港口水工建筑物损坏及加固修复

尹永欣，张敖，高凌霄

（中交天津港湾工程设计院有限公司大连分公司，辽宁大连116001）

港口水工建筑物损坏及加固修复

尹永欣，张敖，高凌霄

（中交天津港湾工程设计院有限公司大连分公司，辽宁大连116001）

码头加固改造多数是为了实现新的使用功能，相关研究也多侧重于具体的加固修复措施。文中介绍了不同结构形式的港口水工建筑物损坏类型，分析了损坏原因及危害，从加固修复的必要性角度探讨加固修复措施，以工程损坏及修复实例说明，科学合理地评估结构损坏对结构安全和使用功能的影响。根据使用要求和预期的使用寿命，采取经济合理的加固修复措施，对保证港口安全运营和节约投资均具有重要意义。

港口水工建筑物；结构损坏；加固修复

0 引言

近年来，越来越多的码头进行了加固改造，常规的码头结构加固改造已有若干设计方法和工程实例[1-3]，针对码头的检测、评估、修补等内容也颁布了相关规范[4-6]。码头结构的加固改造大多是在码头尚能正常运行时针对特定目标进行的改造，比如适应船舶大型化、改变其使用功能等。

中国标准[7]规定永久性的港口水工建筑物的设计使用年限为50 a，实际上，由于各种因素的影响，大量的港口水工建筑物尚未达到设计使用年限，就需要对结构进行大修。这类港口建筑物的加固修复不同于新建工程，也不同于有目的性的码头加固改造，而是由于结构损坏导致的修复，更多的是对原结构功能的恢复。

以往港口建筑物加固修复的研究多注重于具体的结构修复措施，而对港口建筑物损坏部位的危害程度和加固修复的必要性关注不够。分析此类港口建筑物的损坏原因，科学合理地评估其损坏程度对结构安全和使用功能的影响，总结其加固修复经验，有助于采取有针对性的合理措施修复加固原结构，经济合理地保证结构安全。

港口建筑物损害的原因既可能是自然因素，也可能是人为因素。有些因素是设计过程中难以考虑或者使用过程中不可预见的，有些因素是设计过程中需要考虑的，如波浪、潮汐、风、冰、正常的使用荷载等，这些因素对港口的损害也是多方面的。不同结构形式的港口建筑物，具有不同的损坏特点，相应地需要采取不同的加固修复措施。

1 防波堤及护岸工程损坏与修复

防波堤与护岸均属于防护型水工建筑物，常见的结构形式有斜坡式和直立式。直立式结构与重力式码头比较类似，这里着重介绍斜坡式结构。

1.1 波浪作用引起护面块体和挡浪墙的破坏

这种破坏形式是斜坡式建筑物最严重的破坏形式之一，通常由超出设计标准的波浪引起。护面块体的破坏多表现为块体失稳导致滑落、滚落，造成下部垫层块石裸露。由于垫层及内部堤心石规格一般较小，抗浪能力弱，在波浪作用下防波堤和护岸将造成严重的破坏，并对掩护区域的安全造成严重影响。

挡浪墙的破坏将造成防波堤或护岸挡浪能力不足，大浪作用时越浪量增大，并危及护面块体的安全，进而影响整个堤身的安全。

护面及挡浪墙的破坏一般是由于稳定重量不足而引起的，但产生的原因可能多种多样，如海底地形局部凸起，会造成波浪向水深较浅处折射，引起波能集中。堤身轴线向内折角处也会引起波能集中。另外，水深变浅，波浪破碎，也会使波浪能量向水体表面聚集，容易造成堤身破坏。因此在设计中应充分调查设计条件，全面考虑多方面因素，并结合模型试验的研究。

若护面、挡浪墙发生破坏，可以对原结构进行修复，但更重要的是复核原防护结构的安全性，必要时应采取更坚固安全的防护措施。

1.2 护底的破坏

护底破坏，一方面会造成护面块体的滚落，进而造成护面的破坏；另一方面，可能会造成堤前土体冲刷，影响堤身的整体稳定，尤其是软土和砂土地基更易出现此类问题。

护底块石的稳定重量由堤前波浪底流速确定，若波浪底流速判断不准确，或者护底块石重量选择不当，可能会造成护底的破坏。但这种情况通过严格的自然资料和设计质量把控是可以避免的。

在浅水区域，尤其是当波浪临近破碎或已经破碎时，波浪直接作用在护脚棱体甚至护底块石上，此时护底块石重量不应仅由波浪底流速确定，而应考虑波浪的直接作用。这方面因素是设计者容易忽略的问题，设计中尤其需要注意。

若护底的破坏尚未对主体结构产生影响，仅需要对护底进行加固、修复即可。若主体结构已塌陷或损坏，还需根据实际情况对主体结构进行加固修复。

1.3 地基变形对斜坡式结构的损害及加固

建设在软土地基上的防波堤或护岸等斜坡式结构，地基的稳定性对结构的影响不可忽视。地基变形，导致建筑物产生沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜等，当变形量大于地基的容许变形值时，会影响建筑物的正常使用，甚至危及建筑物的安全。

软土地基上的斜坡式结构发生破坏通常表现为2种情况，一是结构整体失稳、滑坡，对建筑物产生严重破坏，必须从设计源头上避免出现这种情况。另一种是地基沉降或局部被淘刷，可能导致护底下沉、护面滑落、堤身产生较大变形。设计时应充分考虑地质因素，采取合理措施保证结构安全。

1.4 护面块体耐久性的损害及加固

海港工程混凝土在海水腐蚀、冻融循环等影响下，易造成表面损坏，这属于耐久性方面的损害。由于护面块体大多以自重作为其稳定性的来源，因此构件表面的裂缝、少许混凝土的剥落一般不会对其安全产生严重影响。但若构件表面的损害持续发展，则可能造成构件的断裂，这将影响块体的稳定性。因此在设计阶段采取合理的措施，提高其耐久性是非常必要的。

对于扭工字块、扭王字块、四脚空心方块等块体，一般采用素混凝土结构，因此结构表面的损坏只要不影响块体完整性，经过评估论证后，通常无需修复。对于栅栏板结构，若构件损坏严重，影响整体性，可将破损栅栏板拆除，用新的栅栏板替换。对于干砌块石和浆砌块石结构的护面，在冻融作用下容易损坏，由于破坏了原护面层的整体性，会影响到结构安全，因此需要进行修复，可采用混凝土将结构重新连接成整体。

1.5 工程实例

1.5.1 某防波堤损坏及修复实例

某防波堤建于20世纪50年代，采用斜坡式结构，外侧护面采用扭工字块，西侧护岸为栅栏板护面。检测结果[8]显示：“防波堤水下基础局部有淘空现象，防波堤西侧栅栏板排列整齐，棱角分明，无外观劣化；防波堤东侧扭工字块排列杂乱，部分扭工字块有掉棱掉角”。

分析认为，防波堤水下基础局部被淘空，影响结构整体安全，需进行修复，补抛护底石料及护面块体。栅栏板结构基本完好，无需采取措施。扭王字块排列杂乱，需检查垫层结构的平整度和护面块体的勾连情况，勾连情况良好、块体未缺失的部位可不做处理；若块体缺失或勾连较差，需补充安装护面块体。扭王字块掉棱掉角应视损坏程度确定，一般的掉棱掉角不影响其勾连，可不做处理。

1.5.2 某护岸损坏及修复实例

某斜坡式护岸建设在软土地基上，外侧采用扭王字块和块石护面，抛石堤心，后方为回填砂。检测结果[9]显示，护岸多处出现扭王字块和护面块石沿坡面下滑情况，部分位置扭王字块未形成紧密排列；扭王字块混凝土表面多处出现蜂窝和麻面现象，内部石子外露；护底未发现明显淘刷。

经分析论证后认为，坡脚处软土地基未经处理，地基沉降导致护底下沉、护面块体下滑，进而引起扭王字块护面未形成紧密排列，造成垫层块石裸露，波浪作用下影响结构安全，因此应补充安装护面块体，护底处也应补抛块石修复。

扭王字块混凝土表面的蜂窝和麻面对稳定性影响不大，考虑到护岸的剩余使用年限仅有15 a左右，经评估后认为可不做处理。

2 重力式码头的损坏与加固修复

2.1 码头稳定性问题

重力式码头（包括重力式防波堤和护岸）若结构的抗倾覆、抗滑动稳定性不足，在波浪力、土压力、船舶荷载等外部荷载作用下可能出现整体倾覆和滑动。一般情况下可通过可靠的设计计算和严格的施工质量控制来避免。但对于波浪较大的开敞式结构，设计波要素的准确和波浪力的计算显得尤为重要，同时地质资料的可靠性是保证地基承载力计算可靠的重要前提。

重力式码头一旦出现整体稳定的失稳，往往意味着较严重的破坏，修复加固措施也需要专题研究。

2.2 倒滤结构损坏

重力式码头后方通常设置倒滤结构，若倒滤结构设置不当，容易造成后方填料的流失，一方面危及结构安全，另一方面影响码头面的使用功能。倒滤结构不参与结构受力，但却是保持结构稳定的关键环节之一。倒滤结构一旦破损，往往需要对土体开挖恢复其功能，或者采用胶凝材料固化土体，前者影响码头作业，后者造价高、施工困难。

2.3 基床破坏和地基冲刷

直立式结构若对底流速估计不足，基床在波浪作用下易冲刷损坏，从而引起结构前倾。尤其是对于高基床或水深较浅而波浪较大的结构，基床顶面的护面块体是需要重点研究的问题。

对于可冲刷地基，码头前的护底也是一个值得重点关注的问题。若地基受水流作用或波浪底流速作用而被冲刷，将危及整个结构的稳定性。

2.4 耐久性问题

对沉箱、空心方块、扶壁等薄壁结构来讲，若混凝土耐久性不足，容易造成钢筋锈蚀和表层混凝土剥落。对于开孔沉箱，由于开孔结构受波浪冲击时作用力复杂，若开孔处混凝土产生裂缝或冻融破坏，在波浪作用后很容易造成混凝土表面剥落，从而影响整个结构的耐久性。

一般来讲，重力式结构是依靠自身重力作用维持结构的稳定，混凝土结构的耐久性问题短期内对结构安全不至于产生严重影响。但若持续作用造成构件的破坏，则容易影响结构稳定。

因此，对重力式结构的耐久性损坏，应视损坏部位对结构安全的影响程度、修复的难以程度、资金投入等因素综合确定。若结构的局部破损不影响预期使用寿命内的结构整体安全，可不采取加固措施。若结构破坏严重，直接修复成本高，在原码头前方新建结构物（如设置板桩等）也是一种可供选择的方法。

2.5 工程实例

与2.5.1中防波堤位于同一位置的岸壁式码头，采用重力式沉箱结构，经检测[8]，水下基础完好，码头没有明显沉降、位移，结构外观良好。

由于重力式结构靠自身重力提供稳定性，即使沉箱外壁表层混凝土发生碳化，短期内也不会影响结构整体的安全与使用。因此在结构外观良好的情况下，检测单位未再进行钢筋锈蚀、氯离子侵蚀、混凝土碳化深度等检测。

3 高桩码头的损坏与加固修复

3.1 码头面荷载的影响

在承受码头面堆载方面，高桩码头与重力式码头具有显著的区别。码头面荷载随着重力式码头后方填料厚度的增加而逐渐扩散，因此重力式码头对局部超载的适应能力较强。但高桩码头的局部超载会直接造成梁板构件的破坏，超载较多时还可能对桩基造成破坏，而且高桩码头的构件一旦破坏，很难修复或替换。

3.2 船舶荷载的影响

对重力式码头而言，除了墩式码头以外，撞击力对结构影响不大，而系缆力多数情况下在码头所受外力中占比较小，通常不是结构稳定性的控制工况，因此重力式码头对船舶荷载的稍许变化不敏感。但高桩码头不同，系缆力、撞击力的变化均可能导致桩基受力的变化，影响结构安全。因此对高桩码头而言，严格限制船舶靠泊速度和允许停靠的最大风力，是很重要的问题，超出设计标准的靠泊、系缆均有可能造成结构损坏。

3.3 耐久性问题

由于高桩码头上部结构底部一般位于浪溅区，易受潮湿水气聚集影响，极易造成混凝土和钢筋的腐蚀。因此相对于重力式码头而言，采用同等类型混凝土高桩码头混凝土构件，其耐久性更差。尤其是钢筋混凝土结构的耐久性问题造成梁板等构件承载力下降，更加影响高桩码头的结构安全。因此高桩码头防腐蚀设计显得尤为重要。另外，高桩码头结构分段不合理、伸缩缝处理不当、桩基选型不合理等因素，均可能造成结构破坏。

高桩码头的桩基、梁板都是耐久性的薄弱环节。桩基的损坏通常发生在水位变动区和浪溅区的桩头部位，例如桩头裂缝、桩头破损、与横梁连接失效等。梁板下方水气聚集，混凝土裂缝使钢筋锈蚀，钢筋锈蚀又加剧混凝土开裂，严重者可导致保护层混凝土剥落、钢筋外露，甚至构件完全丧失承载力。

对于高桩码头而言，桩、梁、板等构件的破损意味着承载力的降低甚至消失，对结构安全性的影响更为严重，一般都需要采取合理的加固修复措施，恢复结构的承载力。高桩码头梁板结构下方作业空间有限，又受潮位影响，修复施工相对困难，造价较高，因此从设计源头上提高其耐久性和承载力显得尤为重要。

3.4 工程实例

3.4.1 桩基损坏及修复实例

某高桩码头桩基采用先张法高强预应力混凝土管桩（PHC管桩），上部采用现浇横梁、预制纵梁、叠合面板的装配式混凝土结构。根据检测结果[10]：“混凝土强度基本达到设计强度，但PHC管桩存在损坏，3根PHC管桩与上部横梁连接处出现脱离现象，19根PHC管桩出现裂缝。经检测，裂缝产生的形态基本一致，均为桩头处沿主筋方向竖向开裂，沿桩周均匀分布”。初步分析是由于沉桩应力使桩基产生裂缝，在冻融作用下裂缝宽度持续增大。

桩基的破损已经影响到码头结构的安全，因此对有裂缝的PHC管桩均使用钢套管进行加固保护，内部进行灌浆封闭。

3.4.2 混凝土梁损坏及修复实例

某码头靠船墩之间设混凝土梁连接，检测结果[8]：“预制梁混凝土表面可见局部锈迹，梁底部锈迹普遍，锈蚀裂缝大于1.0 mm；局部有混凝土剥落；浪溅区混凝土中氯离子含量和氯离子扩散系数超过现行标准要求，预制梁混凝土强度推定可达C40”。

该码头的混凝土梁，有相当一部分构件劣化度外观评估等级为C级或D级，抽取其中3个严重腐蚀的构件，检测发现其钢筋截面积的损失率高达16%~29%。钢筋锈蚀导致混凝土开裂剥落，保护层厚度不足，核算其剩余耐久年限不足5 a，承载力也不满足要求。由于该混凝土梁易于替换，因此建议进行技术经济比较，对新建混凝土梁替换和原混凝土梁加固两种方案进行对比。

3.4.3 某高桩码头上部结构损坏及修复实例

某高桩梁板式码头[11-12]，基桩采用550 mm× 550 mm混凝土方桩。由于长期的超载使用造成码头梁板结构破损严重，经检测：“整个泊位受损严重的主要是原码头结构的后承台，横梁评级，B级10根，C级12根，D级32根。其中有9根横梁损坏较严重，贯通裂缝开展深度超过100 mm，还有2根横梁端部混凝土被压碎。纵梁破损程度评级，B级176根，C级22根”。

结构修复方法：1）纵横梁裂缝修复：对于宽度小于0.5 mm的裂缝，沿裂缝凿开一条宽约10～20 mm，深达钢筋表面的凹槽，对钢筋人工除锈，清水清洗钢筋和混凝土的表面，彻底除去其盐份。对于已经锈蚀的钢筋需要补焊钢筋。涂刷界面处理剂，用聚合物修补砂浆将凹槽封填。对于宽度大于0.5 mm的裂缝，采用灌浆修补。2）混凝土脱落修复：对混凝土部分剥落、露筋构件，需整块凿除钢筋保护层上的混凝土，腐蚀钢筋处理后立模板浇筑C45修补高性能混凝土。3）碳纤维加固：因码头构件长期处于潮湿状态，使用的补强材料必须具有湿固化性能。外贴碳纤维补强在构件混凝土修补完成后进行。粘贴碳纤维施工结束后进行涂层防腐处理。

4 结语

本文结合具体的工程案例简要介绍了常见的港口建筑物损坏的类型，更多的侧重于超过设计标准的环境荷载和耐久性因素引起的破坏，希望本文能够对港口建筑物的加固修复起到借鉴作用。

港口结构物的加固措施通常建立在对原结构的详细检测和准确评估基础上，科学合理地评估结构损坏对结构安全和使用功能的影响，根据使用要求和预期的剩余使用寿命，采取经济合理的加固修复措施，对保证港口安全运营和节约投资均具有重要意义。

港口建筑物的损坏形式多种多样，采取的加固修复措施也各不相同，本文仅是对常见情况进行了概述性的总结，有待于继续深入研究。

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Damage of harbor and marine structure and reinforcement restoration

YIN Yong-xin,ZHANG Ao,GAO Ling-xiao
（Dalian Branch Company of CCCC Tianjin Port Engineering Design&Consulting Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116001,China）

Most reinforcement of harbor is to achieve the new function,on which the study usually focuses on the specific reinforcement and restoration measures.We introduced the different structural types of damage on the harbor and marine structure,and analyzed the reasons and the harmful effects of structure damage.In the aspect of restoration necessity,we explored the reinforcement and restoration measures.From the damage and repair of engineering examples,we have scientifically and reasonably evaluated the impact of structural damage to the safety of the structure and function.According to the service requirements and expected service life,it is great significance to ensure the safe operation of the port and save investment by adopting the economic and reasonable reinforcement and repair measures.

harbor and marine structure;structure damage;reinforcement and restoration

U657.3

A

2095-7874（2017）05-0053-05

10.7640/zggwjs201705012

2016-10-06

2016-12-25

尹永欣（1984—），男，山东青州人，工程师，主要从事港口与航道工程设计工作。E-mail：yongxin4321@163.com