受冲刷影响的高桩码头安全管理与维修

王 莺

(福州港务集团有限公司，福州 350004)

1 概述

福州港闽江口内港区一座码头于1993 年建成投产，全长190 m，宽25 m，其中前桩台宽15 m，后桩台宽10 m。码头结构型式为高桩梁板式，码头前沿设计泥面高程-10.3 m，建成初期天然泥面高程-12.0 m(基准罗零，下同)。 桩基为600 mm×600 mm 预应力钢筋混凝土空心方桩，上部结构由现浇横梁、预制纵梁及叠合面板组成。 多年来闽江下游河道由于上游来砂量减少， 加上以往曾出现过量采砂等原因，导致水流流速加快、河床刷深下切。根据实测数据，港池底高程普遍达到-19.0 ～-20.0 m，码头前沿底高程-15.5 ～-17.5 m，局部达-18.5 m。码头及平台下方也受到一定程度冲刷，而自平台后沿往后，泥面高程一般在0.0 m 以上。 码头结构断面图及沿纵向多个实测泥面见图1。

冲刷作用导致桩的自由长度增大， 相应桩的入土深度减少，对桩基承载力起削弱作用；冲刷作用(后方局部淤积)改变了码头区域泥面形状，影响整体稳定性；这2方面问题都会影响安全性。 为此做了以下工作：(1)间隔半年的港区定期水深测量；(2)码头安全检测评估；(3)加固研究设计及施工。 本文是对这3 方面工作的回顾和总结。

图1 码头结构断面图及沿纵向多个实测泥面

2 水深测量数据分析

笔者分析了码头及港池水域自2011 年以来每半年一次的水深测量数据，为便于说明水深的变化情况，从水深图中摘取码头前沿及距离码头前沿15 m 和30 m 三个纵向断面泥面高程数据，绘制成港池水深变化图(图2)。

图2 港池水深变化(2011 年9 月-2016 年6 月)

由图2 可见， 停泊水域底高程普遍深于-18.0 m，原设计的-10.3 m 和天然泥面的-12.0 m 大幅度刷深；2013年以来随着闽江采砂问题得到治理， 港池水深已经基本稳定。

3 码头调查检测评估

为了解码头受到冲刷后的安全状况， 委托有资质单位对码头进行全面检测评估[1]，包括以下内容：构件及其连接节点外观破损调查；结构分段相对位移和沉降测量；对桩基采用低应变法抽样检测； 码头区域土坡整体稳定性分析；码头结构受力计算及可靠性评估。上述检测评估内容的结果如下：

(1)构件及其连接节点外观破损

码头结构主要构件除个别构件存在混凝土局部破损露筋现象外，码头结构主要构件桩、横梁、纵梁和面板等基本完好，构件之间的连接节点完好，码头整体结构运行正常。

(2)结构分段相对位移和沉降

根据以往经验，当码头出现较大水平位移时，将会由于各结构段的水平位移不一致而导致分缝处出现错位；而出现明显沉降后，则容易在相邻结构段间出现高差。通过观测相邻结构段分缝处的相对水平错位和高差， 可以大致判断码头位移沉降的情况。码头共分为3 个结构段，实测各结构段分缝缝宽、水平错位及高差见表1。 作为连续布置泊位的中间泊位， 表中包含码头与相邻泊位结构段分缝高差错位。

表1 实测码头各结构段水平错位及高差

由表1 可见， 码头结构分段之间未出现明显的相对水平位移和差异沉降， 大致可以判断码头未出现明显的位移和沉降。

(3)桩基低应变法抽样检测

采用低应变法[2]抽检了29 根桩基，约占码头总桩数的15%。桩基检测结果表明，29 根桩中，27 根桩属于Ⅰ类桩；2 根属于Ⅱ类桩，桩身有轻微缺陷，但对桩的使用没有影响。 抽样检测的结果表明，桩身状况良好，能够正常使用。

(4)码头区域土坡稳定性分析

采用圆弧滑动简单条分法进行整体稳定验算[3]，选择冲刷最严重的实测断面，经计算，码头土坡稳定圆弧滑动最危险滑弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值为MRk/Msd=1.28，整体稳定性尚能满足规范要求。

(5)码头结构受力计算及可靠性评估

进行高桩码头的结构计算， 码头结构假定为两个方向的平面问题，横向排架按弹性支承连续梁计算。按照有关规定计算码头主要构件的抗力[4-5]。

一般情况下，码头桩满足弹性长桩条件。承受水平力或弯矩作用的桩入土深度宜满足弹性长桩要求。 弹性长桩要求桩的入土深度4T，T 为桩的相对刚度特征值[4]。 本工程采用600 mm×600 mm 预应力混凝土方桩，混凝土强度等级C40。 经计算T=2.21 m，则弹性长桩要求桩入土深度8.84 m。 在冲刷最严重的排架处， 桩的入土深度10.4 m，尚能满足弹性长桩的条件。 码头受力计算考虑荷载有：结构自重、均布荷载、门机轮压荷载、门机水平力、集装箱拖车荷载、船舶撞击力、系缆力、挤靠力等，各项荷载作用效应乘以分项系数， 按照可能同时出现的进行组合，得到荷载作用效应设计值。码头结构安全性评估结果见表2。

表2 码头结构安全性评估结果

由表2 可见， 由于码头区域曾经受到冲刷导致水深发生较大变化，影响到码头桩基承载力，桩抗拔承载力与作用效应之比为0.91， 抗压承载力与作用效应之比为0.96，不满足规范要求，其它验算项目满足规范要求。 码头结构安全性评估等级为C[6]，码头需要采取维修，码头适用性和耐久性满足规范要求，评估过程略。

4 维修方案研究[7]

由检测评估报告可知， 该泊位码头区域曾经受到冲刷导致水深较大变化，影响到码头桩基承载力，导致部分桩抗拔承载力和抗压承载力不满足规范要求， 为恢复码头承载力安全性，考虑了2 种方案，分别是抛石方案和码头结构综合加固方案[8-9]。

(1)抛石护底方案

当水工结构水下基础受到局部冲刷时， 采用抛石护底来进行防护是最先想到的方法之一(图3)。 从码头前沿向外15 m，抛石护底设计顶高程按达到原设计的-10.5 m，然后按1∶2 坡度向下延伸，在-16.0 m 高程设10.0 m 长护脚，之后按1∶2 坡度与河床衔接。 在码头前沿向后，按顶高程-10.5 m 向后抛填，直至与现状泥面相接。 抛石护底在护脚及抛石体面层1.0 m 用200～300 kg 块石， 其他部分采用1～100 kg 块石。

图3 码头抛石护底方案断面图

抛石施工方法采用自航甲板驳加反铲挖掘机抛石和网兜抛石相结合， 自航甲板驳加反铲挖掘机抛石用于粗抛，网兜抛石用于细抛和最后的补抛，码头下方采用溜槽将块石滑到指定地点。 工程量为抛石7.0 万m3，其中1～100 kg 块石5.4 万m3，200～300 kg 块石1.6 万m3。 施工需要投入浮吊抛石船(500t 以上)1～2 艘，自航甲板驳(500～1500 t)2～4 艘，石料运输船(500 t 以上)约20 艘，交通船(约200 kW)1 艘，预估工期60 d。

(2)结构加固方案

通过增设灌注桩分担码头桩的垂直压力， 以满足桩基承载力要求。 在距离码头前沿3.5 m 和12.0 m 处各增设一排灌注桩，前排灌注桩间距一般6.0～7.0 m；后排灌注桩间距12.0 m 左右，共44 根。 灌注桩直径1000 mm，桩长约40 m。 灌注桩通过2 道纵向连梁与码头各排架连接，结构加固断面图见图4。

图4 结构加固方案断面图

此外， 为减少在船舶撞击力等水平荷载下斜桩的作用效应，通过增设结构段间连接，当一个结构段受撞击力等水平荷载作用时，相邻结构段一起分担。

(3)方案比选

抛石护底和结构加固2 种方案的优缺点对比见表3。 考虑到港池水域的水深已经基本稳定，结构加固方案因具有受力明确、 对生产影响小、 费用省等优点而被采用。通过对结构加固后的结构受力计算及承载力复核，桩抗拔承载力与作用效应之比为5.06， 抗压承载力与作用效应之比为1.62，满足规范要求。码头结构安全性等级恢复到A[6]。

5 码头加固方案实施

结构加固方案施工步骤为：(1)码头平台面层开孔；(2)灌注桩桩基工程；(3)进行上部连梁施工；(4)恢复码头面层施工。 灌注桩从上游往下游施工，分3 个作业段，第一段15 根桩(前9 后6)，第二段15 根桩(前9 后6)，第三段14根(前9 后5)。在兼顾码头生产的情况下，实际所用工期5个月。

6 结语

对于受冲刷影响的高桩码头， 采用本文结构加固方案后，码头桩基受力状态大大改善，而且承载力有一定富余，达到了预期的加固效果。本工程为同类高桩码头提供了实践经验，具有一定的借鉴意义。

表3 抛石护底方案与结构加固方案优缺点对比