白茆沙持續(xù)沖刷對(duì)鑫海碼頭的結(jié)構(gòu)安全影響*

謝華偉，于傳見，楊 斌

(1.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；3.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310018)

長江下游航道水下地形復(fù)雜多變，岸坡沖刷變化頻繁。根據(jù)多年監(jiān)測結(jié)果顯示，白茆沙水道“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢持續(xù)增強(qiáng)[1]，南水道整體上以沖刷為主[2-3]，深水航道南岸近岸區(qū)域沖刷明顯，已嚴(yán)重威脅到碼頭水下岸坡穩(wěn)定及主體結(jié)構(gòu)的安全[4]。為了全面掌握碼頭結(jié)構(gòu)的健康狀況，根據(jù)水運(yùn)工程的相關(guān)行業(yè)技術(shù)規(guī)范[5-7]，需對(duì)碼頭岸坡的水下地形進(jìn)行重新測量，以分析碼頭區(qū)的沖淤情況；并根據(jù)前期設(shè)計(jì)、竣工資料，對(duì)碼頭的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件、樁基的承載力和整體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，確認(rèn)碼頭在受水流沖刷后是否滿足安全性要求，為下一步實(shí)施維修加固提供決策依據(jù)[8-10]。

本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)太倉港受沖刷影響較為嚴(yán)重的鑫海碼頭進(jìn)行安全影響復(fù)核。對(duì)于碼頭結(jié)構(gòu)安全性、岸坡穩(wěn)定性不滿足要求的，提出修復(fù)、加固等治理建議，可為該類工程安全復(fù)核提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 碼頭概況

太倉港古稱瀏家港，于20世紀(jì)90年代建港，目前共有鹿河、新涇、蕩茜、浮橋、茜涇5 個(gè)作業(yè)區(qū)，已初步形成以浮橋作業(yè)區(qū)集裝箱運(yùn)輸為核心，礦石、煤炭等散貨運(yùn)輸為重點(diǎn)，并相應(yīng)發(fā)展石化特色中轉(zhuǎn)和為臨港工業(yè)服務(wù)的貨主及商貿(mào)碼頭相結(jié)合的總體格局。至2018年底，港區(qū)共有生產(chǎn)性泊位82個(gè)，總長度14.327 km，散貨、件雜貨通過能力為1.1億t，集裝箱通過能力445萬TEU。

太倉港受沖刷碼頭主要位于新涇與蕩茜作業(yè)區(qū)，自上游向下游分別為鑫海碼頭(原美錦碼頭)、萬方碼頭、潤禾碼頭、武港碼頭、華能港務(wù)碼頭和華能電廠碼頭。本次結(jié)構(gòu)安全影響分析對(duì)象為上游鑫海集裝箱碼頭，其泊位基本情況見表1，設(shè)計(jì)斷面見圖1、2。

表1 鑫海碼頭1#～3#、5#泊位基本情況

圖1 鑫海碼頭1#～3#泊位斷面(尺寸：mm；高程：m)

圖2 鑫海碼頭5#泊位斷面(尺寸：mm；高程：m)

1.2 水文、地質(zhì)條件

白茆沙河段北水道落潮為優(yōu)勢流，落潮流大于漲潮流，平均流速比約為v漲/v落=0.75；南水道在中枯水時(shí)漲潮流大于落潮流，平均流速比約為v漲/v落=1.5。大洪水情況下南水道表現(xiàn)為落潮流大于漲潮流，流速比約為v漲/v落=0.8[11]。根據(jù)實(shí)測資料分析，2002—2020年南水道分流比總體增長約14%。其中2018年8月南水道落潮分流比達(dá)到了73%，2020年8月更是達(dá)到了74.6%的歷史高值，南強(qiáng)北弱的分流格局愈加明顯[12-14]。

根據(jù)最新勘測資料，工程區(qū)勘探范圍內(nèi)揭露的地層屬于第四系全新統(tǒng)海陸交互相的松散堆積物，由松散、稍密-中密狀的粉細(xì)砂、軟塑、流塑狀的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾砂為主組成。由于靠近入?？冢艹彼绊?，沉積物雜亂、規(guī)律性差，相變大，粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)土多呈相互交錯(cuò)或互層狀分布。

工程河段地處長江入海口三角洲地帶，受河流沖積作用和濱海沉積作用的共同影響，地貌分區(qū)屬濱海沖積平原區(qū)長江水下江心洲。太倉—南通河段水域?qū)掗?，長江河床寬為5～12 km，水下地勢起伏較大，各江心沙洲較高，各江心沙洲之間夾槽較低，泥面高程為-14～1 m，最深可達(dá)-70～-50 m。

2 沖淤變化影響

2.1 河勢影響分析

白茆沙水道上游起于常熟徐六涇，下至太倉七丫口，全長約33 km。江中的白茆沙和小白茆沙屬暗沙，高潮時(shí)被淹沒，低潮時(shí)部分露出水面。白茆沙形成后快速淤大，至1992年達(dá)到最大值33.8 km2；1992 年后，白茆沙總體呈沖刷態(tài)勢，沙體面積減小，沙頭后退，沙尾上提，2014年南京以下12.5 m深水航道一期治理工程在白茆沙上實(shí)施護(hù)灘工程后，白茆沙沙體演變速度趨緩；洪水期，白茆沙表現(xiàn)為淤積態(tài)勢[15]。

監(jiān)測資料表明，長江太倉段白茆沙南北水道“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢持續(xù)增強(qiáng)，河床沖刷造成深泓持續(xù)南移，長江航道主槽和近岸河床沖深明顯，鑫海碼頭2011年-20 m等高線距碼頭前沿102 m，至2018年僅有47 m；2011年-30 m等高線距離碼頭前沿112 m，2018年已縮短至59 m。

2.2 碼頭局部沖刷影響

太倉港新太海汽渡—七丫口段近19.4 km列為新出現(xiàn)的險(xiǎn)工段，被列為Ⅰ級(jí)崩岸預(yù)警。2018—2021年間，每年汛前、汛后對(duì)太倉港沿岸險(xiǎn)工段進(jìn)行加密水下地形監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間汛前測次為3—5 月，汛后測次為10—11月。

2021年8月測次鑫海碼頭斷面上，碼頭前沿河床高程為-13.6 m，碼頭前后沿高差為12.3 m，斷面河槽最深點(diǎn)高程為-49.8 m，最深點(diǎn)至碼頭前沿距離為133 m，碼頭前沿有約70 m河床坡度相對(duì)平緩，其外側(cè)河槽原陡峭陡坎被沖成斜坡，該測次數(shù)據(jù)顯示最陡處坡比為1:1.6。由圖3可知，2021年8月與2021年4月測次相比，碼頭前沿局部略有沖刷，平坦段河床沖淤變化不大，但平坦河床外側(cè)深槽斜坡頂部表現(xiàn)出一定幅度向岸側(cè)的沖刷。2020年7月—2021年 8月 時(shí)段，太倉側(cè)河床陡峭段深槽斜坡平面向太倉側(cè)推進(jìn)了約6 m，斜坡移動(dòng)速度為0.43 m/月。

圖3 鑫海碼頭DM3斷面

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，1#～3#泊位原設(shè)計(jì)泥面高程(85高程)為-15.50 m，碼頭前沿現(xiàn)狀泥面高程為-16.4～-12.6 m，平均沖深為1 m；5#泊位原設(shè)計(jì)泥面高程為-16.70 m，碼頭前沿現(xiàn)狀泥面高程為-17.8～-14.5 m，平均沖深為2 m。

3 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

碼頭前沿水域發(fā)生沖刷后，碼頭樁基自由長度增加，樁基軸向承載力設(shè)計(jì)值呈下降趨勢，樁基軸力設(shè)計(jì)值變化不大(主要與上部荷載相關(guān))，碼頭安全度降低。管樁應(yīng)力、橫梁彎矩和橫梁剪力均呈增加趨勢，前沿泥面變深對(duì)樁基安全性的影響程度大于對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。碼頭前沿泥面被沖刷后，地基土?xí)a(chǎn)生水平變形，從而對(duì)樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力。若碼頭泥面繼續(xù)降低，管樁應(yīng)力設(shè)計(jì)值將超過樁基強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，碼頭結(jié)構(gòu)將處于不安全狀態(tài)。因此，在碼頭前沿水域發(fā)生沖刷后，需對(duì)碼頭的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行復(fù)核。

3.1 復(fù)核方法

3.1.1上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力驗(yàn)算

根據(jù)JTS 151—2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力設(shè)計(jì)應(yīng)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

Sd≤Rd

(1)

式中：Sd為作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；Rd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值。

上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件按強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行承載力驗(yàn)算時(shí)，抗力包括正截面受彎承載力設(shè)計(jì)值和斜截面受剪承載力設(shè)計(jì)值。

3.1.2樁基承載力驗(yàn)算

根據(jù)樁基檢測結(jié)果和地質(zhì)資料，按原碼頭的設(shè)計(jì)荷載或經(jīng)使用部門確認(rèn)后的荷載條件對(duì)樁基進(jìn)行承載力驗(yàn)算，結(jié)果須滿足JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》穩(wěn)定性要求[17]。

當(dāng)按承載力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Qd為單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值(kN)；γR為單樁垂直承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.45；U為樁身截面周長(m)；qfi為單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；l為樁身穿過第i層土的長度(m)；qR為單樁極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；A為樁身截面面積(m2)。

3.1.3岸坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

高樁碼頭岸坡穩(wěn)定性的驗(yàn)算可采用圓弧滑動(dòng)法，并應(yīng)遵守JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定。

(3)

式中：γ0為重要性系數(shù)，取1.00；Msd、MRK為作用在危險(xiǎn)圓弧面上的滑動(dòng)力矩設(shè)計(jì)值和抗滑力矩的標(biāo)準(zhǔn)值；γR為抗力分項(xiàng)系數(shù)。

所有計(jì)算中土性參數(shù)采用前期設(shè)計(jì)時(shí)所使用的值。

3.2 單樁極限承載力復(fù)核

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，鑫海碼頭1#～3#、5#泊位的單樁極限承載力均滿足要求，但富余量較小，為設(shè)計(jì)樁力的 1%～2%，樁身拉應(yīng)力已接近極限值。橫梁內(nèi)力設(shè)計(jì)值小于結(jié)構(gòu)抗力值，裂縫開展寬度及抗裂驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)滿足受力要求。

3.3 岸坡穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，鑫海碼頭1#～3#泊位使用期抗力分項(xiàng)系數(shù)γR=1.39，地震期抗力分項(xiàng)系數(shù)γR=1.26，均滿足規(guī)范對(duì)于最小穩(wěn)定抗力分項(xiàng)系數(shù)的要求；5#泊位使用期抗力分項(xiàng)系數(shù)γR=1.60，地震期抗力分項(xiàng)系數(shù)γR=1.44，均滿足規(guī)范要求。碼頭岸坡整體穩(wěn)定。

4 防護(hù)措施

鑫海碼頭5#泊位深槽已位于碼頭前沿，需及時(shí)采取防護(hù)措施，防護(hù)范圍為碼頭前方深槽區(qū)域。由于本河段底沙主要是細(xì)砂，主槽床砂較粗，南岸邊灘以及沿岸夾槽為淤泥質(zhì)細(xì)粉砂。整體河床質(zhì)抗沖刷能力差，導(dǎo)致河床穩(wěn)定性較差，防護(hù)結(jié)構(gòu)需有良好的透水保砂性能。同時(shí)，由于碼頭前沿水域垂線平均最大流速在2.5～3.0 m/s，方案需考慮深水大流速條件下施工可行性及防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。綜合對(duì)比后，選取聯(lián)鎖塊軟體排+拋石的保護(hù)方案，對(duì)河床和深槽邊坡形成防護(hù)，從碼頭前沿開始鋪設(shè)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排(連鎖塊尺度480 mm×480 mm×120 mm)，軟體排上拋100～200 kg塊石壓護(hù)，拋石厚度為2.0 m，防護(hù)區(qū)域?yàn)榇a頭前沿縱向65 m范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)由于長江上游來沙量減少以及白茆沙南北水道流速“南強(qiáng)北弱”態(tài)勢持續(xù)增強(qiáng)，白茆沙南水道整體上以沖刷為主，深水航道南岸近岸沖刷明顯。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，鑫海碼頭1#～3#泊位平均沖深為1 m，5#泊位平均沖深為2 m，需對(duì)碼頭進(jìn)行安全復(fù)核。

2)根據(jù)安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果，鑫海碼頭結(jié)構(gòu)安全性各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求，但樁身拉應(yīng)力已接近極限值，如沖刷深度進(jìn)一步加深，將對(duì)碼頭的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅。

3)為了保護(hù)碼頭安全，需對(duì)該碼頭進(jìn)行沖刷防護(hù)，考慮到水流、地質(zhì)等因素，在碼頭前沿區(qū)域采用了聯(lián)鎖塊軟體排+拋石的方案保護(hù)岸坡，有較好的排水保砂效果。