内河架空直立式码头发展历程及发展趋势展望

戴 俊，吴林键，呙城新，彭华君，舒 丹

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2. 中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300)

内河运输具有运能大、运距长、能耗小、成本低、占地少、污染轻、节约能源等特有优势，发展内河运输顺应了我国经济可持续发展的战略要求。三峡工程的建设一方面为内河航运带来前所未有的机遇，同时也使库区码头的建设面临更为严峻的问题。三峡水库成库后水位落差高达30 m，使库区港口工程建设更加困难和繁杂；加之库区地形高差大，地质复杂并伴随地质灾害治理，导致港口码头建设成本大幅增加[1]。这给库区码头的建设造成了极大的困难。多年来，内河码头的主要结构型式包括：斜坡式、分级直立式、半斜坡式、半直立式、栈桥式、台阶浮趸式等，随着内陆经济和内河航道的发展，旧的码头结构型式及其装卸效率已不能满足新的建设环境条件和内陆经济发展的需求。基于上述原因，目前已提出一种内河架空框架直立式码头结构型式，该码头结构型式采用先进的装卸工艺，大幅提高了码头的装卸效率和通过能力，能较好的满足内陆经济发展的需求。但由于该结构型式存在框架结构复杂，纵、横联系撑繁多，桩基布置密集，经济性较差等问题。因此，现正在对库区架空直立式码头的结构型式以及其相应的构造、受力特性、经济性等方面进行进一步深入地研究，以求设计出更能适应大水位差和大水深的经济性更好、受力更优的库区码头结构型式，为库区大规模的码头建设提供技术指导和技术支撑[2]。

1 内河架空直立式码头发展历程

1.1 在国外的发展历程

对航运发达的欧洲地区所开发利用的的河流(如法国的罗纳河、卢瓦尔河，美国的密西西比河，德国的多瑙河、莱茵河，俄罗斯的伏尔加河、第聂伯河等)而言，其水位差大多在几米到十几米之间。而我国，长江、西江、川江以及澜沧江的水位差与国外所开发利用的河流的自然水文条件大不相同，其最大的水位差高达30 m。因此，由于国外所开发利用的河流不具有我国长江、西江、川江等河流高水位差的特征，所以，国外对于类似三峡库区内河大水深、高变幅水位码头的合理结构型式的研究就相当罕见，也几乎未见与内河架空直立式码头相应的码头结构型式的设计及研究成果[3]。

1.2 在国内的发展历程

自从20世纪60年代起，我国针对大水位差码头的结构型式和装卸工艺在川江、西江开始进行研究。经过几十年的工程建设和探索研究，在关于大水位差码头建设的技术、经济等方面总结了一些宝贵的经验。我国西部地区河流众多，水资源丰富，但大多属于山区河流，随着季节的变化，水位落差很大，最高可达30 m以上，因此，在我国西部地区所修建的码头，由于受到水文、地形、地质等条件的限制，大多采用了斜坡式码头的型式。经过多年的工程建设和研究，斜坡式码头已成为适应西部山区河流的主要码头型式，也是我国特有的码头型式[4]。

1.3 架空直立式与斜坡式码头的对比分析、发展趋势探讨

1.3.1 斜坡码头

采用趸船作为系靠船设施，用斜坡道与码头面连接，趸船随水位变化沿斜坡道方向移动为斜坡码头。斜坡码头的最大优点是结构简单、建设速度快，投资较少，对水位变化的适应性强。其缺点是趸船需随水位变化经常移泊，移泊作业麻烦，另外，它的部分装卸机械设在趸船上，作业受风浪影响大，在船与码头面之间有斜坡道连接，多了一个运输环节。装卸效率不高，运营成本较大，吞吐能力有限。

1.3.2 架空直立式码头

架空直立式码头是由接岸矮挡墙、栈桥结构和高桩框架平台结构等部分组成，码头前沿装卸作业通过集卡和岸边起重机共同协作完成，是主要用于集装箱装卸的码头结构型式。其优点是运输环节少，装卸效率高，吞吐量大，机械化程度高；缺点是造价较高[5]。

斜坡码头与架空直立式码头经济性、适用性对比情况见表1。

表1斜坡码头与架空直立式码头经济性对比

Table1Economiccomparisonofslopedwharfandvertical-facedframecontainerwharf

表1清晰地反映出斜坡码头投资较少、适应性强的优点和装卸效率不高、吞吐能力有限的缺点，以及出架空直立式码头卸装效率高、吞吐量大的优点和造价较高的缺点。

纵观近10多年的发展，即使架空直立式码头存在造价较高的缺点，但其仍在山区河流大水位差地区得到广泛的应用和发展，并也将是山区河流(包括长江上游、三峡库区)码头型式在今后的发展趋势，主要原因如以下几点[6]：

1)内河航道与枢纽的发展。经过多年内河航道的整治与建设，加之三峡大坝等枢纽地逐步完成，内河航道等级得以较大提高。由于航道等级的提升，长江 5 000 t级船可直达武汉，10 000 t级船队可直达重庆，促使了内河水运的迅速发展。

2)西部市场的发展。随着我国西部大开发战略的实施和西部地区经济的快速发展，促使我国东西部地区物资的贸易交流量和西部地区对外贸易量迅速增加。又由于水路具有运输成本低廉的优势，因而大量货物的运输会采用船舶集装箱运输方式。由此，水路运输中的集装箱运输量必将迅猛增长。

3)装卸工艺效率。直立式码头的装卸机械设在码头面上，其作业不受水位和风浪的影响，装卸效率高，吞吐量大；而斜坡式码头装卸机械设在趸船上，作业易受到水位风浪的影响，并且多了一个斜坡运输环节，导致其装卸效率低、运营成本高，吞吐量小，且安全性较差。

4)工程建设资金的增长。在过去，由于工程建设资金比较缺乏，在码头结构选型时往往优先考虑采用造价相对较低的斜坡式码头。但近10多年来，随着经济的发展和融资渠道的多样化，资金不再是主要的制约因素，码头结构选型时更多的是考虑其功能能否满足现在货物装卸量急剧增长的情况下高装卸效率的需求和地区未来经济发展的需要。

2 内河架空直立式码头的组成、通过能力及荷载组合计算方法

2.1 内河架空框架直立式码头的组成

内河架空框架直立式码头主要由基桩、高桩框架平台结构、横梁、纵梁、纵横联系撑、接岸矮挡墙、栈桥结构、岸坡和码头设备等部分组成。特点是结构在纵横向设置了较多的联系撑，在竖直方向设置了分层系缆。现已建成的某内河架空框架直立式码头的全景图、断面图如图1、图2。

图1 某内河架空框架直立式码头Fig.1 A vertical-faced frame container wharf in inland river

图2 某架空框架直立式码头结构的断面Fig.2 Profile of vertical-faced frame container wharf

码头前沿装卸作业通过集卡和岸边起重机共同协作完成[7]，其装卸工艺为：

2.2 内河架空框架直立式码头通过能力计算

码头通过能力是现代港口码头是否先进的重要判别标准。通过调研和分析内河现有码头的装卸工艺及实际现状，按式(1)计算模型计算内河斜坡式和架空框架直立式码头的通过能力，计算结果见表2：

(1)

(2)

P=np1K1K2

(3)

式中：Ty为码头作业天数，取330 d；G为设计船型的实际装卸箱量(TEU)或实际装卸量，t；tz为装卸一艘该类船型所需的纯装卸时间，h；tf为该类型船舶装卸辅助与技术作业时间之和，h；td为昼夜小时数，h，根据工作班次确定，三班制为24 h，两班制为16 h，一班制为8 h；ts为昼夜泊位非生产时间之和，h；ρ为泊位利用率，%；P为设计船时效率，t/h；n为前方装卸船设备台数；p1为装卸集装箱船设备台时效率，TEU/h；K1为集装箱标准箱折算系数；K2为装卸船设备同时作用率。

表2 码头通过能力计算结果

2.3 内河架空直立式码头荷载作用效应组合计算方法

目前，由于内河水位落差大，船舶荷载在码头结构上的作用位置随水位变动而变化，这使得码头结构计算中的船舶荷载工况增多，码头结构各构件受力变得更为复杂。由此，其他不同河流条件或结构型式的码头，其荷载作用效应组合计算方法与内河架空框架直立式码头有所区别。

经内河航道整治技术交通行业重点实验室对架空框架直立式码头结构进行模型实验、数值模拟、综合分析研究后，王多垠，等[8]提出了单位力法，该方法清晰地分析了各种工况对码头结构的作用，使码头结构计算结果更加准确，合理，该方法的荷载作用效应组合方法示意如图3(其中n为分层系缆的层数)。

3 内河架空直立式码头存在的问题及发展趋势展望

3.1 存在的问题

现已建内河架空框架直立式码头虽具有适应大水位差能力强、机械化程度高、吞吐量大、工人劳动强度低等优点，但存在下列缺点。

图3 作用效应组合方法示意Fig.3 Schematic diagram of effect combination method

3.1.1 水下工程量大

三峡大坝成功蓄水后，库区水位大幅提升，这对于三峡库区港口码头建设而言，过去利用长时间的枯水期(头年11月中上旬到次年4月中下旬)来进行港口码头建设的有利自然条件已不复存在，现面临的是长时间的深水期(头年11月到次年4月)和水位陡涨陡落的洪水期(7—9月可能出现的超过20 m以上的大水位差)，这就造成以往有利于码头建设的枯水施工期大幅缩短，库区码头建设将面临深水施工，码头建设水下工程量增大的问题。经对已建成的内河架空直立式码头寸滩码头研究，其排架间距小，桩基数目多，水下工程量巨大，施工期长，经济性较差。

3.1.2 码头结构复杂

通过对已建成的架空框架直立式码头寸滩码头的研究分析，为承受较大的水平荷载，提高码头结构的整体刚度，该码头结构型式设置了较多的纵、横联系撑，且桩基布置密集，排架间距较小，这就使得整个结构构造复杂，且对河流流势、河流演变造成一定影响，同时也增加了整个工程项目的造价。

3.2 内河架空框架直立式码头的发展趋势

重庆交通大学王多银、周世良等通过对已建内河架空框架直立式码头存在的问题的研究[1,3]，提出了粗桩大跨架空直立式码头结构型式的设计理念，即通过增加码头排架间距，减少桩基数目的方法来减少水下工程量，从而降低码头施工难度和工程造价；用加大桩径的方式来提高码头承载能力和刚度，减少码头纵横联系撑的数目，从而简化码头结构，优化结构受力。目前,粗桩大跨架空直立式码头结构型式凭借其适应大水位差能力强、机械化程度高、吞吐量大、工人劳动强度低、受力更合理，结构更简单，施工更容易，经济性更好等特点，在库区码头建设中的应用前景越来越广泛。

针对架空框架直立式码头结构型式的发展趋势，因叉桩或斜桩基础能有效地承受水平荷载，提高结构水平向刚度，减小码头结构在水平荷载作用下的横向位移，从而可使架空框架直立式码头结构在保证刚度的同时大量减少纵横联系撑的数量，减少水下工程量，降低工程造价。加之码头嵌岩斜桩施工技术[9]和大直径全断面斜桩嵌岩施工技术[10]等嵌岩斜桩或叉桩技术的不断发展和逐步成熟，使得在内河岩基地区修建嵌岩斜桩(叉桩)基础成为了可能。故笔者认为：该码头结构型式的桩基础会由全直桩基础向直桩 + 斜撑基础、直桩+嵌岩叉桩或斜桩基础发展。

4 结 语

笔者基于三峡库区蓄水对内河码头建设的影响和西部经济迅猛发展的背景，介绍了内河码头建设面临的新问题和内河码头结构型式的发展历程，重点讲述了内河新型码头结构型式——架空框架直立式码头在国内外的研究现状和发展历程，详细阐述了内河架空框架直立式码头的组成、通过能力、荷载作用效应组合计算方法，并叙述了现已建成的内河架空框架直立式码头存在的问题和该结构型式的发展趋势，提出采用直桩+嵌岩叉桩或斜桩的思路来优化码头结构，降低建设成本，为三峡库区新型码头结构型式的发展提供参考。

[1] 温焰清,王多银,杨洪祥,等.三峡库区码头结构新趋势的探讨[J].港工技术,2010,47(6):35-37.

Wen Yanqing,Wang Duoyin,Yang Hongxiang,et al.Discussion on new trend of Three Gorges Reservoir wharf structure [J].Port Engineering Technology,2010,47(6):35-37.

[2] 王多银,周世良,刘明维,等.三峡库区港口码头建设的基本原则探讨[J].重庆交通学院学报,2003,22(增刊1):107-111.

Wang Duoyin,Zhou Shiliang,Liu,Mingwei,et al.Study on construction basic principle of harbor in the Three Gorges reservoir [J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2003,22(S1):107-111.

[3] 王多银,宋成涛,温焰清,等.三峡库区变动回水区架空直立式码头结构形式研究[J].水运工程,2011(3):54-58.

Wang Duoyin,Song Chengtao,Wen Yanqing,et al.Research on overhead wharf structural pattern in fluctuating backwater area of Three Gorges reservoir area[J].Port & Waterway Engineering,2011(3):54-58.

[4] 曹周红,刘晓平,沈志刚.山区河流码头型式及其发展趋势[J].湖南交通科技,2004,30(2):90-92.

Cao Zhouhong,Liu Xiaoping,Shen Zhigang.Types of wharf in mountain river and its developmental trend[J].Hunan Communication Science and Technology,2004,30(2):90-92.

[5] 重庆市港航管理局.三峡蓄水后港口码头结构型式及筑港技术研究[R].重庆:重庆交通大学,2010:6-12.

Chongqing Port and Waterway Administration.The Research on Port Quay Structure Types and Pier Technology after Three Gorges Water Storage [R].Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2010:6-12.

[6] 吴友仁,王多银,吴宋仁,等.长江上游港口码头结构型式及其发展趋势[J].港工技术,2005(4):22-24.

Wu Youren,Wang Duoyin,Wu Songren,et al.On structural type of wharfs in upper reaches of Yangtze River and its development tendency [J].Port Engineering Technology,2005(4):22-24.

[7] 王多银,田建柱.大水位差架空直立式集装箱码头结构型式研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(1):139-143.

Wan Duoyin,Tian Jianzhu.Research on structure pattern of large water-head overhand-erection container wharf [J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2008,27(1):139-143.

[8] 王多银,石兴勇,丁德斌,等.内河架空直立式集装箱码头结构计算中的作用效应组合探讨[J].中国港湾建设,2005(4):33-35.

Wan Duoyin,Shi Xingyong,Ding Debin,et al.Study on loading combinations in structural calculation of high-pile container wharfs in inland rivers [J].China Harbour Engineering,2005(4):33-35.

[9] 李红伟,徐伟.钻孔灌注桩斜桩施工技术研究[J].建筑施工,2008,30(10):876-878.

Li Hongwei,Xu Wei.Study on raked construction technology for bored piles [J].Building Construction,2008,30(10):876-878.

[10] 杜天旦,陈宣东.大直径全断面斜桩嵌岩施工技术[J].水运工程, 2007(6):21-25.

Du Tiandan,Chen Xuandong.The construction technology of large diameter,whole section rock-socketed raking pile [J].Port & Waterway Engineering,2007(6):21-25.