基于波浪和水流作用的碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與維護(hù)管理探討

吳 楠

（秦皇島港股份有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

碼頭是海洋運(yùn)輸行業(yè)中貨物的重要集散地，隨著現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)的規(guī)模和復(fù)雜程度也在不斷提高。為了保證碼頭的安全運(yùn)營，國內(nèi)外學(xué)者對波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了大量研究。美國的國家海洋和大氣管理局（NOAA）已經(jīng)建立了世界上最完善的海浪預(yù)報系統(tǒng)，荷蘭的迪爾特水利工程研究所對波浪對海堤、碼頭等結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了多種防護(hù)和加固方案。我國海洋工程領(lǐng)域的技術(shù)工作者也進(jìn)行了一系列的研究，如蔡勇[1]對軟土地基下的碼頭建筑設(shè)施進(jìn)行了分析與監(jiān)測；楊哲[2]結(jié)合具體工作實踐，對常見的水運(yùn)工程質(zhì)量問題進(jìn)行匯總；冉望等[3]結(jié)合具體案例，分析了水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施排水施工技術(shù)。這些研究成果為我們深入探究波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響提供了基礎(chǔ)。然而，碼頭的建設(shè)、維護(hù)和管理面臨著許多挑戰(zhàn)，其中包括波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響。因此，深入研究波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響，并探討合理的設(shè)計與有效的維護(hù)管理，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響

1.1 波浪對碼頭結(jié)構(gòu)的影響

1.1.1 波浪的基本特性

波浪是由水在多種自然因素相互作用過程中形成的，其中風(fēng)力是主要因素之一。波浪通常由一系列起伏的水面組成，可以用波長、波高、波速等參數(shù)來描述其特性。不同類型的波浪可以按照其波形、波長、形成原因和傳播方式進(jìn)行分類。

1.1.2 波浪對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理

波浪對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理主要有兩種：波浪的沖擊破壞和振動破壞。

一方面，波浪的沖擊力是造成碼頭結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。當(dāng)波浪沖擊碼頭結(jié)構(gòu)時，會形成壓力和沖擊力，這會導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲和扭曲變形。同時，波浪沖擊還會使碼頭結(jié)構(gòu)表面受到撞擊和剝離，加速結(jié)構(gòu)物表面的磨損和腐蝕。

另一方面，波浪也會通過振動作用于碼頭結(jié)構(gòu)上，引起結(jié)構(gòu)的振動破壞。波浪產(chǎn)生的動力會通過水體傳遞到碼頭結(jié)構(gòu)上，使結(jié)構(gòu)受到振動，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這種振動會使結(jié)構(gòu)受到動態(tài)載荷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力集中，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)的破壞。

因此，波浪對于碼頭結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理是多方面的，需要針對不同的情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

1.2 水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響

1.2.1 水流的基本特性

水流是河流、海洋、湖泊等自然水體的水流動力學(xué)現(xiàn)象。水流的基本特性包括水流速度、流向、流量、涌動和漩渦等，這些特性決定了水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響方式。在考慮水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響時，需要綜合考慮水流的多個因素。綜合考慮水流的速度、流向、流量、涌動、漩渦、水質(zhì)以及碼頭結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式等因素，并采取相應(yīng)的措施加以防范和治理，才能減輕水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響，確保碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

1.2.2 水流對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理

水流對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理主要包括以下幾個方面：

（1）沖刷作用：水流的沖刷作用是指水流對碼頭結(jié)構(gòu)表面材料的沖刷破壞。在水流中，懸浮的泥沙、礫石等顆粒物質(zhì)會因水流的沖擊力量而撞擊到碼頭結(jié)構(gòu)表面，導(dǎo)致表面材料被剝落或損壞，嚴(yán)重時會造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或破壞。沖刷作用的強(qiáng)度主要取決于水流的流速、流向、水流中顆粒物的密度和大小等因素。

（2）擾動作用：水流的擾動作用是指水流對碼頭結(jié)構(gòu)的振動和擺動作用。水流會引起碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向和縱向的振動力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生振動、擺動，甚至產(chǎn)生疲勞破壞。水流的擾動作用強(qiáng)度主要取決于水流速度、流向、水深、水流中顆粒物質(zhì)等因素。

（3）水動力作用：水動力作用是指水流對碼頭結(jié)構(gòu)施加的動壓力，是水流對碼頭結(jié)構(gòu)影響的主要方式。水流的沖擊力和壓力會對碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的作用，特別是在水流急速流動的情況下，壓力和沖擊力更加顯著。水動力作用對碼頭結(jié)構(gòu)的影響程度取決于水流的流速、流向、流量、水深等。

2 基于波浪和水流作用的碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1 設(shè)計原則

對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，不能忽略波浪和水流的作用，要確保碼頭結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，要重視流線型設(shè)計，要充分考慮水動力效應(yīng)，要確保碼頭結(jié)構(gòu)具有可維護(hù)性和可持續(xù)性，要實施系統(tǒng)化設(shè)計。這是基于波浪和水流作用的碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)堅持的原則。

2.1.1 具備抗沖擊能力的設(shè)計原則

由于波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊力較大，因此設(shè)計的碼頭結(jié)構(gòu)必須具有足夠的抗沖擊能力。這可以通過使用抗沖擊性能較好的材料、增加結(jié)構(gòu)的厚度和強(qiáng)度等方式來實現(xiàn)。

2.1.2 重視流線型設(shè)計的原則

在設(shè)計碼頭結(jié)構(gòu)時，應(yīng)在流體力學(xué)原理的指導(dǎo)下，采用流線型設(shè)計，減少水流的阻力和阻尼效應(yīng)，從而減小水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響。流線型設(shè)計可以通過改變碼頭結(jié)構(gòu)的形狀、角度和曲率等方式來實現(xiàn)。

2.1.3 充分考慮水動力效應(yīng)的設(shè)計原則

在設(shè)計過程中，需要充分考慮水動力效應(yīng)對碼頭結(jié)構(gòu)的影響。水動力效應(yīng)包括局部水動力效應(yīng)、全局水動力效應(yīng)、脫離渦效應(yīng)等，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析和設(shè)計。

2.1.4 具有可維護(hù)性和可持續(xù)性的設(shè)計原則

碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮其可維護(hù)性和可持續(xù)性，以便在使用過程中能夠方便維護(hù)和保養(yǎng)，并且具有較長的使用壽命。

2.1.5 實施系統(tǒng)化設(shè)計的原則

在進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，需要系統(tǒng)考慮波浪、水流等因素對碼頭結(jié)構(gòu)的影響，充分考慮各種因素之間的相互作用，從而設(shè)計出一個更加穩(wěn)定、安全和可靠的碼頭結(jié)構(gòu)。

2.2 設(shè)計措施

為了實現(xiàn)波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)破壞程度的最小化，應(yīng)從實際出發(fā)，綜合考慮以下設(shè)計措施。

2.2.1 減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)險系數(shù)

對于受波浪和水流影響較大的碼頭結(jié)構(gòu)，通常會使用結(jié)構(gòu)的風(fēng)險系數(shù)來評估其受到破壞的概率。通過減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)險系數(shù)，可以降低結(jié)構(gòu)受到破壞的概率，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。常用的方法包括增加結(jié)構(gòu)的厚度、增加結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力等。

2.2.2 采用合適的材料

選擇合適的材料是設(shè)計過程中重要的內(nèi)容。對于在海洋環(huán)境中的碼頭結(jié)構(gòu)，通常需要使用高強(qiáng)度、耐腐蝕的材料，如鋼材、混凝土等。在選擇材料時還需要考慮材料的重量和成本等因素。

2.2.3 采用合適的結(jié)構(gòu)形式

對于不同的碼頭結(jié)構(gòu)，需要采用不同的結(jié)構(gòu)形式來適應(yīng)波浪和水流的作用。例如，對于在深水區(qū)的大型碼頭結(jié)構(gòu)，可以采用浮動式或鉆井平臺式結(jié)構(gòu)，這樣可以降低波浪和水流對結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2.4 采用合適的防護(hù)措施

為了減小波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞，常常需要采用一些防護(hù)措施，如堤岸、防波堤等。這些措施可以減小波浪和水流的能量，從而減小其對結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2.5 采用模擬和試驗研究

采用模擬和試驗研究可以對設(shè)計方案進(jìn)行評估和優(yōu)化。例如，采用風(fēng)洞模擬波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響，可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)受力和位移的信息，從而優(yōu)化設(shè)計方案。

2.2.6 進(jìn)行定期維護(hù)和檢查

對于碼頭結(jié)構(gòu)，定期的維護(hù)和檢查可以發(fā)現(xiàn)和修復(fù)結(jié)構(gòu)上的裂縫、腐蝕和磨損等問題，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3 基于波浪和水流作用的碼頭結(jié)構(gòu)維護(hù)管理

3.1 維護(hù)管理的重要性

碼頭結(jié)構(gòu)的維護(hù)與管理對于保障碼頭的安全性和可靠性至關(guān)重要。波浪和水流的不斷作用會導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)的損壞和疲勞，因此維護(hù)和管理是必要的。維護(hù)管理的重要性不僅體現(xiàn)在保障碼頭結(jié)構(gòu)的安全和可靠性上，還可以延長碼頭的使用壽命，提高碼頭的經(jīng)濟(jì)效益。同時，對于大型港口而言，合理的維護(hù)管理還可以降低碼頭的維護(hù)成本，提高碼頭的運(yùn)行效率。因此，碼頭結(jié)構(gòu)的維護(hù)與管理應(yīng)該得到足夠的重視。

3.2 維護(hù)管理的內(nèi)容

具體而言，對于波浪作用下的碼頭結(jié)構(gòu)，需要定期檢查碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性，并進(jìn)行修繕和加固。對于水流作用下的碼頭結(jié)構(gòu)，需要注意水流對碼頭結(jié)構(gòu)的沖擊力和振動幅度，定期檢查碼頭結(jié)構(gòu)的承載能力和連接部位的穩(wěn)定性，并進(jìn)行維修和更換。

3.3 維護(hù)管理的流程

維護(hù)的具體流程為：首先需要對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢測和評估，包括測量結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸、檢測表面裂紋和腐蝕情況、評估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力等，以確定需要進(jìn)行的維護(hù)工作。然后對于表面的龜裂和腐蝕問題，需要進(jìn)行清理和處理。包括去除表面的污垢和腐蝕物，進(jìn)行刷漆和噴涂等防腐處理，以保護(hù)結(jié)構(gòu)的表面和延長其使用壽命。

再次，對于已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫或者損壞的結(jié)構(gòu)部分，需要進(jìn)行加固和修復(fù)。包括使用鋼板或者混凝土加固，進(jìn)行補(bǔ)丁和堵漏等維護(hù)和修復(fù)工作。維護(hù)和修復(fù)工作完成后，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和評估，以確保其穩(wěn)定性和承載能力，及時發(fā)現(xiàn)和處理新的問題，避免出現(xiàn)安全事故。

3.4 維護(hù)管理的方法

（1）選用耐腐蝕材料：進(jìn)行維護(hù)管理的加固和修復(fù)過程中，需要選用耐腐蝕材料，如不銹鋼、鍍鋅鋼板等，以減少受到海水腐蝕的影響。

（2）加強(qiáng)防護(hù)措施：對于海洋環(huán)境下的碼頭結(jié)構(gòu)，需要加強(qiáng)防護(hù)措施，如使用抗海水腐蝕涂料、增加結(jié)構(gòu)的厚度和強(qiáng)度等，以提高其抵御海洋破壞的能力。

（3）定期維護(hù)和檢測：為了保證碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力，需要定期進(jìn)行維護(hù)和檢測工作，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，避免出現(xiàn)安全事故。

（4）應(yīng)急措施：針對突發(fā)事件，如強(qiáng)風(fēng)暴、大浪等，需要建立應(yīng)急預(yù)案，及時采取措施，防止碼頭結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞。應(yīng)急措施包括加強(qiáng)監(jiān)測、增加固定設(shè)備、加固碼頭結(jié)構(gòu)等。

4 結(jié)束語

綜上所述，結(jié)論如下：

（1）波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞具有重要影響；

（2）波浪對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理主要有波浪壓力、波浪振動、波浪沖刷等，水流對碼頭結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理主要有水流沖刷、水流侵蝕等；

（3）進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，應(yīng)考慮防波堤的高度、傾斜角度、寬度等因素，減小波浪和水流的影響；

（4）開展碼頭結(jié)構(gòu)的維護(hù)管理時，應(yīng)定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時修復(fù)和加固受損部位，對防波堤進(jìn)行涂裝處理，以保障碼頭結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

總之，面對波浪和水流對碼頭結(jié)構(gòu)的影響，開展針對性設(shè)計和維護(hù)管理研究具有重要的理論和實踐意義。