內河架空直立式碼頭應用現狀及發展前景研究

李鵬飛 彭華君 陳 宇(重慶交通大學，重慶400074)

1 引 言

我國西南部地區河流眾多，但因水位落差大，流速急，長期以來水運建設相對落后。對于這些大水位差港口，考慮到其地質、地形、水文、投資等條件的限制，大多采用了傳統的斜坡式碼頭[1]。近年來國家大力推進西部大開發戰略，西部內河港口發展迅速，貨運量迅猛發展，港口吞吐量也隨之不斷增長，研究開發適合于西部內河港口大水位差條件下的集裝箱碼頭具有非常重要的現實意義，也是推進西部內河港口建設的當務之急。為此，眾多學者在充分研究傳統碼頭結構形式的基礎上提出了內河架空直立式碼頭。與傳統斜坡碼頭相比，內河架空直立式碼頭能適應庫區的大水位變幅并且采用更為先進的裝卸工藝，裝卸效率高，吞吐量大[2]。目前，內河架空直立式碼頭已經逐漸運用到庫區碼頭的建設中，對庫區的航運發展扮演起越來越重要的角色。

2 結構形式及運用現狀

2.1 結構形式

山區河流水位落差大，流速急，碼頭受力復雜，尤其在船舶系靠方面面臨更為嚴峻的考驗，傳統的內河碼頭結構形式在安全性和裝卸效率上都跟不上經濟發展的需要，在此背景下內河架空直立式碼頭結構應運而生，其典型斷面圖如圖1所示。在結構形式上，內河架空直立式碼頭有以下特點。

1）多層系纜

內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，而內河山區碼頭處在變動回水區，水位變幅大，所以碼頭結構高度大，并設置分層系纜以滿足不同水位下船舶的停靠和系泊。

2)空間特征鮮明

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

圖1 內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。除此，由于地基巖體強度較高，在施工時很難像沿海地區一樣設置斜樁，所以內河架空直立式碼頭基礎采用全直樁設計[3]。碼頭的橫向荷載通過縱橫連系梁傳遞到直樁上。

2.2 目前庫區主要架空直立式碼頭

2006年1月，重慶寸灘港開港，標志著內河架空直立式碼頭正式運用在長江上游流域。當前，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構。

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到100萬標箱，三期建成后，集裝箱吞吐能力可達到140萬標箱。

2）果園

位于重慶朝天門下游30公里處，規劃建設5000噸級泊位16個，其中10個多用途泊位，設計年吞吐量200萬標箱。

3）萬州江南

位于重慶市萬州區，建成后年吞吐量40萬標箱，總投資約10億元，建設3000噸級泊位4個。現已完成一期工程，集裝箱年吞吐量20萬標箱，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長江上游航運中心的重點項目，位于重慶市涪陵區。它是重慶主城、萬州、涪陵三大樞紐型港區的重要碼頭，設計年吞吐能力為40萬標箱，工程總投資6.5億元。

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

3 發展趨勢

成庫后，碼頭施工水位提高（見表1），庫區枯水期不再存在，取而代之的將是長時間水庫特性的深水期（頭年11月—次年4月）和天然山區河流特性的的洪水期（7—9月，可能出現超過20m以上的大水位差）。庫區常年回水區的碼頭建設都面臨深水問題，部分系靠船設施將在水下施工，因此在施工水位以下采用鋼結構縱橫撐。但位于水位變動區的構件，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、強度大，代價高。

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

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 現階段的問題與不足

4.1 參考規范和依據的不足

目前在進行內河架空直立式碼頭結構計算時主要是參照高樁碼頭的設計與施工規范，但此類碼頭結構高度大（＞40m），系纜層數多，構件復雜，尺寸大（樁基直徑1.5m-3.0m）且采用全直樁，結構形式，受力情況與沿海高樁碼頭有較大差異；而且內河與沿海的地質情況、水文環境均有很大的不同；內河架空直立式碼頭采用框架結構，但與普通的框架結構相比，該結構尺寸較大，受力更為復雜，工況繁多。設計計算中存在主觀和盲目成分，一般只有保守的進行設計計算，導致工程造價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構斷面圖

4.2 結構計算理論有待完善

國內學者已經對內河架空直立式碼頭的力學性能、結構特性、荷載組合、受力系數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構形式，相關的數值分析與模型試驗相對來說較少，各種規律特性沒有總結成型。合理的結構形式不但要弄清楚各構件實際的受力和變形規律，同時應綜合考慮整個碼頭結構構件間的受力變形協調關系，提出基于荷載分擔的碼頭結構優化設計技術尤為重要。雖然目前提出了“粗樁大跨”的發展方向，但沒有完善的理論依據。完善內河架空直立式碼頭技術的最終方法，需要進一步的研究探討。

5 發展與展望

當前，內河架空直立式碼頭能有效的改善庫區貨運條件，但是在設計與施工中仍存在不足，有必要進行深入研究，在現有基礎上對其進行改進。筆者在翻閱大量文獻和實地調查的基礎上，提出以下兩點改進建議：

5.1 進一步深入樁基部分的力學研究

樁基搭設鋼護筒是作為施工成樁時的保護措施。內河架空碼頭的鋼護筒樁長長，樁徑大，相應的結合面面積大， 鋼護筒和樁之間層間會產生不可忽略的界面強度，并和碼頭結構共同承擔作用在碼頭上的荷載。針對三峽蓄水后，施工水位抬升，庫區新修架空直立式碼頭工程中均運用了鋼護筒，但在理論和設計計算中并沒有考慮鋼護筒與混凝土樁的相互作用力這一情況，可開展深入研究，把鋼護筒與樁的界面強度引入到碼頭受力的理論分析和實際工程建設中，使結構受力更加明確，實際設計施工更加可靠。

5.2 推廣預應力技術在內河架空直立式碼頭中的應用

隨著預應力技術在碼頭結構中的逐步應用和推廣，排架結構向纖細化、大跨度方向發展[2]。由于預應力技術可以有效提高構件剛度、減輕結構自重， 在碼頭結構中具有廣闊的應用前景。針對直立框架式碼頭結構及受荷特點，在主要受力構件中實施預應力可以有效地增大排架間距，相應減少了基樁及構件數量。但大跨度預應力結構同時會導致施工難度增加，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應力結構梁。當前，預應力技術已在沿海高樁碼頭中廣泛運用，可借鑒其成功經驗，運用到內河架空直立式碼頭的設計施工中。

6 結 語

內河架空直立式碼頭作為一種較為新型的結構形式已充分表現出適應庫區流域的特點，現已經廣泛運用于上游內河碼頭的設計建造中。隨著小南海水電站的破土動工，朱楊溪水利樞紐的建設提上議程，加之上游的梯級航道正在成型，國家對內河航運的發展日益重視，內河架空直立式碼頭的應用前景愈加廣泛。

[1]王多銀，田建柱.大水位差架空直立式集裝箱碼頭結構形式研究[J].重慶交通大學（自然科學版），2008，27（1）:139—143.

[2]王多銀，何光春.內河大水位差架空直立式集裝箱碼頭結構形式研究[R].重慶:重慶交通大學，2006.

[3]溫焰清，王多銀，楊洪祥，宋成濤.三峽庫區碼頭結構新趨勢的探討[J].港工技術，2010，47（6）:36—37.

[4]毛國健，馮凱.溫州地區港口碼頭結構形式分析研究[J].中國水運，2010，10（5）:25—26.

[5]謝殿武，王多銀.內河架空直立式碼頭接岸結構的選擇探討[J].水運工程，2004，11:80—82.

[6] 劉明維，翁珍燕,，楊 洋.架空直立式碼頭船舶撞擊力橫向分配系數數值模擬分析研究[J]. 水運工程，2013，（3）:63-67.