三峡成库后库区码头基础形式分析及研究展望

（重庆交通大学，国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074）

三峡成库后库区码头基础形式分析及研究展望

刘明维，贾理，梁越，张小龙

（重庆交通大学，国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074）

三峡工程蓄水后库区码头建设面临异常复杂的水文环境和特殊的地质环境，码头基础设计和施工技术已经成为影响库区码头建设的瓶颈及技术关键。在全面调查分析库区码头建设的水文和地质条件基础上，系统总结并分析了库区码头常用5种基础形式的适用特点以及成库后存在的问题，并提出成库后码头基础形式的进一步研究思路，可为库区码头基础设计研究提供参考。

三峡水库；港口建设环境；常年回水区；变动回水区；码头基础

0 引言

三峡工程的建成，极大改善了长江上游的通航条件，长江航运作用进一步发挥，服务沿江经济发展的能力有了新的提高。2006年以来，国家对内河水运发展、长江黄金水道建设和长江上游航运中心建设提出系列意见和方案，重点推进长江干线港口码头建设。根据《重庆港总体规划》（2010）[1]，重庆港2020年港口货物吞吐量将达到21 260万t，是2010年的2.2倍；新建专业码头泊位达到432个，是2007年前所有专业泊位的5.5倍。三峡库区将逐步建成新田作业区、江南沱口作业区、青草背作业区，龙头山作业区等一大批专业化港口。长江上游航运业发展面临极好的历史机遇，三峡库区港口建设任务更为繁重。

三峡大坝建成后，库区内的水文条件和地质条件十分复杂，主要表现在以下方面：1）三峡成库蓄水后，常年回水区港口码头建设面临长时间的深水、年复出现的大水位差等复杂水文环境[2]；2）库区存在地形起伏大、岸坡陡、岩面出露、地质灾害频繁等问题，地形地质条件异常恶劣[3]。码头水下深基础的设计和施工技术已经超越了现有港口工程规范要求，成为影响库区码头建设的瓶颈及技术关键。本文在全面调查分析库区码头建设的水文和地质条件的基础上，系统总结并分析了库区码头常用基础形式的适用特点以及成库后存在的问题，并提出成库后码头基础形式的进一步研究思路，可为库区码头基础设计研究提供参考。

1 三峡库区复杂的水文条件

三峡库区分为常年回水区和变动回水区，如图1所示。就三峡库区目前主要港口建设河段的范围来看，可以将三峡库区长江河段分为江津至长寿和长寿至宜昌两段，其中长寿至宜昌段为三峡常年回水区，江津至长寿段为变动回水区。

图1 三峡水库变动回水区与常年回水区示意图Fig.1 Fluctuating and permanent backwater region of Three Gorges Reservoir

在三峡水库175 m（吴淞高程，下同）蓄水运行阶段，坝前水位将按照图2所示的“175—155—145”方式调度。汛后的9月中旬水库蓄水，坝前水位于10月中旬至12月底达175 m；次年1月至5月中旬水位由175 m逐渐降落至155 m，并维持在155 m；6月开始进入汛期限制水位145 m，6月至9月间维持在最低的145 m，最低通航水位可能出现在5月中下旬。长寿至江津段的常年回水区内枯水期大约为3月下旬至5月下旬期间，水位在158~166 m间。长寿以下段的常年回水区，水位呈现库区属性，主要受三峡水库运行调度方式影响，因此枯水期大约在3月下旬至6月下旬期间，水位为145 m左右。图3为变动回水区、常年回水区典型水文站实际水位过程线。

图2 三峡水库坝前水位过程（175—155—145 m）Fig.2 Dam front water level process of Three Gorges Reservoir（175—155—145 m）

图3 典型水文站2001，2008—2011年水位过程线（1—12月份）Fig.3 Typical gauging station water level process of 2001,2008—2011（January—December）

受此影响，库区港口建设在成库前一贯可资利用的枯水施工期（从头年11月中下旬到次年4月中下旬）不复存在，库区变动回水区面临长历时大水深（持续6个月以上，10~20 m或更大的水深）和大变幅水位（7至9月可能出现的超过20 m以上的大水位差）问题，常年回水区的新建码头也都将面临深水问题。库区码头建设水下工程量十分巨大，过去常用的内河码头建造技术与建造工艺均不再适用，已有成熟的码头结构形式及其设计计算理论也随之急需新的发展。

2 三峡库区特殊的地质、地形条件

长江上游河段属于典型的山区河流，天然状态下具有坡陡流急、水位变幅大，地形、地质条件复杂等特点。三峡库区重要的港口码头或拟建码头岸线区域的地形地质条件除部分具有滑坡、顺层岩质岸坡、深厚覆盖层等恶劣地质条件外，根据对设计与施工技术的影响，按照基岩埋深及岸坡坡度，可将常见港口地质地貌分为如下几类；缓坡裸岩型、缓坡浅覆盖层型、陡坡裸岩型、陡坡浅覆盖层型、缓坡松散堆积型，详见表1。

库区岸坡基本呈现裸岩或薄覆盖层、基岩纵横起伏较大、砂岩泥岩呈交错状的特点，后方岸坡陡、起伏大，港口陆域土石方量大。成库后水位大幅涨落使得岩土体易受水位影响，港口工程建设的地质问题较之前更为突出，建设难度和建设成本大幅度增加。

表1 三峡库区常见地质地貌分类表Table 1 Classification table of common geological landform in Three Gorges Reservoir area

3 库区码头常用基础形式

目前三峡库区常用的码头结构主要可以分为：斜坡码头、架空直立式码头、桥吊码头、框架墩式码头、分级下河公路等形式。码头基础形式主要包括大直径嵌岩灌注桩基础、钢护筒嵌岩灌注桩基础、嵌岩条形基础、非嵌岩条形扩大基础、低桩承台基础。

3.1 大直径嵌岩灌注桩基础

嵌岩灌注桩具有单桩承载能力大、沉降小、抗震性能好、群桩效应小的优点[4-5]，已成为库区岩石地基上架空斜坡码头、架空直立式码头、桥吊码头、墩式码头的主要基础形式，如图4~图7。

图4 架空直立式码头嵌岩灌注桩基础（单位：cm）Fig.4 Rock-socketed filling pile foundation of overhead vertical wharf（cm）

图5 框架墩码头嵌岩灌注桩基础（单位：cm）Fig.5 Rock-socketed filling pile foundation of framework pier wharf（cm）

图6 桥吊码头嵌岩灌注桩基础（单位：cm）Fig.6 Rock-socketed filling pile foundation of bridge hanging wharf（cm）

图7 架空斜坡码头嵌岩灌注桩基础（单位：cm）Fig.7 Rock-socketed filling pile foundation of overhead sloping wharf（cm）

嵌岩灌注桩基础需要进行现场钻孔和成桩，施工受水位影响较大，施工水位低，一般需要利用枯水期抢工完成。三峡工程蓄水至175 m高程后，大型码头采用大直径嵌岩灌注桩基础明显受到了深水条件的影响。

3.2 钢护筒嵌岩灌注桩基础

钢护筒嵌岩桩是在覆盖层较浅的深水码头和跨江桥梁建设中经常采用的深基础形式。在桩基施工前，在水上搭设钢平台，然后在钢平台上安装施工机械，先打入钢护筒形成围堰，在筒内进行钻孔、灌注施工，见图8。钢护筒嵌岩桩主要由两部分组成：一是埋入地层一定深度的钢护筒；二是钢护筒内进入地层更深的钢筋混凝土[6]。钢护筒的主要作用是作为施工措施，钢筋混凝土是主要受力构件。内河深水码头钢护筒嵌岩桩基础中钢护筒作为施工措施，施工完毕后一般不会拆卸，使用中钢护筒和桩芯混凝土具有明显的共同受力性质[7]。码头下部结构的两层钢纵、横联系梁焊在钢护筒上，钢护筒是整个码头排架的重要组成部分，在各种复杂码头使用荷载作用下，作为整体受力的钢护筒嵌岩桩承载性状更为复杂。钢护筒嵌岩灌注桩能满足深水码头建设需要，但其造价高，钢护筒和桩身混凝土界面受力复杂，钢护筒与嵌岩桩存在具有共同受力性质仍需要开展深入研究，是采用钢护筒嵌岩灌注桩急需解决的问题。

图8 架空直立式码头钢护筒嵌岩灌注桩基础（单位：cm）Fig.8 Steel casing rock-socketed filling pile foundation of overhead vertical wharf（cm）

3.3 嵌岩条形基础

库区部分散货、中小型件杂货及滚装码头中采用分级直立式码头形式较多，直立岸壁一般采用挡墙形式。当挡墙高度大于8 m时，挡墙基础通常采用嵌岩条形基础。基础为现浇混凝土或浆砌条石，基础进入中风化岩层一定深度（砂岩0.6 ~1.0 m，中风化泥岩1.0~1.5 m），如图9所示。嵌岩条形基础对地质条件要求高，对墙后荷载不如桩基结构敏感，能承受较大的地面荷载和船舶荷载，对于较大的集中荷载以及码头地面超载和装卸工艺的变化适应性较强，施工比较简单，维修费用少。

图9 嵌岩条形基础及非嵌岩条形扩大基础（单位：cm）Fig.9 Rock-socketed strip foundation and non-rocksocketed strip spread foundation（cm）

3.4 非嵌岩条形扩大基础

当地基覆盖层较厚，或在回填土上建设挡墙时，如果挡墙高度不大（一般在8 m以下），可以采用条形扩大基础。为了增大地基承载力，基础下一般设抛石基床，如图9所示。非嵌岩条形扩大基础的特点与嵌岩条形基础较为类似，但由于覆盖层或回填土的承载能力有限，故在墙高不大的码头中采用。

3.5 低桩承台基础

当地基覆盖层较厚、采用扩大基础不能满足承载力要求，或者码头在易滑地带建设时，为实现码头功能同时为了确保码头与岸坡整体稳定，可以采用低桩承台基础形式。如图10所示。承台与桩基共同受力，既可以作为上部挡墙的基础，同时对岸坡的稳定也有利。但该基础形式往往造价较高，施工有一定难度，受水位的影响较大。

图10 低桩承台基础（单位：cm）Fig.10 Low pile cap foundation（cm）

对三峡库区沿线主要港口码头进行调查，主要码头基础形式如表2所示。

4 三峡成库后现有码头基础形式存在问题分析

三峡库区码头在规模小、水深及水下工程量不大，地质条件较好，基础施工可进行围堰施工的情况下，可以采用嵌岩灌注桩基础、嵌岩条形基础、非嵌岩条形扩大基础、低桩承台基础形式。而对于库区大型深水码头，由于存在深水、大水位差的水文条件及薄覆盖层、裸岩、高起伏度等特殊地形地质条件，深水码头基础常采用钢护筒嵌岩桩形式。但是，钢护筒嵌岩桩基础在设计、施工及使用中存在如下急需解决的问题：

1）钢护筒嵌岩桩的理论研究成果较少，受力理论认识不清。目前钢护筒嵌岩桩采用的计算方法主要是通过钢管混凝土的套箍指标θ将钢管强度折算为混凝土强度来考虑其共同受力，或者只考虑钢筋混凝土桩的单独受力，仅仅把钢护筒当成施工过程中的一道工艺，并不考虑钢护筒参与桩身受力。并且因为目前对钢-混凝土组合变截面桩的施工要求不完善，钢护筒段的桩基施工质量得不到保证，JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》中也未对钢护筒嵌岩桩这种组合桩基做出具体规定。可能造成工程造价增大或存在安全隐患，急需系统开展钢护筒嵌岩桩承载性能研究。

表2 三峡库区部分码头基础形式汇总表Table 2 Summary table of partly wharf foundation type in Three Gorges Reservoir area

2）钢护筒嵌岩桩施工工艺复杂，成本高，难以在一般中、小码头中使用。由于钢护筒嵌岩桩施工往往优先采用水上平台，必须考虑能承受大吨位钢护筒下放，钻孔机械施工及流速等荷载，还应满足冲刷要求，同时平台由辅助部分和钻孔平台两部分构成，结构较为复杂。因此水上平台施工技术往往造价较高，施工难度大，急需研究更为经济合理的施工技术。

3）钢护筒嵌岩桩基础在使用阶段的防腐蚀要求不容易保证，影响结构的耐久性。涂装防锈漆是内河港工和桥梁结构防腐体系中的首选方式。根据工程实践经验，目前的防锈漆能在5 a左右有效保证防腐蚀效果[8]。由于三峡库区水流速度大，江水挟沙，对钢护筒嵌岩桩表面的防锈漆有很大的冲刷作用，降低了防腐体系的防护年限，如不妥善处理还将造成钢护筒锈蚀，桩基承载能力降低的严重后果。因此，开展钢护筒嵌岩桩基础防腐技术研究十分必要。

除以上应深入研究钢护筒嵌岩桩基础受力理论、施工方法、防护技术并进行优化外，提出新的可行的码头基础形式也是研究工作的重点。

5 三峡成库后码头基础形式研究展望

为了提出适于三峡成库后港口建设环境的码头基础形式，可按以下思路开展研究：一方面对现有码头基础形式进行系统研究并提出优化措施，另一方面提出新的码头基础形式。具体包括以下方面：

1）深入研究钢护筒嵌岩桩基础理论体系。研究钢护筒与桩身混凝土联合受力机理，特别是钢-混凝土界面的弱化机理，重复荷载作用下钢护筒嵌岩桩承载性能以及上部钢筋混凝土承台与钢护筒嵌岩桩间受力传递关系，进而完善其设计计算理论、施工规程、施工质量检测方法。

2）研究钢护筒嵌岩桩防腐技术及结构耐久性。针对三峡库区水流速度大，江水挟沙，对钢护筒嵌岩桩表面的防锈漆冲刷作用明显特点，开展内河钢护筒嵌岩桩防腐技术研究，提出适于内河库区钢护筒嵌岩桩的防腐技术，为钢护筒嵌岩桩在内河深水码头中广泛应用提供保证。

3）采用内河嵌岩斜桩基础形式，主要是通过开发和完善嵌岩斜桩的施工工艺来实现。嵌岩斜桩形式目前在库区码头中几乎没有获得应用，但已经在洋山三期工程、福建泰山石化10万吨级码头等工程中得到了应用[9-11]，有了一定的设计和施工经验。目前应加强库区深水条件下嵌岩斜桩的施工工艺研究，结合沿海已有施工经验，开发相应的施工设备，提出适于内河嵌岩斜桩的施工方案。

4）采用预制沉箱基础形式，由于库区地形地质条件不同于沿海，采用沉箱基础的难点在于水下基床（或水下基础）的平整问题，库区码头只能在适宜的地形地质条件下选用，否则应研究特殊的基床设计和施工工艺，这也是今后研究的方向。

6 结语

本文在全面调查分析库区码头建设的水文和地质条件的基础上，分析了库区码头常用基础形式及适用特点，提出成库后码头基础的设计原则、发展趋势。

1）全面调查分析库区码头建设的水文环境和地质条件，总结港口建设中库区变动回水区面临长历时大水深和大变幅水位问题，常年回水区的新建码头也都将面临深水问题以及库区常见的5种地形地质类型。

2）系统总结并分析了库区码头常用的5种基础形式，同时分析了每种基础形式适用性。

3）分析了三峡成库后现有码头基础形式适用性，重点分析了钢护筒嵌岩桩基础在设计、施工及使用中存在的问题及解决途径。

4）提出了三峡成库后码头基础形式的进一步研究思路，可为库区码头基础设计研究提供参考。

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Analysis and research prospects of the wharf foundation type after the three gorges reservoir area

LIU Ming-wei，JIA Li，LIANG Yue，ZHANG Xiao-long
（Chongqing Jiaotong University，National Inland Waterway Regulation Engineering Research Center，Key Laboratory of Hydraulic&Waterway Engineering of Ministry of Education，Chongqing 400074，China）

After the impoundment of Three Gorges Reservoir，wharf construction in Three Gorges Reservoir area is facing the difficulties of the complex hydrological environment and unique geological environment.Design and construction technology of wharf foundation became the bottleneck and key technique.Basing on the comprehensive survey of hydrological and geological condition in Three Gorges Reservoir area，the applicable characteristics of five kinds of commonly used wharf foundation type and existing problems of deep-water wharf foundation design are summarized and analyzed.And put forward the further study idea of wharf foundation.It is aimed at providing a reference of foundation design and study in Three Gorges Reservoir area.

Three Gorges Reservoir； port construction environment； permanent backwater region； fluctuating backwater area；wharf foundation

U651.4

：A

：1003-3688（2014）03-0013-07

10.7640/zggwjs201403003

2013-08-07

2013-09-02

国家科技支撑计划项目（2011BAB09B01）

刘明维（1972— ），男，贵州遵义人，教授，博士，主要从事港工结构及基础方面的教学研究。E-mail：mingwei_liu@126.com