李鵬飛 彭華君 陳 宇(重慶交通大學(xué)，重慶400074)

1 引 言

我國西南部地區(qū)河流眾多，但因水位落差大，流速急，長期以來水運(yùn)建設(shè)相對落后。對于這些大水位差港口，考慮到其地質(zhì)、地形、水文、投資等條件的限制，大多采用了傳統(tǒng)的斜坡式碼頭[1]。近年來國家大力推進(jìn)西部大開發(fā)戰(zhàn)略，西部內(nèi)河港口發(fā)展迅速，貨運(yùn)量迅猛發(fā)展，港口吞吐量也隨之不斷增長，研究開發(fā)適合于西部內(nèi)河港口大水位差條件下的集裝箱碼頭具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是推進(jìn)西部內(nèi)河港口建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。為此，眾多學(xué)者在充分研究傳統(tǒng)碼頭結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上提出了內(nèi)河架空直立式碼頭。與傳統(tǒng)斜坡碼頭相比，內(nèi)河架空直立式碼頭能適應(yīng)庫區(qū)的大水位變幅并且采用更為先進(jìn)的裝卸工藝，裝卸效率高，吞吐量大[2]。目前，內(nèi)河架空直立式碼頭已經(jīng)逐漸運(yùn)用到庫區(qū)碼頭的建設(shè)中，對庫區(qū)的航運(yùn)發(fā)展扮演起越來越重要的角色。

2 結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)用現(xiàn)狀

2.1 結(jié)構(gòu)形式

山區(qū)河流水位落差大，流速急，碼頭受力復(fù)雜，尤其在船舶系靠方面面臨更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)，傳統(tǒng)的內(nèi)河碼頭結(jié)構(gòu)形式在安全性和裝卸效率上都跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，在此背景下內(nèi)河架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，其典型斷面圖如圖1所示。在結(jié)構(gòu)形式上，內(nèi)河架空直立式碼頭有以下特點(diǎn)。

1）多層系纜

內(nèi)河架空直立式碼頭與沿海的高樁碼頭具有一定的相似性，但沿海的高樁碼頭一般只有一至兩層系纜，而內(nèi)河山區(qū)碼頭處在變動(dòng)回水區(qū)，水位變幅大，所以碼頭結(jié)構(gòu)高度大，并設(shè)置分層系纜以滿足不同水位下船舶的?？亢拖挡?。

2)空間特征鮮明

相比沿海高樁碼頭的梁板結(jié)構(gòu)，架空直立式碼頭樁柱間采用縱、橫撐聯(lián)系，形成整體框架。當(dāng)船舶撞擊力作用在各不同位置時(shí)碼頭結(jié)構(gòu)受力空間特性鮮明，并且由于這種空間特性，使結(jié)構(gòu)的受力更為均勻。

圖1 內(nèi)河架空直立式碼頭典型斷面圖

3)全直嵌巖灌注樁

由于長江中上游地區(qū)尤其在重慶，地基覆蓋層較薄，上部荷載較大， 因而架空直立式碼頭一般采用鉆孔( 或挖孔) 嵌巖灌注樁作為碼頭基礎(chǔ)。除此，由于地基巖體強(qiáng)度較高，在施工時(shí)很難像沿海地區(qū)一樣設(shè)置斜樁，所以內(nèi)河架空直立式碼頭基礎(chǔ)采用全直樁設(shè)計(jì)[3]。碼頭的橫向荷載通過縱橫連系梁傳遞到直樁上。

2.2 目前庫區(qū)主要架空直立式碼頭

2006年1月，重慶寸灘港開港，標(biāo)志著內(nèi)河架空直立式碼頭正式運(yùn)用在長江上游流域。當(dāng)前，除了寸灘港以外，還有果園、萬州江南、涪陵黃旗等集裝箱碼頭均采用了架空直立式結(jié)構(gòu)。

1）寸灘

位于重慶朝天門下游六公里處，分三期建成，總投資50億元。目前寸灘港的集裝箱吞吐能力已達(dá)到100萬標(biāo)箱，三期建成后，集裝箱吞吐能力可達(dá)到140萬標(biāo)箱。

2）果園

位于重慶朝天門下游30公里處，規(guī)劃建設(shè)5000噸級泊位16個(gè)，其中10個(gè)多用途泊位，設(shè)計(jì)年吞吐量200萬標(biāo)箱。

3）萬州江南

位于重慶市萬州區(qū)，建成后年吞吐量40萬標(biāo)箱，總投資約10億元，建設(shè)3000噸級泊位4個(gè)。現(xiàn)已完成一期工程，集裝箱年吞吐量20萬標(biāo)箱，工程投資約5.5億元。

4）涪陵黃旗

黃旗集裝箱碼頭是重慶建設(shè)長江上游航運(yùn)中心的重點(diǎn)項(xiàng)目，位于重慶市涪陵區(qū)。它是重慶主城、萬州、涪陵三大樞紐型港區(qū)的重要碼頭，設(shè)計(jì)年吞吐能力為40萬標(biāo)箱，工程總投資6.5億元。

架空直立式碼頭對庫區(qū)集裝箱的貨運(yùn)的適用性與高效性已經(jīng)得到了充分的證明，特別是寸灘、果園兩港作為重慶“三基地四港區(qū)”中的集裝箱碼頭，已經(jīng)在西部航運(yùn)物流中轉(zhuǎn)發(fā)揮了重要作用。

3 發(fā)展趨勢

成庫后，碼頭施工水位提高（見表1），庫區(qū)枯水期不再存在，取而代之的將是長時(shí)間水庫特性的深水期（頭年11月—次年4月）和天然山區(qū)河流特性的的洪水期（7—9月，可能出現(xiàn)超過20m以上的大水位差）。庫區(qū)常年回水區(qū)的碼頭建設(shè)都面臨深水問題，部分系靠船設(shè)施將在水下施工，因此在施工水位以下采用鋼結(jié)構(gòu)縱橫撐。但位于水位變動(dòng)區(qū)的構(gòu)件，其耐久性和防腐要求高，水下施工工程量太大，利用三峽蓄水后的消落期搶水位施工，工期短、強(qiáng)度大，代價(jià)高。

為了解決上述問題，王多銀等人提出了“粗樁大跨”的結(jié)構(gòu)理念。排架間距變大，增加了碼頭結(jié)構(gòu)的跨度，減少了部分聯(lián)系撐，使碼頭結(jié)構(gòu)更為簡單，受力更為明確。這種結(jié)構(gòu)理念在實(shí)際工程中已得到較好的應(yīng)用。以寸灘及果園港為例，表2為其各期結(jié)構(gòu)尺寸的比較。由于施工水位抬高，成庫后樁基施工時(shí)需要搭設(shè)鋼護(hù)筒作為保護(hù)措施，如圖2為施工水位抬高后碼頭結(jié)構(gòu)形式的變化。碼頭結(jié)構(gòu)排架間距增大相應(yīng)樁基的數(shù)量減少，降低了工程難度，減少了工程量以及工程造價(jià)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

表1 重慶港架空直立式碼頭施工水位比較

表2 重慶港主要集裝箱碼頭各期工程比較

4 現(xiàn)階段的問題與不足

4.1 參考規(guī)范和依據(jù)的不足

目前在進(jìn)行內(nèi)河架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)主要是參照高樁碼頭的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，但此類碼頭結(jié)構(gòu)高度大（＞40m），系纜層數(shù)多，構(gòu)件復(fù)雜，尺寸大（樁基直徑1.5m-3.0m）且采用全直樁，結(jié)構(gòu)形式，受力情況與沿海高樁碼頭有較大差異；而且內(nèi)河與沿海的地質(zhì)情況、水文環(huán)境均有很大的不同；內(nèi)河架空直立式碼頭采用框架結(jié)構(gòu)，但與普通的框架結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)尺寸較大，受力更為復(fù)雜，工況繁多。設(shè)計(jì)計(jì)算中存在主觀和盲目成分，一般只有保守的進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，導(dǎo)致工程造價(jià)增大而且存在安全隱患。

圖2 排架間距增大后架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算理論有待完善

國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對內(nèi)河架空直立式碼頭的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特性、荷載組合、受力系數(shù)分配方面有了一定的研究[4-6]。但架空直立式碼頭作為一種新興結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)的數(shù)值分析與模型試驗(yàn)相對來說較少，各種規(guī)律特性沒有總結(jié)成型。合理的結(jié)構(gòu)形式不但要弄清楚各構(gòu)件實(shí)際的受力和變形規(guī)律，同時(shí)應(yīng)綜合考慮整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的受力變形協(xié)調(diào)關(guān)系，提出基于荷載分擔(dān)的碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)尤為重要。雖然目前提出了“粗樁大跨”的發(fā)展方向，但沒有完善的理論依據(jù)。完善內(nèi)河架空直立式碼頭技術(shù)的最終方法，需要進(jìn)一步的研究探討。

5 發(fā)展與展望

當(dāng)前，內(nèi)河架空直立式碼頭能有效的改善庫區(qū)貨運(yùn)條件，但是在設(shè)計(jì)與施工中仍存在不足，有必要進(jìn)行深入研究，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)。筆者在翻閱大量文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出以下兩點(diǎn)改進(jìn)建議：

5.1 進(jìn)一步深入樁基部分的力學(xué)研究

樁基搭設(shè)鋼護(hù)筒是作為施工成樁時(shí)的保護(hù)措施。內(nèi)河架空碼頭的鋼護(hù)筒樁長長，樁徑大，相應(yīng)的結(jié)合面面積大， 鋼護(hù)筒和樁之間層間會(huì)產(chǎn)生不可忽略的界面強(qiáng)度，并和碼頭結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)作用在碼頭上的荷載。針對三峽蓄水后，施工水位抬升，庫區(qū)新修架空直立式碼頭工程中均運(yùn)用了鋼護(hù)筒，但在理論和設(shè)計(jì)計(jì)算中并沒有考慮鋼護(hù)筒與混凝土樁的相互作用力這一情況，可開展深入研究，把鋼護(hù)筒與樁的界面強(qiáng)度引入到碼頭受力的理論分析和實(shí)際工程建設(shè)中，使結(jié)構(gòu)受力更加明確，實(shí)際設(shè)計(jì)施工更加可靠。

5.2 推廣預(yù)應(yīng)力技術(shù)在內(nèi)河架空直立式碼頭中的應(yīng)用

隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在碼頭結(jié)構(gòu)中的逐步應(yīng)用和推廣，排架結(jié)構(gòu)向纖細(xì)化、大跨度方向發(fā)展[2]。由于預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以有效提高構(gòu)件剛度、減輕結(jié)構(gòu)自重， 在碼頭結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景。針對直立框架式碼頭結(jié)構(gòu)及受荷特點(diǎn)，在主要受力構(gòu)件中實(shí)施預(yù)應(yīng)力可以有效地增大排架間距，相應(yīng)減少了基樁及構(gòu)件數(shù)量。但大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)同時(shí)會(huì)導(dǎo)致施工難度增加，而且往往需要加大基樁和立柱的直徑，甚至采用樁簇及柱簇才能滿足承載力要求，碼頭面板也需要采用剛度更大的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)梁。當(dāng)前，預(yù)應(yīng)力技術(shù)已在沿海高樁碼頭中廣泛運(yùn)用，可借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用到內(nèi)河架空直立式碼頭的設(shè)計(jì)施工中。

6 結(jié) 語

內(nèi)河架空直立式碼頭作為一種較為新型的結(jié)構(gòu)形式已充分表現(xiàn)出適應(yīng)庫區(qū)流域的特點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于上游內(nèi)河碼頭的設(shè)計(jì)建造中。隨著小南海水電站的破土動(dòng)工，朱楊溪水利樞紐的建設(shè)提上議程，加之上游的梯級航道正在成型，國家對內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展日益重視，內(nèi)河架空直立式碼頭的應(yīng)用前景愈加廣泛。

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