謝華偉，于傳見，楊 斌

(1.浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；3.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關鍵技術重點實驗室，浙江 杭州310018)

長江下游航道水下地形復雜多變，岸坡沖刷變化頻繁。根據(jù)多年監(jiān)測結果顯示，白茆沙水道“南強北弱”態(tài)勢持續(xù)增強[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，已嚴重威脅到碼頭水下岸坡穩(wěn)定及主體結構的安全[4]。為了全面掌握碼頭結構的健康狀況，根據(jù)水運工程的相關行業(yè)技術規(guī)范[5-7]，需對碼頭岸坡的水下地形進行重新測量，以分析碼頭區(qū)的沖淤情況；并根據(jù)前期設計、竣工資料，對碼頭的上部結構構件、樁基的承載力和整體穩(wěn)定性進行復核計算，確認碼頭在受水流沖刷后是否滿足安全性要求，為下一步實施維修加固提供決策依據(jù)[8-10]。

本文依據(jù)相關規(guī)范要求，對太倉港受沖刷影響較為嚴重的鑫海碼頭進行安全影響復核。對于碼頭結構安全性、岸坡穩(wěn)定性不滿足要求的，提出修復、加固等治理建議，可為該類工程安全復核提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 碼頭概況

太倉港古稱瀏家港，于20世紀90年代建港，目前共有鹿河、新涇、蕩茜、浮橋、茜涇5 個作業(yè)區(qū)，已初步形成以浮橋作業(yè)區(qū)集裝箱運輸為核心，礦石、煤炭等散貨運輸為重點，并相應發(fā)展石化特色中轉和為臨港工業(yè)服務的貨主及商貿(mào)碼頭相結合的總體格局。至2018年底，港區(qū)共有生產(chǎn)性泊位82個，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、華能港務碼頭和華能電廠碼頭。本次結構安全影響分析對象為上游鑫海集裝箱碼頭，其泊位基本情況見表1，設計斷面見圖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到了73%，2020年8月更是達到了74.6%的歷史高值，南強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?？?，受潮水影響，沉積物雜亂、規(guī)律性差，相變大，粉細砂和淤泥質(zhì)土多呈相互交錯或互層狀分布。

工程河段地處長江入?？谌侵薜貛В芎恿鳑_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—南通河段水域寬闊，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-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，高潮時被淹沒，低潮時部分露出水面。白茆沙形成后快速淤大，至1992年達到最大值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施護灘工程后，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“南強北弱”態(tài)勢持續(xù)增強，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)的險工段，被列為Ⅰ級崩岸預警。2018—2021年間，每年汛前、汛后對太倉港沿岸險工段進行加密水下地形監(jiān)測，監(jiān)測時間汛前測次為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，斷面河槽最深點高程為-49.8 m，最深點至碼頭前沿距離為133 m，碼頭前沿有約70 m河床坡度相對平緩，其外側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，但平坦河床外側深槽斜坡頂部表現(xiàn)出一定幅度向岸側的沖刷。2020年7月—2021年 8月 時段，太倉側河床陡峭段深槽斜坡平面向太倉側推進了約6 m，斜坡移動速度為0.43 m/月。

圖3 鑫海碼頭DM3斷面

根據(jù)監(jiān)測結果可知，1#～3#泊位原設計泥面高程(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#泊位原設計泥面高程為-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 結構安全復核

碼頭前沿水域發(fā)生沖刷后，碼頭樁基自由長度增加，樁基軸向承載力設計值呈下降趨勢，樁基軸力設計值變化不大(主要與上部荷載相關)，碼頭安全度降低。管樁應力、橫梁彎矩和橫梁剪力均呈增加趨勢，前沿泥面變深對樁基安全性的影響程度大于對上部結構的影響。碼頭前沿泥面被沖刷后，地基土會產(chǎn)生水平變形，從而對樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力。若碼頭泥面繼續(xù)降低，管樁應力設計值將超過樁基強度設計值，碼頭結構將處于不安全狀態(tài)。因此，在碼頭前沿水域發(fā)生沖刷后，需對碼頭的結構安全性進行復核。

3.1 復核方法

3.1.1上部結構構件承載力驗算

根據(jù)JTS 151—2011《水運工程混凝土結構設計規(guī)范》[16]，結構構件承載能力設計應采用極限狀態(tài)設計表達式：

Sd≤Rd

(1)

式中：Sd為作用效應組合設計值；Rd為結構構件承載力設計值。

上部結構構件按強度設計進行承載力驗算時，抗力包括正截面受彎承載力設計值和斜截面受剪承載力設計值。

3.1.2樁基承載力驗算

根據(jù)樁基檢測結果和地質(zhì)資料，按原碼頭的設計荷載或經(jīng)使用部門確認后的荷載條件對樁基進行承載力驗算，結果須滿足JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》穩(wěn)定性要求[17]。

當按承載力經(jīng)驗參數(shù)法確定單樁垂直極限承載力設計值時，應按式(2)計算：

(2)

式中：Qd為單樁垂直極限承載力設計值(kN)；γR為單樁垂直承載力分項系數(shù)，取1.45；U為樁身截面周長(m)；qfi為單樁第i層土的極限側摩阻力標準值(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準值(kPa)；A為樁身截面面積(m2)。

3.1.3岸坡穩(wěn)定性驗算

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

(3)

式中：γ0為重要性系數(shù)，取1.00；Msd、MRK為作用在危險圓弧面上的滑動力矩設計值和抗滑力矩的標準值；γR為抗力分項系數(shù)。

所有計算中土性參數(shù)采用前期設計時所使用的值。

3.2 單樁極限承載力復核

根據(jù)表2計算結果，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，為設計樁力的 1%～2%，樁身拉應力已接近極限值。橫梁內(nèi)力設計值小于結構抗力值，裂縫開展寬度及抗裂驗算滿足規(guī)范要求，結構滿足受力要求。

3.3 岸坡穩(wěn)定性復核

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

4 防護措施

鑫海碼頭5#泊位深槽已位于碼頭前沿，需及時采取防護措施，防護范圍為碼頭前方深槽區(qū)域。由于本河段底沙主要是細砂，主槽床砂較粗，南岸邊灘以及沿岸夾槽為淤泥質(zhì)細粉砂。整體河床質(zhì)抗沖刷能力差，導致河床穩(wěn)定性較差，防護結構需有良好的透水保砂性能。同時，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結構的穩(wěn)定性。綜合對比后，選取聯(lián)鎖塊軟體排+拋石的保護方案，對河床和深槽邊坡形成防護，從碼頭前沿開始鋪設混凝土聯(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，拋石厚度為2.0 m，防護區(qū)域為碼頭前沿縱向65 m范圍內(nèi)。

5 結論

1)由于長江上游來沙量減少以及白茆沙南北水道流速“南強北弱”態(tài)勢持續(xù)增強，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)實際監(jiān)測結果，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，需對碼頭進行安全復核。

2)根據(jù)安全復核計算結果，鑫海碼頭結構安全性各項指標符合規(guī)范要求，但樁身拉應力已接近極限值，如沖刷深度進一步加深，將對碼頭的結構安全產(chǎn)生威脅。

3)為了保護碼頭安全，需對該碼頭進行沖刷防護，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+拋石的方案保護岸坡，有較好的排水保砂效果。