗，當(dāng)碼頭出現(xiàn)較大水平位移時，將會由于各結(jié)構(gòu)段的水平位移不一致而導(dǎo)致分縫處出現(xiàn)錯位；而出現(xiàn)明顯沉降后，則容易在相鄰結(jié)構(gòu)段間出現(xiàn)高差。通過觀測相鄰結(jié)構(gòu)段分縫處的相對水平錯位和高差， 可以大致判斷碼頭位移沉降的情況。碼頭共分為3 個結(jié)構(gòu)段，實測各結(jié)構(gòu)段分縫縫寬、水平錯位及高差見表1。 作為連續(xù)布置泊位的中間泊位， 表中包含碼頭與相鄰泊位結(jié)構(gòu)段分縫高差錯位。

表1 實測碼頭各結(jié)構(gòu)段水平錯位及高差

由表1 可見， 碼頭結(jié)構(gòu)分段之間未出現(xiàn)明顯的相對水平位移和差異沉降， 大致可以判斷碼頭未出現(xiàn)明顯的位移和沉降。

(3)樁基低應(yīng)變法抽樣檢測

采用低應(yīng)變法[2]抽檢了29 根樁基，約占碼頭總樁數(shù)的15%。樁基檢測結(jié)果表明，29 根樁中，27 根樁屬于Ⅰ類樁；2 根屬于Ⅱ類樁，樁身有輕微缺陷，但對樁的使用沒有影響。 抽樣檢測的結(jié)果表明，樁身狀況良好，能夠正常使用。

(4)碼頭區(qū)域土坡穩(wěn)定性分析

采用圓弧滑動簡單條分法進(jìn)行整體穩(wěn)定驗算[3]，選擇沖刷最嚴(yán)重的實測斷面，經(jīng)計算，碼頭土坡穩(wěn)定圓弧滑動最危險滑弧的抗滑力矩與滑動力矩的比值為MRk/Msd=1.28，整體穩(wěn)定性尚能滿足規(guī)范要求。

(5)碼頭結(jié)構(gòu)受力計算及可靠性評估

進(jìn)行高樁碼頭的結(jié)構(gòu)計算， 碼頭結(jié)構(gòu)假定為兩個方向的平面問題，橫向排架按彈性支承連續(xù)梁計算。按照有關(guān)規(guī)定計算碼頭主要構(gòu)件的抗力[4-5]。

一般情況下，碼頭樁滿足彈性長樁條件。承受水平力或彎矩作用的樁入土深度宜滿足彈性長樁要求。 彈性長樁要求樁的入土深度4T，T 為樁的相對剛度特征值[4]。 本工程采用600 mm×600 mm 預(yù)應(yīng)力混凝土方樁，混凝土強(qiáng)度等級C40。 經(jīng)計算T=2.21 m，則彈性長樁要求樁入土深度8.84 m。 在沖刷最嚴(yán)重的排架處， 樁的入土深度10.4 m，尚能滿足彈性長樁的條件。 碼頭受力計算考慮荷載有：結(jié)構(gòu)自重、均布荷載、門機(jī)輪壓荷載、門機(jī)水平力、集裝箱拖車荷載、船舶撞擊力、系纜力、擠靠力等，各項荷載作用效應(yīng)乘以分項系數(shù)， 按照可能同時出現(xiàn)的進(jìn)行組合，得到荷載作用效應(yīng)設(shè)計值。碼頭結(jié)構(gòu)安全性評估結(jié)果見表2。

表2 碼頭結(jié)構(gòu)安全性評估結(jié)果

由表2 可見， 由于碼頭區(qū)域曾經(jīng)受到?jīng)_刷導(dǎo)致水深發(fā)生較大變化，影響到碼頭樁基承載力，樁抗拔承載力與作用效應(yīng)之比為0.91， 抗壓承載力與作用效應(yīng)之比為0.96，不滿足規(guī)范要求，其它驗算項目滿足規(guī)范要求。 碼頭結(jié)構(gòu)安全性評估等級為C[6]，碼頭需要采取維修，碼頭適用性和耐久性滿足規(guī)范要求，評估過程略。

4 維修方案研究[7]

由檢測評估報告可知， 該泊位碼頭區(qū)域曾經(jīng)受到?jīng)_刷導(dǎo)致水深較大變化，影響到碼頭樁基承載力，導(dǎo)致部分樁抗拔承載力和抗壓承載力不滿足規(guī)范要求， 為恢復(fù)碼頭承載力安全性，考慮了2 種方案，分別是拋石方案和碼頭結(jié)構(gòu)綜合加固方案[8-9]。

(1)拋石護(hù)底方案

當(dāng)水工結(jié)構(gòu)水下基礎(chǔ)受到局部沖刷時， 采用拋石護(hù)底來進(jìn)行防護(hù)是最先想到的方法之一(圖3)。 從碼頭前沿向外15 m，拋石護(hù)底設(shè)計頂高程按達(dá)到原設(shè)計的-10.5 m，然后按1∶2 坡度向下延伸，在-16.0 m 高程設(shè)10.0 m 長護(hù)腳，之后按1∶2 坡度與河床銜接。 在碼頭前沿向后，按頂高程-10.5 m 向后拋填，直至與現(xiàn)狀泥面相接。 拋石護(hù)底在護(hù)腳及拋石體面層1.0 m 用200～300 kg 塊石， 其他部分采用1～100 kg 塊石。

圖3 碼頭拋石護(hù)底方案斷面圖

拋石施工方法采用自航甲板駁加反鏟挖掘機(jī)拋石和網(wǎng)兜拋石相結(jié)合， 自航甲板駁加反鏟挖掘機(jī)拋石用于粗拋，網(wǎng)兜拋石用于細(xì)拋和最后的補(bǔ)拋，碼頭下方采用溜槽將塊石滑到指定地點(diǎn)。 工程量為拋石7.0 萬m3，其中1～100 kg 塊石5.4 萬m3，200～300 kg 塊石1.6 萬m3。 施工需要投入浮吊拋石船(500t 以上)1～2 艘，自航甲板駁(500～1500 t)2～4 艘，石料運(yùn)輸船(500 t 以上)約20 艘，交通船(約200 kW)1 艘，預(yù)估工期60 d。

(2)結(jié)構(gòu)加固方案

通過增設(shè)灌注樁分擔(dān)碼頭樁的垂直壓力， 以滿足樁基承載力要求。 在距離碼頭前沿3.5 m 和12.0 m 處各增設(shè)一排灌注樁，前排灌注樁間距一般6.0～7.0 m；后排灌注樁間距12.0 m 左右，共44 根。 灌注樁直徑1000 mm，樁長約40 m。 灌注樁通過2 道縱向連梁與碼頭各排架連接，結(jié)構(gòu)加固斷面圖見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)加固方案斷面圖

此外， 為減少在船舶撞擊力等水平荷載下斜樁的作用效應(yīng)，通過增設(shè)結(jié)構(gòu)段間連接，當(dāng)一個結(jié)構(gòu)段受撞擊力等水平荷載作用時，相鄰結(jié)構(gòu)段一起分擔(dān)。

(3)方案比選

拋石護(hù)底和結(jié)構(gòu)加固2 種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表3。 考慮到港池水域的水深已經(jīng)基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)加固方案因具有受力明確、 對生產(chǎn)影響小、 費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn)而被采用。通過對結(jié)構(gòu)加固后的結(jié)構(gòu)受力計算及承載力復(fù)核，樁抗拔承載力與作用效應(yīng)之比為5.06， 抗壓承載力與作用效應(yīng)之比為1.62，滿足規(guī)范要求。碼頭結(jié)構(gòu)安全性等級恢復(fù)到A[6]。

5 碼頭加固方案實施

結(jié)構(gòu)加固方案施工步驟為：(1)碼頭平臺面層開孔；(2)灌注樁樁基工程；(3)進(jìn)行上部連梁施工；(4)恢復(fù)碼頭面層施工。 灌注樁從上游往下游施工，分3 個作業(yè)段，第一段15 根樁(前9 后6)，第二段15 根樁(前9 后6)，第三段14根(前9 后5)。在兼顧碼頭生產(chǎn)的情況下，實際所用工期5個月。

6 結(jié)語

對于受沖刷影響的高樁碼頭， 采用本文結(jié)構(gòu)加固方案后，碼頭樁基受力狀態(tài)大大改善，而且承載力有一定富余，達(dá)到了預(yù)期的加固效果。本工程為同類高樁碼頭提供了實踐經(jīng)驗，具有一定的借鑒意義。

表3 拋石護(hù)底方案與結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)缺點(diǎn)對比