成小飛，王承強，江 浩，李天宇

(1.江蘇海洋大學 土木與港海工程學院，連云港 222005；2.南京水利科學研究院，南京 210029；3.福建省交通科研院有限公司，福州 350000)

港口碼頭一直是水運交通不可或缺的命脈，近幾年，港口碼頭建設也逐步向大型化、專業(yè)化和信息化方向發(fā)展，而一些使用年代較久的老舊碼頭因設施老化嚴重，泊位靠泊能力有限，已經漸漸不能滿足現(xiàn)有大型船舶的?？?。因此，開展老舊碼頭的檢測評估及后續(xù)的維修升級改造成為關注的重點。福建省作為東部沿海城市，現(xiàn)有福州港、湄洲灣港、泉州港及廈門港四大港區(qū)，碼頭數(shù)量400多座，碼頭建設結構型式主要為高樁梁板結構及重力式沉箱結構，很多碼頭建設年代久遠，又常年受海水侵蝕、臺風等自然條件影響，碼頭老化現(xiàn)象越發(fā)明顯，而且有些碼頭已經達到其使用壽命，存在著較嚴重的安全隱患，碼頭管理者也逐漸關注碼頭在使用過程中是否安全，使用壽命還有多久，是否可以通過維修技改來提升?？康拇皣嵨坏鹊?。因此，考慮建立港口碼頭老化評價體系，較科學地評價碼頭老化的程度，從而采取相應的維修升級改造措施來緩減碼頭的老化，防止安全事故發(fā)生，避免造成不必要的經濟損失和社會負面影響，其意義十分重大。

關于水工建筑物老化方面的研究，國內外很多學者已做了一些研究工作，比如徐云修等[1]對老化病害混凝土水工建筑物耐久性評估方法和耐久性分級標準進行了深入研究,并根據(jù)層次分析法原理, 建立了老化病害混凝土水工建筑物耐久性多層次綜合評估模型；劉華鑫[2]對水利工程方面水工建筑物的老化問題開展了研究分析并提出了改善方法；婁樹紅[3]以韶山灌區(qū)工程為例，在觀測調查的基礎上，對病害老化情況進行了分析，依據(jù)老化指標的量化，明確了處理原則；陶佳亮[4]通過對臨港鎮(zhèn)朱田塢小型水庫老化現(xiàn)象進行實地調查，并現(xiàn)場測試了部分水利工程，以此為依據(jù)，提出了水工建筑物工程老化評價指標體系需結合建筑物的功能性進行分析，采用系統(tǒng)分析的原理與層次分析方法建立起來；馮鐵賓[5]研究了水利工程水工建筑物老化的常見現(xiàn)象，分析了水工建筑物老化及其進程，定性研究了水工建筑物老化評價方法，提出了老化度的概念；聶瑞林等[6]針對水利工程設施老化評價確定了評價指標體系,以壽命指標組、運轉狀況指標組、建筑物安全穩(wěn)定指標組和水利因素指標組作為基本評價指標進行老化評價；李天科等[7]從土石壩各個結構體分析，建立了評價模型，進行評估分級，綜合評價土石壩老化程度。以上研究工作還主要集中在水利工程水工建筑物的老化評價方面，關于港口航道與海岸工程老化評價體系的研究，目前國內外還研究較少，鄧良愛等[8]為尋求更有效的航道整治工程沙枕防老化措施，分析了現(xiàn)有航道整治工程中沙枕防老化措施的類型及存在的局限性，并提出了較優(yōu)的防老化措施；陳秀瑛[9]結合自身從事港口碼頭設計、加固等工作經驗，著重分析了港口碼頭產生老化的基本特征、機理和演變規(guī)律，并提出了老化度評價模型，該模型主要是基于混凝土老化等8個大項指標，而對碼頭定期檢查、測量及檢測與評估等涉及的具體指標分析較少。

本文結合近幾年從事碼頭檢測與評估的經驗，分析碼頭老化的常見因素；結合碼頭定期檢查、測量、檢測與評估等具體數(shù)據(jù)，提出港口碼頭老化的評價指標，建立較全面的、系統(tǒng)的港口碼頭老化評價體系，并以福建福清市沿海某散雜貨碼頭工程老化評價為例，來驗證該評價體系的科學性。

1 碼頭老化因素分析

碼頭老化是指碼頭工程隨著運營時間的推移，受自身特性、運營環(huán)境、荷載條件、技術經濟發(fā)展等因素影響，發(fā)生工程材料老化、結構損傷或功能下降等，從而引起的工程安全性下降或功能性退化的過程。碼頭老化伴隨于碼頭運營的整個過程。結合近幾年從事碼頭檢測與評估的經驗，分析了碼頭老化的常見因素。

(1)材料老化。碼頭結構主要由鋼筋混凝土結構、鋼結構及其他附屬設施材料組成。其中鋼筋混凝土結構由鋼筋、水泥、骨料、摻合料等材料組成，這些材料在長時間的外界物理及化學作用下，其自身性能會下降，鋼結構在外界環(huán)境中會出現(xiàn)銹蝕劣化現(xiàn)象，這些內部材料的功能下降會導致結構構件出現(xiàn)裂縫、破損、變形變位等老化現(xiàn)象。

(2)自然因素。因碼頭建設于沿海、內河港口區(qū)域，其常年受波浪、水流、潮汐、溫度、濕度、風力、冰凍等多種自然因素影響，隨著時間的推移，碼頭結構耐久性會降低，部分結構會出現(xiàn)破損、裂縫等現(xiàn)象。

(3)人為因素。碼頭前期設計、施工、檢測、監(jiān)理、質量驗收等碼頭建設全過程中，因人員技術薄弱，缺乏合理科學性，碼頭運營期人為管理運用不合理，維護加固不及時以及人為的破壞，都加速了碼頭老化速度。此外，因設計考慮不周、選址不當、管理不善等出現(xiàn)航道或碼頭前沿停泊水域沖淤變化，淤積輕則影響碼頭正常?？?，重則可導致碼頭停運報廢，沖刷會引起碼頭基床或岸坡局部掏空導致基礎失穩(wěn)，直接影響碼頭結構安全性。

2 碼頭老化評價指標

本文主要根據(jù)碼頭老化的成因、碼頭結構的不同部位，結合第三方檢測機構開展的檢測與評估數(shù)據(jù)，建立港口碼頭老化評價體系。港口碼頭老化程度采用老化度來表示，工程實踐中采用定期檢查、檢測與評估的方式，結合其定期檢查、測量、檢測與評估結果，通過碼頭老化評價體系的分析，對照老化等級評價標準來綜合評價港口碼頭老化度。

根據(jù)碼頭老化成因及檢測評估數(shù)據(jù)，建立港口碼頭老化評價指標如圖1所示。根據(jù)碼頭的老化成因及港口碼頭檢測與評估內容，港口碼頭老化度(LHD)評價由碼頭整體穩(wěn)定性、外觀破損等11個分項評價指標(B)和碼頭沉降、位移等34個細項評價指標(C)組成。

圖1 港口碼頭老化度評價指標Fig.1 Aging evaluation index of wharves

2.1 整體穩(wěn)定性B1

碼頭整體穩(wěn)定性B1具體由碼頭結構的沉降C11、水平位移C12及傾斜C13組成。其各項指標可通過現(xiàn)場儀器測量得到，對于使用5 a內的碼頭，建議每年觀測1次，對于使用5 a后的碼頭，建議3～5 a觀測1次，對每次觀測的數(shù)據(jù)進行對比分析，得出碼頭整體的穩(wěn)定性狀況。

2.2 外觀破損B2

外觀破損檢查包括水上構件外觀檢查C21和水下構件外觀檢查C22。水上構件主要從表觀裂縫、剝離脫落和鋼筋銹蝕狀況三個方面檢查構件破損情況，并記錄每處破損位置、形態(tài)和程度。對于水下構件，目前主要采用水下探摸或者水下三維全景成像聲吶系統(tǒng)進行觀測。

2.3 混凝土劣化B3

混凝土結構劣化具體包括混凝土強度C31、碳化深度C32、鋼筋保護層厚度C33、鋼筋銹蝕電位C34、氯離子滲透性C35、凍融劣化C36及構件裂縫深度C377個評定指標，這些指標綜合反映了混凝土構件的耐久性能，對評定碼頭的老化度起關鍵作用，可通過各種檢測手段測試得到。

2.4 鋼結構耐久性B4

對于碼頭結構構件有鋼結構的情況，需評定鋼結構的耐久性，具體包括構件銹蝕及防腐蝕措施狀況C41、焊縫質量C42、鋼材厚度C43。其中構件銹蝕及防腐蝕措施狀態(tài)檢查又包括銹蝕發(fā)生的位置、面積和銹蝕深度，涂層表面剝蝕情況，鋼結構陰極保護效果等。

2.5 地基及基礎完好性B5

對于重力式碼頭，具體檢查基床和基礎的沖刷、掏空狀況C51，采用水下探摸或者水下三維全景成像聲吶系統(tǒng)測得，對于高樁碼頭，還需增加樁基的完好性檢測C52，可采用低應變檢測及水下探摸相結合的方式測得，對于鋼管樁結構，需進行鋼管樁壁厚及防腐蝕措施狀況C53檢測。

2.6 接岸結構完好性B6

接岸結構主要有板樁和重力式兩種結構型式，具體包括接岸結構的整體變形變位C61，測量其豎向位移、水平位移及傾斜狀況，以及接岸結構的基礎沖刷、掏空檢查C62。

2.7 后方回填工程完好性B7

后方回填工程主要針對重力式碼頭和板樁碼頭，其完好性檢查包括回填料密實狀況C71，可采用地質雷達探測儀檢測得到，后方棱體、倒濾層結構的完好性C72，鉆孔結合開挖檢查確定，回填土性檢測C73，鉆孔結合室內土工試驗確定，還有墻后地下水位的測量C74。

2.8 岸坡完好性B8

岸坡主要針對高樁碼頭及浮碼頭，其完好性檢查包括岸坡的變形變位檢測C81，通過測量岸坡斷面與原設計進行對比分析得到，岸坡的土性檢測C82，通過鉆孔及室內土工試驗的方式確定。

2.9 軌道完好性B9

軌道作為港口碼頭作業(yè)的重要設施，其完好性檢測通過檢測其軌距C91、軌頂標高C92及同一截面兩軌高差C93來綜合確定。

2.10?？看胺雷o設施完好性B10

其通過檢查碼頭護舷C101、系纜柱及系環(huán)C102、護輪坎及護欄C103的完好性綜合確定，以目測為主，檢查其缺失、損壞等現(xiàn)象，作為每次定期檢查的一項內容。

2.11碼頭前沿水深和沖淤變化情況B11

每年至少1次對碼頭前沿水深C111進行掃測，每年至少2次對碼頭前沿沖淤變化情況C112進行檢測，可采用地形測量、水深測量、高程測量、水下探摸和攝像等方式，必要時采用水下采樣進行粒徑分析和啟動流速試驗。

3 評價模型

港口碼頭老化度評價模型是基于各層次、各評價指標的綜合體。采用綜合評價指數(shù)LHD來進行計算評價，老化度評價模型如下

LHD=ΣαiΣβjPij

(1)

式中：LHD為碼頭的綜合評價指數(shù)，反映某一碼頭的老化程度，即老化度，取值范圍為0～1，指數(shù)越小，老化程度越嚴重；αi為各分項評價指標Bi的權重系數(shù)，i為1，2，…11；βj為各細項評價指標Cij的權重系數(shù)，j為1，2，…n；Pij為各細項評價指標Cij的評分，根據(jù)定期檢查、定期測量、特殊檢測及檢測與評估數(shù)據(jù)結合現(xiàn)場實際狀況由多位經驗豐富的專家分別評分，然后取平均值，評分標準參見表1，本文提出的評分標準是綜合考慮了影響碼頭老化的各項指標，標準較細，具有科學合理性、可操作性，可以定量的開展碼頭老化度分析。最終將港口碼頭老化度分為5個等級：完好、基本完好、輕微老化、較嚴重老化、嚴重老化，見表2。建議企業(yè)應根據(jù)老化度評價等級對港口碼頭老化度為1級和2級的進行保養(yǎng)和小修，對3級的港口碼頭應進行中修，對4級的港口碼頭立即進行中修或大修，對5級的港口碼頭應停止使用，并立即進行大修，對無修復價值的應報廢。

表2 港口碼頭老化評價等級Tab.2 Aging evaluation grade of port wharf

表1 專家評分標準Tab.1 Expert rating criteria

式(1)中權重系數(shù)αi、βj指某一評價指標在評價體系中的重要程度，它表示在其它評價指標不變的情況下，該指標項的變化對最終結果的影響。權重系數(shù)的大小與指標的重要程度有關，對于不同結構型式、不同使用階段、不同裝卸工藝的碼頭，每個評價指標對影響碼頭老化程度是不同的，所以各評價指標的權重系數(shù)須根據(jù)實際情況作出合理的規(guī)定。權重系數(shù)αi、βj的確定一般有兩種方法：一是采用經驗法確定，即針對具體碼頭項目通過采訪有工程經驗的專家和學者，以他們在實踐中的經驗分析該工程中哪項評價指標重要、哪項評價指標不太重要，從而綜合確定各評價指標的權重大小；二是采用多因素統(tǒng)計法確定，即將各評價指標通過調查問卷的形式體現(xiàn)，以最重要、重要、次重要的等級讓調查對象選擇，再對調查結果進行統(tǒng)計分析，以分析得到的排序指數(shù)的大小來確定權重系數(shù)的大小。

4 評價原則

港口碼頭老化評價應采用分層綜合評定與5級單項控制指標相結合的原則。有下列情況之一時，整個碼頭老化度應評價為5級：(1)沉降、位移嚴重，呈發(fā)展趨勢，整體不穩(wěn)定；(2)重要部位及構件有大量嚴重損壞或劣化，出現(xiàn)功能性損壞且發(fā)展迅速，不能維持使用；(3)后方接岸或接岸結構差異沉降過大、出現(xiàn)塌陷或大量漏砂，嚴重影響使用；(4)基床有嚴重沖刷損壞，墻身基底掏空深入長度超過墻身寬度的20%；(5)承載力低于設計值，或結構安全性、使用性、耐久性評估為C類、D類；(6)專家對評價指標中某一細項指標(Cij)評分Pij在[0，0.4)范圍。

港口碼頭老化評價工作流程圖如圖2所示。

圖2 港口碼頭老化評價工作流程圖Fig.2 Flowchart of aging evaluation of port wharf

5 工程應用

以福建省福清市沿海某散雜貨碼頭老化評價為例。該碼頭自2011年5月竣工驗收投入使用至今已有8年，該碼頭建設有5 000 t級散貨泊位1個，泊位長134 m，寬42 m，結構型式為沉箱重力式結構。根據(jù)本論文提出的港口碼頭老化評價體系對該碼頭開展老化評價工作。

經查閱該碼頭竣工、維護、定期檢查、測量及檢測評估等相關資料，發(fā)現(xiàn)該碼頭竣工資料完整，碼頭使用期未發(fā)生結構性安全事故，但使用期定期檢查、測量及檢測評估的資料較少，僅于2018年8月由第三方有資質的檢測機構出具了該碼頭檢測與評估報告，檢測與評估報告的結論如下：(1)經水上構件外觀檢查，碼頭胸墻存在局部輕微剝離脫落、露筋，沉箱局部有輕微破損掉塊，面層局部有輕微裂縫，后方拋石棱體結構基本完好，護輪坎局部有輕微破損、露筋，橡膠護舷緩沖板局部有破損，欄桿、吊機基礎局部有輕微破損，系船柱較完好；(2)經水下探摸檢查，拋石基床較完整，沉箱與基床連接處完好，沉箱外壁混凝土表觀較完整，沉箱間錯牙在規(guī)范允許范圍之內；(3)經變形變位檢測，碼頭前沿面層差異沉降最大值為0.051m，沉箱傾斜角度為+0.10°～+0.42°；(4)經碼頭前沿泥面高程測量，碼頭前沿存在不同程度淤積和沖刷，淤積高度為0.18～1.01 m，沖刷深度為0.35～0.58 m；(5)經鋼筋保護層厚度檢測，碼頭胸墻鋼筋保護層厚度滿足規(guī)范要求；(6)經混凝土強度檢測，碼頭胸墻混凝土強度推定值大于設計強度等級；(7)經混凝土碳化深度檢測，浪濺區(qū)胸墻的碳化深度測定值為3.5～4.5 mm；(8)經鋼筋銹蝕狀況檢測，所抽取鋼筋截面面積損失率為6.24%～10.18%，胸墻發(fā)生鋼筋銹蝕的概率小于10%；(9)經鋼軌完好性檢測，鋼軌表觀較為完好，無破損磨耗情況，鋼軌局部有差異沉降及偏位，同一截面兩軌高差為1.2～4.5 mm，水平偏位為-10.2～8.5 mm；(10)根據(jù)《港口設施維護技術規(guī)范》對該碼頭設施進行技術狀態(tài)評定，基床技術狀態(tài)評定為一類(好)，沉箱技術狀態(tài)評定為二類(較好)，胸墻技術狀態(tài)評定為二類(較好)，后方拋石棱體技術狀態(tài)評定為二類(較好)，面層技術狀態(tài)評定為二類(較好)，鋼軌技術狀態(tài)評定為一類(好)，系船柱技術狀態(tài)評定為二類(較好)，護輪坎技術狀態(tài)評定為二類(較好)，橡膠護舷技術狀態(tài)評定為二類(較好)，欄桿技術狀態(tài)評定為二類(較好)；(11)該碼頭結構安全性評估等級為A，結構使用性評估等級為A，結構耐久性評估等級為B。

結合以上檢測評估數(shù)據(jù)，并經碼頭現(xiàn)場檢查，不滿足5級單項控制指標中(1)～(5)，隨后，安排10名經驗豐富的專家對該碼頭涉及到的港口碼頭老化評價體系中每項指標Cij進行評分，取平均值作為每項指標的最終得分，評分標準參考表1，評分結果詳見表3，因個別評價指標缺乏相關調查及檢測等相關數(shù)據(jù)，本次未列入老化度計算，建議在今后的老化度分析計算中應補充開展涉及所有評價指標的檢查、檢測與評估等工作。由表3可知，Cij指標的Pij評分均大于0.4，也不滿足5級單項控制指標第(6)條，可以繼續(xù)開展碼頭老化度的計算。表3中的權重系數(shù)αi、βj采用經驗法來確定，即由10名專家結合他們常年來在工程實踐中積累的經驗，針對該碼頭工程中涉及的各項指標的重要程度進行排序，綜合確定這些指標的權重大小。經計算，該碼頭老化度LHD為0.768，查表2，老化等級評價為3級(輕微老化)。建議對該碼頭進行中修，對日常檢查、檢測過程中發(fā)現(xiàn)的老化問題進行維修加固，以盡快恢復其正常使用功能。

表3 該碼頭老化度計算表Tab.3 Aging evaluation calculation of this wharf

6 結論

(1)本文結合港口碼頭定期檢查、測量、檢測與評估等資料，提出了不同于以往的分類評價指標，建立了較全面的、系統(tǒng)的港口碼頭老化評價體系；(2)本文以福建省福清市沿海某散雜貨碼頭工程老化評價分析為例，驗證了該評價體系的科學性、可操作性；(3)隨著港口碼頭逐步由建設階段向維護階段發(fā)展，如何科學地評價老舊碼頭，達到在安全的前提下延長其使用壽命的目的，建立完善的、系統(tǒng)的、可操性強的碼頭老化評價體系有著非常重要的現(xiàn)實意義。