碼頭拋石基床掏空后修復(fù)加固方案設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

■陳小婷

（福建省港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350002）

拋石基床是重力式碼頭的重要組成部分，直接關(guān)系到碼頭的安全性、適用性和耐久性，所以保護(hù)拋石基床免受波浪、水流的淘刷以及外界作用的破壞是設(shè)計(jì)中需要考慮的。 然而碼頭拋石基床被局部掏空破壞的情況時(shí)有發(fā)生，這將直接危及碼頭岸壁的整體穩(wěn)定，也存在重大的安全隱患。

1 工程概況

某通用泊位工程（2#、3#泊位）原設(shè)計(jì)為2 個(gè)停靠5 000 噸級散貨船的泊位。2#泊位前沿線方位角為45°～225°，3# 泊位碼頭前沿線與2# 泊位呈90°角。 2# 泊位結(jié)構(gòu)為3.5 萬噸級通用泊位，停泊水域?qū)挾葹?1 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-11.85 m（高程系統(tǒng)：當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫?#泊位結(jié)構(gòu)為5 000 噸級通用碼頭，停泊水域?qū)挾葹?8 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-7.65 m。3# 泊位于2011 年完工，2012 年投入使用， 至今已有9 年之久。 為了加強(qiáng)工程質(zhì)量管理以及更好地掌握設(shè)施的技術(shù)狀態(tài)，碼頭都會進(jìn)行定期檢測。

根據(jù)3# 泊位定期檢測的水下探模檢查結(jié)果顯示：碼頭拋石基床存在掏空破壞的情況，掏空位置位于3# 泊位靠近2# 泊位約61 m 范圍內(nèi) （破壞范圍）， 掏空長度與2# 泊位停泊水域?qū)挾然疽恢拢摲秶鷴伿矠槊骰玻?而后向4# 泊位方向逐漸過渡為暗基床。 具體掏空位置詳見圖1，A-A、BB 位置的斷面圖詳見圖2。

圖1 拋石基床掏空破壞范圍平面示意圖（紅色區(qū)域）

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面圖

3#泊位定期檢測的報(bào)告對碼頭13 個(gè)斷面胸墻垂直度進(jìn)行測量， 碼頭前沿傾斜度范圍為4～7 mm/m。

2 基床掏空檢測方法與原因分析

2.1 基床掏空檢測方法

拋石基床破壞最直觀的檢測方法就是潛水員水下探摸和水下錄像，如果拋石基床存在掏空沖刷便可直接判定其破壞的原因。 還可以結(jié)合其他方法進(jìn)行檢測[1]：（1）水深測量，可反映基床破壞程度；（2）地質(zhì)鉆探，可驗(yàn)證施工圖地基基礎(chǔ)與實(shí)際的差異；（3）現(xiàn)場測試，測量水流流速、基床塊石大小；（4）室內(nèi)模型試驗(yàn)，如基床沖刷試驗(yàn)、塊石啟動流速試驗(yàn)；（5）數(shù)學(xué)模型仿真，驗(yàn)證和量化破損機(jī)理；（6）查閱調(diào)研等。

3#泊位碼頭結(jié)構(gòu)為重力式扶壁結(jié)構(gòu)，基床掏空破壞檢測方法是結(jié)合潛水員水下探摸和水砣水深測量，扶壁前趾拋石基床的掏空情況詳見圖3。檢測結(jié)果顯示基床破壞范圍內(nèi)的扶壁底部有不同程度的懸空， 懸空高度為0.1～2.5 m， 掏空深度為0.2～2.0 m， 離碼頭前沿3～6 m 范圍內(nèi)的平均標(biāo)高為-9.58 m，與原設(shè)計(jì)標(biāo)高相差近2 m。基床掏空斷面示意圖見圖4。

圖3 扶壁前趾下的大空洞

圖4 扶壁底下基床掏空斷面示意圖

2.2 基床掏空沖刷原因分析

對拋石基床影響較大的水文條件主要有波浪和自然水流影響。通過分析3#泊位前沿水域波浪和水流的條件，明確是否對拋石基床產(chǎn)生不利影響。

2.2.1 波浪

該碼頭工程現(xiàn)狀共有4 個(gè)泊位，1# 和2# 泊位位于同一碼頭前沿線上，為突堤式碼頭結(jié)構(gòu)，突堤內(nèi)側(cè)為直立式碼頭岸壁， 外側(cè)為斜坡式防波堤，3#和4# 泊位前沿線與1#、2# 泊位呈90°角，該碼頭泊位位于有掩護(hù)的水域。 根據(jù)本工程的波浪計(jì)算報(bào)告（BL2～BL6 采用小風(fēng)區(qū)法計(jì)算），BL5 點(diǎn)為NW 向50 年一遇H4%為0.97 m。

圖5 波浪計(jì)算點(diǎn)位置圖（BL1～BL6 點(diǎn)）、水文測驗(yàn)點(diǎn)（A～C 點(diǎn)）

2.2.2 水流

根據(jù)本工程水文測驗(yàn)報(bào)告， 附近測點(diǎn)#C 漲潮最大流速為24 cm/s，流向316°，出現(xiàn)在0.6H 層；垂線平均最大流速為14 cm/s，流向311°。 落潮最大流速為16 cm/s，流向152°，出現(xiàn)在表層；垂線平均最大流速為15 cm/s，流向152°。

通過對工程所在海域波浪和水流數(shù)據(jù)的分析，3# 泊位碼頭前沿的波浪和自然水流都較小，對基床的影響較小。 同時(shí)可排除浚深施工的人為因素影響。

通過對碼頭2#、3# 泊位船舶靠離泊的方式進(jìn)行調(diào)研，2#、3# 泊位在靠泊萬噸級以下船舶時(shí)沒有采用拖輪進(jìn)行輔助靠泊，而是通過自身動力進(jìn)行回旋制動靠泊；2#泊位在萬噸級以上船舶靠泊時(shí)采用單艘拖輪輔助或者兩艘拖輪輔助的方式。 2# 和3#泊位船舶靠泊時(shí)均是船尾對著兩個(gè)泊位的過渡段（圖1）。 而船舶靠泊時(shí)制動產(chǎn)生的水流和船舶離泊時(shí)啟動產(chǎn)生的水流流速均可能對該過渡段的拋石基床產(chǎn)生沖刷破壞。 同時(shí)，過渡段的拋石基床型式為明基床，基床厚度為3.3 m，相比暗基床更易被沖刷。 有關(guān)研究表明[2]，當(dāng)基床頂面流速達(dá)到2.4 m/s時(shí)，塊石的穩(wěn)定質(zhì)量至少要達(dá)到87.69 kg。而破壞范圍內(nèi)的拋石基床原設(shè)計(jì)采用10～100 kg 塊石， 基床型式為明基床，在水流長期的作用下，先將質(zhì)量不足的塊石沖刷，再將10～30 kg 塊石先行沖走，而重量大于30 kg 的塊石將發(fā)生移位、滾動，使得基床掏刷越來越嚴(yán)重。

綜上分析，3# 泊位與2# 泊位停泊水域過渡范圍的拋石基床破壞原因極大可能是因?yàn)榇翱坎春碗x泊時(shí)螺旋槳產(chǎn)生的水流流速較大，同時(shí)該段的拋石基床型式為明基床，更易受水流的影響而使拋石基床產(chǎn)生掏刷破壞。

3 修復(fù)加固方案選擇

3.1 常見的修復(fù)加固方法

對于拋石基床掏空或損壞，可采用塊石補(bǔ)拋結(jié)合升漿混凝土、壓灌水下不離析混凝土以及袋裝混凝土填補(bǔ)等方式進(jìn)行加固。 為防止拋石基床被沖刷破壞，可采用模袋混凝土、升漿混凝土矽化、柵欄板等混凝土構(gòu)件、大塊石等護(hù)底措施。 拋石基床修復(fù)加固方案需要明確兩個(gè)方面的工作：一方面是修復(fù)受損的拋石基床， 另一方面需對拋石基床坡肩、邊坡以及坡腳外沿的海底進(jìn)行覆蓋防護(hù)[3]。

3.2 修復(fù)加固工藝介紹

拋石基床修復(fù)方案的確定需分析不同填補(bǔ)修復(fù)方法和護(hù)底措施的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮當(dāng)?shù)氐氖┕l件、成本控制以及工程經(jīng)驗(yàn)等因素，經(jīng)方案比選后確定了袋裝混凝土+模袋混凝土+水下不分散混凝土的方案。 本施工方案主要工序： 高壓水槍沖淤→按修復(fù)斷面安放袋裝混凝土→水下安放土工模袋→泵送混凝土入模袋→扶壁底部基床掏空處及基床肩臺位置泵送水下不分散混凝土→基床肩臺不分散混凝土抹平。 基床加固方案圖見圖6。

圖6 拋石基床修復(fù)加固方案圖

3.3 修復(fù)加固施工技術(shù)要求

3.3.1 袋裝混凝土

袋裝混凝土的混凝土強(qiáng)度采用C25， 水膠比不宜大于0.4，混凝土內(nèi)可摻入適量的粉煤灰、減水劑等外加劑。 混凝土袋規(guī)格采用200 g/m2聚丙烯（丙綸）抗老化編織袋。 施工前所用的編織袋應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場見證試驗(yàn)或根據(jù)實(shí)驗(yàn)性施工過程中編織袋無破損、斷裂情況確定混凝土袋的規(guī)格。 袋裝混凝土上下間的豎縫要盡量錯開， 堆砌斷面要符合設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 模袋混凝土

土工模袋宜選用有紡?fù)凉た椢铮凉た椢锍叽绨凑招迯?fù)方案確定，模袋混凝土的填充厚度范圍為0.5～0.7 m，實(shí)際施工時(shí)厚度可調(diào)整。 模袋頂部預(yù)留泵送口，潛水員在水下配合插泵管以及對模袋表面進(jìn)行踩踏平整等工作。 模袋混凝土的強(qiáng)度等級為C25。 模袋與模袋之間貼合緊密，不留縫隙。

模袋混凝土的模袋加工尺寸應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求[4]和現(xiàn)場地形等確定，并應(yīng)預(yù)留收縮量；鋪設(shè)模袋前應(yīng)對坡面進(jìn)行處理整平， 整平度水下不大于150 mm；模袋鋪設(shè)時(shí)應(yīng)隨鋪隨壓。

3.3.3 水下不分散混凝土

水下不分散混凝土采用強(qiáng)度為C25 的混凝土。水下不分散混凝土的澆筑應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）水下不分散混凝土采用泵壓法進(jìn)行澆注。泵送水下不分散混凝土?xí)r，宜采用泵送能力較大的活塞式混凝土泵，并適當(dāng)增大管徑，減少彎頭和減小輸送距離。 （2）由于本工程基床修復(fù)長度較長，泵壓法施工可采用柔性軟管由潛水員移動澆筑位置，每次的澆筑面積宜為3～5 m2。 （3）混凝土泵的輸送管不得透水。 泵壓前應(yīng)排除管內(nèi)積水，泵送管前段應(yīng)安裝滑閥。 輸送管出口應(yīng)伸入混凝土內(nèi)300～400 mm。 （4）水下不分散混凝土宜在水流流速不大于5 cm/s 的情況下澆筑， 若澆筑時(shí)水流流速過大，應(yīng)設(shè)置擋水模板或其他擋水圍埝。 （5）水下不分散混凝土在水中澆筑落差不宜大于50 cm， 流動半徑不宜大于3 m。（6）混凝土澆筑的頂高程應(yīng)略高于扶壁前趾底標(biāo)高，且不高于扶壁前趾底高程10 cm。混凝土澆筑范圍不超過模袋混凝土邊緣。

4 修復(fù)加固效果檢驗(yàn)

通過上述基床修復(fù)加固方案實(shí)施后，可使基床與扶壁底齊平并恢復(fù)其承載能力。 同時(shí)采用模袋混凝土對明基床外側(cè)進(jìn)行護(hù)面和護(hù)底，增強(qiáng)了基床自身的抗沖刷能力。 在加固方案實(shí)施結(jié)束約30 d 后對基床修復(fù)范圍進(jìn)行水下探模檢測和水砣水深測量。

根據(jù)水下探模檢查結(jié)果顯示：修復(fù)范圍內(nèi)扶壁底部四周海床底質(zhì)是塊狀硬質(zhì)物體，底座前趾與海床齊平，扶壁與海床連接的位置完好，沒有發(fā)現(xiàn)破損、掏空或者其他缺陷，修復(fù)情況見圖7。 說明扶壁底部拋石基床掏空部分均已修復(fù)，且修復(fù)效果較好。

圖7 扶壁底質(zhì)塊體硬質(zhì)物體照片

根據(jù)水砣水深測量結(jié)果對拋石基床斷面進(jìn)行修復(fù)前后外輪廓對比，同時(shí)對扶壁前趾底標(biāo)高以及拋石基床修復(fù)后肩臺的頂標(biāo)高進(jìn)行明確。 水坨水深測量顯示基床肩臺有局部高出停泊水域設(shè)計(jì)底標(biāo)高，應(yīng)對高出部分進(jìn)行鑿除，確保停泊水域高程不高于設(shè)計(jì)底標(biāo)高。基床修復(fù)對比情況見圖8。由圖8可知，拋石基床修復(fù)效果較好。

圖8 拋石基床修復(fù)前后對比

5 結(jié)語

本次基床修復(fù)加固方案取得了良好的修復(fù)效果，碼頭基礎(chǔ)承載力也得到了恢復(fù)，提高了碼頭的適用性、安全性和耐久性，值得類似工程借鑒參考。在本次碼頭基床修復(fù)加固方案中存在著以下兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）由于基床修復(fù)范圍均為明基床，能否在基床與扶壁之間形成一個(gè)較為封閉的區(qū)域，使得水下不分散混凝土能充分填充扶壁底部以達(dá)到修復(fù)加固的目的。 本次修復(fù)加固方案通過安放袋裝混凝土和模袋混凝土修復(fù)明基床的基本輪廓后，與扶壁底板以及原拋石基床形成較為封閉的區(qū)域，可大大減少水下不分散混凝土的流失，而達(dá)到較好的基床的修復(fù)加固效果。 （2）本次修復(fù)加固后基床頂部約0.5 m 厚的區(qū)域采用水下不分散混凝土， 如何控制好基床頂面高程是十分關(guān)鍵的。 若出現(xiàn)高于停泊水域設(shè)計(jì)底標(biāo)高的情況，將需對高出部分進(jìn)行鑿除。