陳秀瑛，范平易

（南京水利科學(xué)研究院 勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江蘇南京 210029）

1 簡(jiǎn)述

港口工程老化是指港口工程隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，受自身特性、運(yùn)行環(huán)境、荷載條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響，發(fā)生工程材料老化、結(jié)構(gòu)損傷或功能下降等，從而引起的工程安全性下降或功能性退化的過(guò)程。在老化由量變到質(zhì)變的過(guò)程中，可逐步發(fā)展為工程的病害或破壞?；诠こ踢\(yùn)用要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的變化，在沒(méi)有明顯老化病害跡象的情況下，也可出現(xiàn)工程的功能性與安全性不滿足要求的情況[1]。港口工程老化病害機(jī)理以及老化病害狀況與程度的認(rèn)識(shí)評(píng)估，除依靠檢查觀測(cè)的數(shù)據(jù)外，更多的是采用相關(guān)的工程檢測(cè)評(píng)估技術(shù)，以相關(guān)指標(biāo)與評(píng)估方法，綜合評(píng)估認(rèn)定工程的老化病害狀況，查找工程老化病害問(wèn)題，尋求處理方案[2]。

本文通過(guò)分析港口工程老化病害的階段性特征和老化病害的演變關(guān)系，總結(jié)了港口工程老化病害的規(guī)律，可以為加強(qiáng)對(duì)港口工程進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)行管理，指導(dǎo)工程開(kāi)展合理的維修養(yǎng)護(hù)、適時(shí)進(jìn)行加固和改造等提供參考。

2 港口工程使用壽命與階段性特征

2.1 港口工程使用壽命過(guò)程

工程界認(rèn)為，港口工程的設(shè)計(jì)使用壽命一般為50年，盡管早期建設(shè)的一些港口工程的實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于50年，但這并不能改變對(duì)工程使用壽命的基本看法。國(guó)內(nèi)港口工程的設(shè)計(jì)使用壽命通常確定為50年，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限通常為30年，到了運(yùn)用后期工程或設(shè)備會(huì)逐漸老化，并隨時(shí)間的增加老化程度加劇，需要投入的維護(hù)加固經(jīng)費(fèi)加大，則工程運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性也隨之下降。

從工程老化研究與工程管理實(shí)踐看，可以根據(jù)工程的結(jié)構(gòu)、抗震、航道、設(shè)施等安全狀況，基于工程老化特性將港口工程劃分為常態(tài)工程、老化工程、病態(tài)工程、險(xiǎn)態(tài)工程等4種基本性態(tài)。常態(tài)工程和老化工程一般指結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)行功能、通航條件等滿足要求，可以按設(shè)計(jì)條件常態(tài)運(yùn)用的港口工程；病態(tài)工程一般指通航條件、結(jié)構(gòu)安全或運(yùn)行功能存在不足，需要有條件的運(yùn)行方可保證安全的港口工程；險(xiǎn)態(tài)工程一般指通航條件、結(jié)構(gòu)安全或運(yùn)行功能不滿足要求，不采取工程措施就不能保證安全運(yùn)用的港口工程。

有學(xué)者對(duì)大壩老化與大壩年齡進(jìn)行了概化[3]，將工程壽命周期內(nèi)的變化過(guò)程劃分為適應(yīng)期、穩(wěn)定期和老化期三個(gè)階段。借助這一概念，根據(jù)本文對(duì)港口工程老化的定義，受自然和人為的種種因素影響，工程自投入運(yùn)行起就進(jìn)入老化過(guò)程，發(fā)生或存在老化變化，隨著老化的加劇，工程安全性態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)工程特性綜合指標(biāo)下降，導(dǎo)致工程的技術(shù)可維護(hù)性下降，同時(shí)工程經(jīng)濟(jì)保障需求逐步增大，港口工程壽命過(guò)程中的這種性能、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 港口工程使用壽命過(guò)程圖

2.2 使用過(guò)程中的階段性老化病害特征

本文以老化為基礎(chǔ)將工程使用階段進(jìn)一步分為潛在老化、初步老化、典型老化和嚴(yán)重老化4個(gè)階段，這4個(gè)階段的主要特征為：

1） 潛在老化階段：即適應(yīng)期，隨著工程建成投入運(yùn)行，各種運(yùn)行荷載的加入，工程性態(tài)發(fā)生調(diào)整以適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)條件；這時(shí)的工程老化是初期的、輕微的，或是潛在的、無(wú)跡象的，工程老化程度難以衡量或無(wú)衡量必要，老化特征一般為“未見(jiàn)老化”。工程基本性態(tài)正常，一般不需要技術(shù)性維護(hù)，基本無(wú)工程維護(hù)的經(jīng)濟(jì)保障需求。運(yùn)行中主要防止設(shè)計(jì)、施工缺陷帶來(lái)的隱患與安全問(wèn)題，注重運(yùn)行初期的運(yùn)行控制和檢查監(jiān)測(cè)以保障工程安全。

2） 初步老化階段：即穩(wěn)定期，工程通過(guò)初期運(yùn)行的檢驗(yàn)和調(diào)整，進(jìn)入正常運(yùn)行使用狀態(tài)，這是港口工程的最優(yōu)運(yùn)行時(shí)期。工程開(kāi)始老化，可能形成初步的老化跡象，老化特征一般為“輕度老化”。工程性態(tài)總體上正常，穩(wěn)定運(yùn)行后期可能產(chǎn)生初步的病害，需要正常性維修養(yǎng)護(hù)，后期也可能需要局部性加固處理，經(jīng)濟(jì)保障需求穩(wěn)定并在后期有所增加。運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)運(yùn)行管理和檢查監(jiān)測(cè)，做好應(yīng)急預(yù)案。

3） 典型老化階段：即老化期，工程經(jīng)歷了穩(wěn)定運(yùn)行期并發(fā)揮了大量效益后，進(jìn)入典型老化階段。工程老化明顯，老化現(xiàn)象逐步增加與發(fā)展，維護(hù)不足可能積累成為工程病害，老化特征一般為“中度老化”，后期可能發(fā)展為嚴(yán)重老化。性態(tài)總體上屬于病態(tài)工程，后期可能進(jìn)入險(xiǎn)態(tài)工程性態(tài)，除維修養(yǎng)護(hù)外，技術(shù)性維護(hù)增加或需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固，經(jīng)濟(jì)保障需求顯著增大。運(yùn)行中除科學(xué)運(yùn)用、檢查監(jiān)測(cè)、維修養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急預(yù)案等各項(xiàng)安全措施外，除險(xiǎn)加固、更新改造也成為可能。

4） 嚴(yán)重老化階段：即報(bào)廢期，工程超過(guò)使用壽命后期，依賴反復(fù)多次的加固以延長(zhǎng)使用壽命，工程進(jìn)入嚴(yán)重老化階段。工程老化病害嚴(yán)重，工程性態(tài)總體上屬于險(xiǎn)態(tài)工程，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固或更新改造以保障工程安全，技術(shù)性維護(hù)難度不斷增加，經(jīng)濟(jì)保障需求持續(xù)性增大。當(dāng)總體上工程性態(tài)不良，技術(shù)維護(hù)與經(jīng)濟(jì)保障的綜合合理性失去平衡，則有必要考慮工程的報(bào)廢與重建。

3 港口工程老化病害的演變

港口工程的老化病害關(guān)系可以表述為“老化—病害—險(xiǎn)情—事故”的工程老化鏈，其相互作用為：老化的發(fā)展可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴『?，病害的積累可以觸發(fā)險(xiǎn)情，險(xiǎn)情的失控可以導(dǎo)致事故。采取維修養(yǎng)護(hù)、除險(xiǎn)加固、更新改造等工程措施與控制運(yùn)用、降等報(bào)廢、應(yīng)急預(yù)案等非工程措施可以對(duì)結(jié)構(gòu)老化鏈進(jìn)行干預(yù)。干預(yù)的結(jié)果可以是遲緩老化鏈的發(fā)展進(jìn)程，也可以打破老化鏈而使性態(tài)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

圖2 港口工程性態(tài)轉(zhuǎn)換模型

工程性態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)化，隨著工程運(yùn)行、時(shí)間作用等影響，工程可能發(fā)生老化病變，從而導(dǎo)致性態(tài)變化。根據(jù)港口工程老化規(guī)律建立的工程性態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)圖2。工程性態(tài)轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律為：常態(tài)工程隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)逐漸老化而變化為老化工程，在洪水、地震、航道變化、管理不善、經(jīng)濟(jì)社會(huì)要求提高、時(shí)間等作用下可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為病態(tài)工程，若采取科學(xué)合理的工程與非工程措施加以處理、控制，病態(tài)工程可以逆轉(zhuǎn)為常態(tài)工程或相當(dāng)于老化工程。否則，若任其病態(tài)發(fā)展，病害積累和多病疊加，積病成險(xiǎn)，可使病害惡化為險(xiǎn)情，病態(tài)工程進(jìn)而發(fā)展為險(xiǎn)態(tài)工程，此時(shí)，采取措施仍可以使工程性態(tài)發(fā)生向好的方向逆轉(zhuǎn)，有限、適度的措施可以改善港口工程安全性態(tài)，徹底、有效的措施可以使險(xiǎn)態(tài)工程直接轉(zhuǎn)化為常態(tài)工程。否則，險(xiǎn)態(tài)工程得不到及時(shí)、有效控制，可以進(jìn)而惡變?yōu)楣こ淌鹿驶蚬こ唐茐?；或根?jù)工程老化病害程度和功能效益衰減，在工程老化非常嚴(yán)重，修復(fù)的投入產(chǎn)出技術(shù)經(jīng)濟(jì)不合理時(shí)，采取降等報(bào)廢措施也是處置險(xiǎn)態(tài)工程的重要手段。

對(duì)于基于老化的工程性態(tài)轉(zhuǎn)換，也可用工程性質(zhì)指數(shù)的變化值及變化率表示。若以b（t1）、b（t2）分別表示工程運(yùn)行過(guò)程中t1、t2時(shí)的工程性態(tài)指數(shù)，則工程性質(zhì)指數(shù)的變化值及變化率可表示為：

式中：b（t1）、b（t2）表示對(duì)應(yīng)于 t1、t2時(shí)的工程性態(tài)指數(shù)變化值；Δb（t）表示對(duì)應(yīng)于t1、t2時(shí)的工程性態(tài)指數(shù)變化率。

4 港口工程老化病害的規(guī)律

4.1 老化病害的可積累性

工程老化病害具有隨時(shí)間作用而加劇的性質(zhì)，在一定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與工程質(zhì)量基礎(chǔ)上，受材料老化、結(jié)構(gòu)破損和條件變化等影響，工程老化的進(jìn)程是自然的、不可避免的，隨著工程運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，老化會(huì)產(chǎn)生量變的積累，若不及時(shí)采取控制與補(bǔ)救措施，老化演變?yōu)椴『?，病害而?dǎo)致險(xiǎn)情。即工程老化若得不到及時(shí)的維護(hù)處理，延誤而使老化加劇，進(jìn)而演變?yōu)椴『Γ^小病不醫(yī)釀成大病。病害得不到及時(shí)除險(xiǎn)加固處理，延誤而使病害惡化，引發(fā)事故，所謂大病不治釀成大禍。

4.2 老化病害的可疊加性

工程老化病害具有多重作用疊加的性質(zhì)，多種老化成因作用的結(jié)果可以使港口工程老化病害產(chǎn)生疊加效應(yīng)，可以使老化病害產(chǎn)生伴生和催生作用。此時(shí)，工程老化度指標(biāo)不是多種影響結(jié)果的均值，也不是其中單一指標(biāo)的最大值，其復(fù)合作用的結(jié)果是被加強(qiáng)。不同病害疊加的加劇現(xiàn)象，在港口工程的老化現(xiàn)象中很常見(jiàn)，如混凝土碳化、結(jié)構(gòu)裂縫與破損、航道淤積或基礎(chǔ)沖刷、設(shè)備老化等，復(fù)合老化病害的結(jié)果對(duì)工程安全與運(yùn)用的影響更大，處理起來(lái)也更為復(fù)雜。

4.3 老化病害的可發(fā)現(xiàn)性

港口工程的老化病害具有顯著的征兆和跡象，完全可以通過(guò)檢查、監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)而做到早期預(yù)警，實(shí)踐還證明多數(shù)的由病害引發(fā)的工程事故是有前兆的、可被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的。工程研究與實(shí)踐表明，對(duì)港口工程老化險(xiǎn)情或事故征兆的早期發(fā)現(xiàn)，有利于進(jìn)行及時(shí)的工程處理或搶險(xiǎn)處置；即使事故不可避免，及時(shí)發(fā)現(xiàn)也為人員撤退和轉(zhuǎn)移贏得時(shí)間，大大降低事故造成的危害和損失。

4.4 工程病害的可預(yù)防性

工程病害具有可預(yù)防的性質(zhì)，港口工程病害的預(yù)防規(guī)則為規(guī)范的工程建設(shè)、合理的運(yùn)行使用、正常的維修養(yǎng)護(hù)和必要的除險(xiǎn)加固。工程的老化在所難免，但工程的病害則是可以防治的，通過(guò)科學(xué)的工程管理，特別是正常性的維修養(yǎng)護(hù)以及必要的更新改造，可以有效地減緩或阻滯港口工程的老化進(jìn)程，從而達(dá)到延遲病害發(fā)生時(shí)間、減少病害種類(lèi)、減輕病害程度、有效延長(zhǎng)工程使用年限的目的。

4.5 工程性態(tài)的可修復(fù)性[4]

老化病害引起的工程性態(tài)的變化具有基本可修復(fù)的性質(zhì)，工程技術(shù)效果顯示，采取科學(xué)合理的工程措施對(duì)港口工程老化鏈實(shí)施干預(yù)，可以阻止老化病害發(fā)展，或逆轉(zhuǎn)改善工程安全性態(tài)。維修養(yǎng)護(hù)即是工程老化的控制性干預(yù)措施之一，除險(xiǎn)加固則是重要的病害補(bǔ)救性干預(yù)措施，工程實(shí)踐證明，采取適當(dāng)?shù)墓こ汤匣『Ω深A(yù)性措施是有效的，更是必要的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析港口工程老化病害的階段性特征和老化病害的演變關(guān)系，總結(jié)了港口工程老化病害的規(guī)律，得出了如下結(jié)論：

1） 港口工程的老化與病害演變有其自然的、客觀的發(fā)展規(guī)律，工程病害具有延誤加劇、疊加積累、可預(yù)防、可發(fā)現(xiàn)、可修復(fù)等特性，但采取科學(xué)合理的維修養(yǎng)護(hù)、更新改造等干預(yù)措施可以減緩和阻滯、控制和逆轉(zhuǎn)工程性態(tài)的危害性變化。

2） 港口工程的老化和性態(tài)演變以自然和客觀為主，人為失當(dāng)也可加速或跨越其進(jìn)程，在經(jīng)歷了一定的運(yùn)行期后，工程的更新改造成為一種必然的需求，也是符合工程科學(xué)規(guī)律的。但經(jīng)歷過(guò)多次更新改造而病害和安全問(wèn)題仍很突出，加固需求持續(xù)性增加，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性考慮，工程的報(bào)廢或重建可能成為一種合理的選擇。

3） 根據(jù)工程老化病害規(guī)律，建議進(jìn)一步加強(qiáng)港口工程的運(yùn)行維護(hù)與更新改造管理，加強(qiáng)相關(guān)法規(guī)制度建設(shè)，制定必要的老化病害檢測(cè)、評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推行港口工程管理的規(guī)范化、法制化、現(xiàn)代化建設(shè)，進(jìn)一步提高港口工程安全運(yùn)行與綜合管理水平，更好地為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

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