基于波浪和水流作用的碼頭結構設計與維護管理探討

吳 楠

（秦皇島港股份有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

碼頭是海洋運輸行業中貨物的重要集散地，隨著現代航運業的不斷發展，其結構的規模和復雜程度也在不斷提高。為了保證碼頭的安全運營，國內外學者對波浪和水流對碼頭結構的影響進行了大量研究。美國的國家海洋和大氣管理局（NOAA）已經建立了世界上最完善的海浪預報系統，荷蘭的迪爾特水利工程研究所對波浪對海堤、碼頭等結構的影響進行了系統研究，提出了多種防護和加固方案。我國海洋工程領域的技術工作者也進行了一系列的研究，如蔡勇[1]對軟土地基下的碼頭建筑設施進行了分析與監測；楊哲[2]結合具體工作實踐，對常見的水運工程質量問題進行匯總；冉望等[3]結合具體案例，分析了水運工程基礎設施排水施工技術。這些研究成果為我們深入探究波浪和水流對碼頭結構的影響提供了基礎。然而，碼頭的建設、維護和管理面臨著許多挑戰，其中包括波浪和水流對碼頭結構的影響。因此，深入研究波浪和水流對碼頭結構的影響，并探討合理的設計與有效的維護管理，具有重要的現實意義。

1 波浪和水流對碼頭結構的影響

1.1 波浪對碼頭結構的影響

1.1.1 波浪的基本特性

波浪是由水在多種自然因素相互作用過程中形成的，其中風力是主要因素之一。波浪通常由一系列起伏的水面組成，可以用波長、波高、波速等參數來描述其特性。不同類型的波浪可以按照其波形、波長、形成原因和傳播方式進行分類。

1.1.2 波浪對碼頭結構的破壞機理

波浪對碼頭結構的破壞機理主要有兩種：波浪的沖擊破壞和振動破壞。

一方面，波浪的沖擊力是造成碼頭結構破壞的主要原因之一。當波浪沖擊碼頭結構時，會形成壓力和沖擊力，這會導致碼頭結構產生彎曲和扭曲變形。同時，波浪沖擊還會使碼頭結構表面受到撞擊和剝離，加速結構物表面的磨損和腐蝕。

另一方面，波浪也會通過振動作用于碼頭結構上，引起結構的振動破壞。波浪產生的動力會通過水體傳遞到碼頭結構上，使結構受到振動，產生共振現象。這種振動會使結構受到動態載荷，導致結構發生應力集中，進而引起結構的破壞。

因此，波浪對于碼頭結構的破壞機理是多方面的，需要針對不同的情況采取相應的防護措施。

1.2 水流對碼頭結構的影響

1.2.1 水流的基本特性

水流是河流、海洋、湖泊等自然水體的水流動力學現象。水流的基本特性包括水流速度、流向、流量、涌動和漩渦等，這些特性決定了水流對碼頭結構的影響方式。在考慮水流對碼頭結構的影響時，需要綜合考慮水流的多個因素。綜合考慮水流的速度、流向、流量、涌動、漩渦、水質以及碼頭結構的材料性質、結構形式等因素，并采取相應的措施加以防范和治理，才能減輕水流對碼頭結構的影響，確保碼頭結構的穩定性和安全性。

1.2.2 水流對碼頭結構的破壞機理

水流對碼頭結構的破壞機理主要包括以下幾個方面：

（1）沖刷作用：水流的沖刷作用是指水流對碼頭結構表面材料的沖刷破壞。在水流中，懸浮的泥沙、礫石等顆粒物質會因水流的沖擊力量而撞擊到碼頭結構表面，導致表面材料被剝落或損壞，嚴重時會造成結構失穩或破壞。沖刷作用的強度主要取決于水流的流速、流向、水流中顆粒物的密度和大小等因素。

（2）擾動作用：水流的擾動作用是指水流對碼頭結構的振動和擺動作用。水流會引起碼頭結構產生橫向和縱向的振動力，導致結構發生振動、擺動，甚至產生疲勞破壞。水流的擾動作用強度主要取決于水流速度、流向、水深、水流中顆粒物質等因素。

（3）水動力作用：水動力作用是指水流對碼頭結構施加的動壓力，是水流對碼頭結構影響的主要方式。水流的沖擊力和壓力會對碼頭結構產生強烈的作用，特別是在水流急速流動的情況下，壓力和沖擊力更加顯著。水動力作用對碼頭結構的影響程度取決于水流的流速、流向、流量、水深等。

2 基于波浪和水流作用的碼頭結構設計方法

2.1 設計原則

對碼頭結構進行設計，不能忽略波浪和水流的作用，要確保碼頭結構的抗沖擊能力，要重視流線型設計，要充分考慮水動力效應，要確保碼頭結構具有可維護性和可持續性，要實施系統化設計。這是基于波浪和水流作用的碼頭結構設計應堅持的原則。

2.1.1 具備抗沖擊能力的設計原則

由于波浪和水流對碼頭結構產生的沖擊力較大，因此設計的碼頭結構必須具有足夠的抗沖擊能力。這可以通過使用抗沖擊性能較好的材料、增加結構的厚度和強度等方式來實現。

2.1.2 重視流線型設計的原則

在設計碼頭結構時，應在流體力學原理的指導下，采用流線型設計，減少水流的阻力和阻尼效應，從而減小水流對碼頭結構的影響。流線型設計可以通過改變碼頭結構的形狀、角度和曲率等方式來實現。

2.1.3 充分考慮水動力效應的設計原則

在設計過程中，需要充分考慮水動力效應對碼頭結構的影響。水動力效應包括局部水動力效應、全局水動力效應、脫離渦效應等，應根據具體情況加以分析和設計。

2.1.4 具有可維護性和可持續性的設計原則

碼頭結構的設計應當考慮其可維護性和可持續性，以便在使用過程中能夠方便維護和保養，并且具有較長的使用壽命。

2.1.5 實施系統化設計的原則

在進行碼頭結構的設計時，需要系統考慮波浪、水流等因素對碼頭結構的影響，充分考慮各種因素之間的相互作用，從而設計出一個更加穩定、安全和可靠的碼頭結構。

2.2 設計措施

為了實現波浪和水流對碼頭結構破壞程度的最小化，應從實際出發，綜合考慮以下設計措施。

2.2.1 減小結構的風險系數

對于受波浪和水流影響較大的碼頭結構，通常會使用結構的風險系數來評估其受到破壞的概率。通過減小結構的風險系數，可以降低結構受到破壞的概率，從而提高結構的穩定性。常用的方法包括增加結構的厚度、增加結構的抗傾覆能力等。

2.2.2 采用合適的材料

選擇合適的材料是設計過程中重要的內容。對于在海洋環境中的碼頭結構，通常需要使用高強度、耐腐蝕的材料，如鋼材、混凝土等。在選擇材料時還需要考慮材料的重量和成本等因素。

2.2.3 采用合適的結構形式

對于不同的碼頭結構，需要采用不同的結構形式來適應波浪和水流的作用。例如，對于在深水區的大型碼頭結構，可以采用浮動式或鉆井平臺式結構，這樣可以降低波浪和水流對結構的破壞。

2.2.4 采用合適的防護措施

為了減小波浪和水流對碼頭結構的破壞，常常需要采用一些防護措施，如堤岸、防波堤等。這些措施可以減小波浪和水流的能量，從而減小其對結構的破壞。

2.2.5 采用模擬和試驗研究

采用模擬和試驗研究可以對設計方案進行評估和優化。例如，采用風洞模擬波浪和水流對碼頭結構的影響，可以提供有關結構受力和位移的信息，從而優化設計方案。

2.2.6 進行定期維護和檢查

對于碼頭結構，定期的維護和檢查可以發現和修復結構上的裂縫、腐蝕和磨損等問題，從而保證結構的穩定性和安全性。

3 基于波浪和水流作用的碼頭結構維護管理

3.1 維護管理的重要性

碼頭結構的維護與管理對于保障碼頭的安全性和可靠性至關重要。波浪和水流的不斷作用會導致碼頭結構的損壞和疲勞，因此維護和管理是必要的。維護管理的重要性不僅體現在保障碼頭結構的安全和可靠性上，還可以延長碼頭的使用壽命，提高碼頭的經濟效益。同時，對于大型港口而言，合理的維護管理還可以降低碼頭的維護成本，提高碼頭的運行效率。因此，碼頭結構的維護與管理應該得到足夠的重視。

3.2 維護管理的內容

具體而言，對于波浪作用下的碼頭結構，需要定期檢查碼頭結構的穩定性和完整性，并進行修繕和加固。對于水流作用下的碼頭結構，需要注意水流對碼頭結構的沖擊力和振動幅度，定期檢查碼頭結構的承載能力和連接部位的穩定性，并進行維修和更換。

3.3 維護管理的流程

維護的具體流程為：首先需要對碼頭結構進行全面的檢測和評估，包括測量結構的幾何形狀和尺寸、檢測表面裂紋和腐蝕情況、評估結構的穩定性和承載能力等，以確定需要進行的維護工作。然后對于表面的龜裂和腐蝕問題，需要進行清理和處理。包括去除表面的污垢和腐蝕物，進行刷漆和噴涂等防腐處理，以保護結構的表面和延長其使用壽命。

再次，對于已經出現嚴重裂縫或者損壞的結構部分，需要進行加固和修復。包括使用鋼板或者混凝土加固，進行補丁和堵漏等維護和修復工作。維護和修復工作完成后，需要對結構進行監測和評估，以確保其穩定性和承載能力，及時發現和處理新的問題，避免出現安全事故。

3.4 維護管理的方法

（1）選用耐腐蝕材料：進行維護管理的加固和修復過程中，需要選用耐腐蝕材料，如不銹鋼、鍍鋅鋼板等，以減少受到海水腐蝕的影響。

（2）加強防護措施：對于海洋環境下的碼頭結構，需要加強防護措施，如使用抗海水腐蝕涂料、增加結構的厚度和強度等，以提高其抵御海洋破壞的能力。

（3）定期維護和檢測：為了保證碼頭結構的穩定性和承載能力，需要定期進行維護和檢測工作，及時發現和處理問題，避免出現安全事故。

（4）應急措施：針對突發事件，如強風暴、大浪等，需要建立應急預案，及時采取措施，防止碼頭結構受到嚴重破壞。應急措施包括加強監測、增加固定設備、加固碼頭結構等。

4 結束語

綜上所述，結論如下：

（1）波浪和水流對碼頭結構的破壞具有重要影響；

（2）波浪對碼頭結構的破壞機理主要有波浪壓力、波浪振動、波浪沖刷等，水流對碼頭結構的破壞機理主要有水流沖刷、水流侵蝕等；

（3）進行碼頭結構的設計時，應考慮防波堤的高度、傾斜角度、寬度等因素，減小波浪和水流的影響；

（4）開展碼頭結構的維護管理時，應定期進行檢查和維護，及時修復和加固受損部位，對防波堤進行涂裝處理，以保障碼頭結構的安全和穩定。

總之，面對波浪和水流對碼頭結構的影響，開展針對性設計和維護管理研究具有重要的理論和實踐意義。