胡升，朱瑞虎，吳騰

（1.安徽省交通科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

2019年和2021年，中共中央、國(guó)務(wù)院先后印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》和《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，全面建設(shè)現(xiàn)代化高質(zhì)量國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)已成為我國(guó)向交通強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的重要目標(biāo)。高質(zhì)量國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)需要高質(zhì)量的交通工程配套與支撐，因此，交通運(yùn)輸部近幾年開展了“平安百年品質(zhì)工程”建設(shè)工作，全力打造精品工程、平安工程、高質(zhì)量工程。按照推進(jìn)建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的要求，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量安全領(lǐng)域，要補(bǔ)齊短板，夯實(shí)基礎(chǔ)，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的基礎(chǔ)研究依然走在世界的前列，部分熱點(diǎn)研究問題仍需 “對(duì)標(biāo)對(duì)表國(guó)際”、尋找差距、補(bǔ)齊短板。

重力式碼頭是我國(guó)分布較廣，使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式。服役環(huán)境惡劣，承載力超載、船舶碰撞等問題的發(fā)生嚴(yán)重影響碼頭的使用安全，甚至?xí)l(fā)生事故。本文總結(jié)了國(guó)際典型港口重力式碼頭的相關(guān)質(zhì)量安全研究問題并結(jié)合案例進(jìn)行分析，為國(guó)內(nèi)相關(guān)從業(yè)者提供參考。通過國(guó)際論文檢索分析總結(jié)，重力式碼頭的熱點(diǎn)問題如下：

1 通過監(jiān)測(cè)預(yù)警對(duì)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與研究

該研究主要針對(duì)可能引發(fā)工程質(zhì)量的不確定性因素加以有效的監(jiān)測(cè)、分析及處理，以最少成本作為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)控制方面的保障。此類方法的手段較多，如對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析、對(duì)項(xiàng)目的觀察等，其運(yùn)用的數(shù)學(xué)工具包括數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率論等，并結(jié)合系統(tǒng)論這一科研方法，對(duì)碼頭諸多方面潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行探究。

1.1 案例1：西班牙巴利阿里港務(wù)局重力式碼頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]

西班牙巴利阿里港務(wù)局在博塔?？朔啦ǖ坦こ讨袨? 號(hào)沉箱開發(fā)了一套監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在沉箱4個(gè)側(cè)立面及海底布設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器，該傳感器測(cè)量壓力和加速度響應(yīng)，其原理是用慣性系統(tǒng)完成的測(cè)量三個(gè)笛卡爾軸的角速度和加速度，并轉(zhuǎn)化為壓力和加速度響應(yīng)。港務(wù)局和馬德里理工大學(xué)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開展兩個(gè)方向研究：一個(gè)是基于Goda 和Sainflou 研究垂直防波堤設(shè)計(jì)新理論，一個(gè)是基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開發(fā)結(jié)構(gòu)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這種報(bào)警系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)處理，比較沉箱所受的壓力規(guī)律與設(shè)計(jì)臨界狀態(tài)，給出了一個(gè)安全系數(shù)實(shí)時(shí)指出實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)水平；警報(bào)系統(tǒng)位于港口控制中心，為在緊急疏散的情況下提供建議。

1.2 案例2：科倫坡某重力式碼頭沉降位移監(jiān)測(cè)分析與應(yīng)對(duì)措施[5]（中交第四航務(wù)工程局承建）

結(jié)合前期設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，在科倫坡港（斯里蘭卡西南部）某在建碼頭工程中，對(duì)施工期間沉箱沉降位移進(jìn)行觀測(cè)分析，總結(jié)已安放沉箱沉降位移穩(wěn)定與施工工序時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，指出上部結(jié)構(gòu)施工應(yīng)在箱內(nèi)、箱外回填完成3 個(gè)月后進(jìn)行。根據(jù)檢測(cè)資料從碼頭設(shè)計(jì)施工的角度出發(fā)，通過設(shè)計(jì)上調(diào)整軌道安裝方式，預(yù)留前軌沉降量；施工上延后頂層胸墻澆筑時(shí)間，減少碼頭工后沉降、位移對(duì)碼頭使用的影響。

2 結(jié)構(gòu)加固與改造技術(shù)研究

碼頭結(jié)構(gòu)加固與改造是通過對(duì)在役老碼頭進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估、加固及改造等技術(shù)措施，恢復(fù)受損碼頭結(jié)構(gòu)的原有功能并滿足其使用要求，或者提高已有碼頭結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性以滿足結(jié)構(gòu)荷載增加及使用功能改變等要求。隨著一批老碼頭達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，以及船舶大型化、專業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)迅猛，港口工程即將進(jìn)入大規(guī)模的碼頭結(jié)構(gòu)加固改造時(shí)期。然而，目前對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)加固改造的研究較少，尤其是重力式碼頭結(jié)構(gòu)加固改造的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。

2.1 案例3：意大利熱那亞港重力式碼頭墻身升級(jí)[6]

熱那亞港是意大利的主要海港，圣喬治碼頭是熱那亞港口的一個(gè)設(shè)施。該碼頭是20世紀(jì)20年代建造的，經(jīng)營(yíng)多年，用于進(jìn)口煤炭。由于業(yè)務(wù)繁忙為了能夠停靠大型船只，將碼頭前沿開挖由水深-11 米開挖到-14 米，因此對(duì)碼頭墻身進(jìn)行改造。如圖1所示，改造主要采取3 個(gè)措施：①用鋼棒從墻身上部直接伸到碼頭底部至-18米位置，鋼棒將重力式碼頭塊體連接到一起，提高整體穩(wěn)定性，同時(shí)伸到下部與注入高強(qiáng)混凝土形成整體。②碼頭底部注入高強(qiáng)混凝土通過鋼棒與原墻身形成一個(gè)嵌入墻。③安裝了有源地面錨。

圖1 圣喬治碼頭改造示意圖

2.2 案例4：加拿大蒙特爾港碼頭混凝土性能惡化原因調(diào)查[7]

蒙特爾港口有5 個(gè)碼頭修建于1901-1928年，由鋼筋混凝土沉箱或大體積混凝土組成。碼頭調(diào)查包括混凝土水上部分目測(cè)和通過試驗(yàn)測(cè)試抗壓強(qiáng)度，彈性模量，快速氯離子滲透性(RCP)，水溶性氯離子滲透剖面，以及詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)檢查。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論：①由于凍害原因老舊混凝土表面出現(xiàn)結(jié)垢和開裂，還有部分表面損壞是由于水位處的冰磨損造成的?；炷疗茐牡闹饕蚴牵毫蛩猁}侵蝕、凍融、腐蝕的鋼筋；②鋼筋混凝土沉箱存在銹蝕嚴(yán)重、混凝土剝落和外露鋼筋層外露的情況，這樣的沉箱氯離子濃度最高；③ 1936年，對(duì)45 號(hào)碼頭和B4 號(hào)碼頭外段進(jìn)行混凝土和砂漿修補(bǔ)由于采用淺銷錨固，與原混凝土粘結(jié)不良，導(dǎo)致大面積剝落，在混凝土內(nèi)部形成空洞；④盡管破壞跡象已比較嚴(yán)重，但混凝土依然具有合理的強(qiáng)度和彈性模量值可，對(duì)其進(jìn)行必要的修復(fù)可延長(zhǎng)其使用壽命。

3 結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)與優(yōu)化研究

在傳統(tǒng)重力式碼頭形式基礎(chǔ)上，很多學(xué)者針對(duì)重力式碼頭的具體施工環(huán)境和運(yùn)營(yíng)要求對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了改進(jìn)，并通過數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，表明該結(jié)構(gòu)形式具有較好的穩(wěn)定性和先進(jìn)性。

3.1 案例5：美國(guó)拱背式墻體研究[8]

美國(guó)伊利諾斯大學(xué)學(xué)者對(duì)拱背式碼頭墻身（見圖2）進(jìn)行了研究，重力式碼頭擋土墻的背面形狀是影響擋土墻后側(cè)土壓力的重要參數(shù)。為了研究拱背式碼頭墻身力學(xué)性能，進(jìn)行了加速度為1g 的振動(dòng)試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)用碎石和硅砂模擬回填土和底土。在墻身布設(shè)土壓力傳感器，在墻身后側(cè)裝孔隙水壓力傳感器。試驗(yàn)結(jié)果表明墻后陽坡面土壓力隨拱背式坡度增大而增大，墻后陰坡面土壓力隨拱背式坡度增大而減小。根據(jù)墻的背面形狀不同，總推力和傾覆力矩的大小也不相同，拱背式墻身的優(yōu)點(diǎn)是提高了施加在墻身的總推力作用點(diǎn)高度，減小墻身在地震中的損傷比例。

圖2 拱背式重力式碼頭墻示意圖

3.2 案例6：斯里蘭卡漁業(yè)碼頭修復(fù)工程—用石籠代替塊石[9]（中國(guó)援建）

斯里蘭卡漁業(yè)碼頭修復(fù)工程在貝魯沃勒漁港新建重力式碼頭，碼頭為重力式石籠結(jié)構(gòu)，石籠上部為現(xiàn)澆混凝土墊層，然后為混凝土胸墻，石籠采用鍍鋅覆塑（PVC）鋼絲制作，石籠內(nèi)填塊石，保證空隙率最小，在石籠安裝之后用膠合鋼絲或鋼環(huán)將相鄰的石籠連接起來(變形縫處不能連接)。采用石籠代替塊石或混凝土作為重力式碼頭的胸墻有許多優(yōu)點(diǎn)，首先，施工可以不需要圍堰，石籠裝填可以在干地進(jìn)行，裝填好后吊入工程區(qū)域，這樣，可減少工程投資，縮短工期; 其次，石籠具有一定的空隙，可以消減港池內(nèi)入射波浪的能量，減小入射波的反射，保證?？看暗牟捶€(wěn)要求，方便漁民裝卸作業(yè)。

4 地震作用下重力式碼頭動(dòng)力響應(yīng)及地基液化研究

在地震作用下,重力式碼頭會(huì)發(fā)生滑移、傾覆等嚴(yán)重震害,地基破壞或液化是重力式碼頭地震破壞的主要特點(diǎn),所以通過地震作用重力式碼頭的動(dòng)力響應(yīng)（位移、加速度等）和地基液化分析了地震液化條件下重力式碼頭的變形破壞機(jī)理是工程界的研究熱點(diǎn)。

4.1 案例7：英國(guó)大型重力式碼頭地震液化模擬研究[10]

英國(guó)劍橋大學(xué)2019年發(fā)表了“大型重力式碼頭地震液化模擬研究”，該文通過動(dòng)力離心機(jī)模型試驗(yàn)研究了土體液化時(shí)的重力式碼頭沉降，研究表明重力式碼頭結(jié)構(gòu)在中等密度砂土上時(shí),地震引起的液化沉降是一個(gè)顯著的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在強(qiáng)震作用下，即使自由場(chǎng)的土體完全液化，碼頭下方的土體也不會(huì)發(fā)生完全液化，但由于結(jié)構(gòu)下方產(chǎn)生超孔隙水壓力導(dǎo)致土體液化引起結(jié)構(gòu)沉降。在某種程度上，這種沉降是可以接受的，僅需要在地震后對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)工作即可。

4.2 案例8：意大利神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在重力式碼頭地震作用下的損傷評(píng)價(jià)[11]

意大利學(xué)者Armando Calabrese 研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在重力式碼頭地震作用下的損傷評(píng)價(jià)。通過數(shù)值模擬分析了意大利南部某重力碼頭的地震時(shí)程響應(yīng)。在此過程中，地震作為隨機(jī)變量輸入，通過重力式碼頭的地震時(shí)程響應(yīng)分析，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來尋求地震下模型土力學(xué)場(chǎng)參數(shù)和碼頭響應(yīng)之間的非線性關(guān)系，研究了不同幾何形狀、液化發(fā)生和破壞機(jī)理的類型，提出了新的脆性函數(shù)。研究表明液化增加了碼頭的破壞幾率，碼頭岸壁寬/高越大，水平滑動(dòng)破壞的發(fā)生概率就越高于向海側(cè)傾倒的概率。

除上述研究外，部分學(xué)者還開展了結(jié)構(gòu)可靠性、設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)計(jì)施工規(guī)范更新等研究。由于研究較精細(xì)、各國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，在此不展開論述。

5 結(jié)語

通過國(guó)內(nèi)資料搜集，就當(dāng)前關(guān)于重力式碼頭耐久的熱點(diǎn)研究問題進(jìn)行了總結(jié)，并通過具體案例對(duì)熱點(diǎn)問題進(jìn)行了詳細(xì)說明。隨著中國(guó)企業(yè)在海外碼頭建設(shè)項(xiàng)目的日益增多，對(duì)標(biāo)對(duì)表國(guó)際、緊盯國(guó)際先進(jìn)技術(shù)以及最新研究成果，系統(tǒng)梳理重力式碼頭耐久性常見問題及解決措施有很大的必要性，本文可為相關(guān)從業(yè)人員提供參考和借鑒。