港口码头老化评价体系研究

成小飞，王承强，江 浩，李天宇

(1.江苏海洋大学 土木与港海工程学院，连云港 222005；2.南京水利科学研究院，南京 210029；3.福建省交通科研院有限公司，福州 350000)

港口码头一直是水运交通不可或缺的命脉，近几年，港口码头建设也逐步向大型化、专业化和信息化方向发展，而一些使用年代较久的老旧码头因设施老化严重，泊位靠泊能力有限，已经渐渐不能满足现有大型船舶的停靠。因此，开展老旧码头的检测评估及后续的维修升级改造成为关注的重点。福建省作为东部沿海城市，现有福州港、湄洲湾港、泉州港及厦门港四大港区，码头数量400多座，码头建设结构型式主要为高桩梁板结构及重力式沉箱结构，很多码头建设年代久远，又常年受海水侵蚀、台风等自然条件影响，码头老化现象越发明显，而且有些码头已经达到其使用寿命，存在着较严重的安全隐患，码头管理者也逐渐关注码头在使用过程中是否安全，使用寿命还有多久，是否可以通过维修技改来提升停靠的船舶吨位等等。因此，考虑建立港口码头老化评价体系，较科学地评价码头老化的程度，从而采取相应的维修升级改造措施来缓减码头的老化，防止安全事故发生，避免造成不必要的经济损失和社会负面影响，其意义十分重大。

关于水工建筑物老化方面的研究，国内外很多学者已做了一些研究工作，比如徐云修等[1]对老化病害混凝土水工建筑物耐久性评估方法和耐久性分级标准进行了深入研究,并根据层次分析法原理, 建立了老化病害混凝土水工建筑物耐久性多层次综合评估模型；刘华鑫[2]对水利工程方面水工建筑物的老化问题开展了研究分析并提出了改善方法；娄树红[3]以韶山灌区工程为例，在观测调查的基础上，对病害老化情况进行了分析，依据老化指标的量化，明确了处理原则；陶佳亮[4]通过对临港镇朱田坞小型水库老化现象进行实地调查，并现场测试了部分水利工程，以此为依据，提出了水工建筑物工程老化评价指标体系需结合建筑物的功能性进行分析，采用系统分析的原理与层次分析方法建立起来；冯铁宾[5]研究了水利工程水工建筑物老化的常见现象，分析了水工建筑物老化及其进程，定性研究了水工建筑物老化评价方法，提出了老化度的概念；聂瑞林等[6]针对水利工程设施老化评价确定了评价指标体系,以寿命指标组、运转状况指标组、建筑物安全稳定指标组和水利因素指标组作为基本评价指标进行老化评价；李天科等[7]从土石坝各个结构体分析，建立了评价模型，进行评估分级，综合评价土石坝老化程度。以上研究工作还主要集中在水利工程水工建筑物的老化评价方面，关于港口航道与海岸工程老化评价体系的研究，目前国内外还研究较少，邓良爱等[8]为寻求更有效的航道整治工程沙枕防老化措施，分析了现有航道整治工程中沙枕防老化措施的类型及存在的局限性，并提出了较优的防老化措施；陈秀瑛[9]结合自身从事港口码头设计、加固等工作经验，着重分析了港口码头产生老化的基本特征、机理和演变规律，并提出了老化度评价模型，该模型主要是基于混凝土老化等8个大项指标，而对码头定期检查、测量及检测与评估等涉及的具体指标分析较少。

本文结合近几年从事码头检测与评估的经验，分析码头老化的常见因素；结合码头定期检查、测量、检测与评估等具体数据，提出港口码头老化的评价指标，建立较全面的、系统的港口码头老化评价体系，并以福建福清市沿海某散杂货码头工程老化评价为例，来验证该评价体系的科学性。

1 码头老化因素分析

码头老化是指码头工程随着运营时间的推移，受自身特性、运营环境、荷载条件、技术经济发展等因素影响，发生工程材料老化、结构损伤或功能下降等，从而引起的工程安全性下降或功能性退化的过程。码头老化伴随于码头运营的整个过程。结合近几年从事码头检测与评估的经验，分析了码头老化的常见因素。

(1)材料老化。码头结构主要由钢筋混凝土结构、钢结构及其他附属设施材料组成。其中钢筋混凝土结构由钢筋、水泥、骨料、掺合料等材料组成，这些材料在长时间的外界物理及化学作用下，其自身性能会下降，钢结构在外界环境中会出现锈蚀劣化现象，这些内部材料的功能下降会导致结构构件出现裂缝、破损、变形变位等老化现象。

(2)自然因素。因码头建设于沿海、内河港口区域，其常年受波浪、水流、潮汐、温度、湿度、风力、冰冻等多种自然因素影响，随着时间的推移，码头结构耐久性会降低，部分结构会出现破损、裂缝等现象。

(3)人为因素。码头前期设计、施工、检测、监理、质量验收等码头建设全过程中，因人员技术薄弱，缺乏合理科学性，码头运营期人为管理运用不合理，维护加固不及时以及人为的破坏，都加速了码头老化速度。此外，因设计考虑不周、选址不当、管理不善等出现航道或码头前沿停泊水域冲淤变化，淤积轻则影响码头正常停靠，重则可导致码头停运报废，冲刷会引起码头基床或岸坡局部掏空导致基础失稳，直接影响码头结构安全性。

2 码头老化评价指标

本文主要根据码头老化的成因、码头结构的不同部位，结合第三方检测机构开展的检测与评估数据，建立港口码头老化评价体系。港口码头老化程度采用老化度来表示，工程实践中采用定期检查、检测与评估的方式，结合其定期检查、测量、检测与评估结果，通过码头老化评价体系的分析，对照老化等级评价标准来综合评价港口码头老化度。

根据码头老化成因及检测评估数据，建立港口码头老化评价指标如图1所示。根据码头的老化成因及港口码头检测与评估内容，港口码头老化度(LHD)评价由码头整体稳定性、外观破损等11个分项评价指标(B)和码头沉降、位移等34个细项评价指标(C)组成。

图1 港口码头老化度评价指标Fig.1 Aging evaluation index of wharves

2.1 整体稳定性B1

码头整体稳定性B1具体由码头结构的沉降C11、水平位移C12及倾斜C13组成。其各项指标可通过现场仪器测量得到，对于使用5 a内的码头，建议每年观测1次，对于使用5 a后的码头，建议3～5 a观测1次，对每次观测的数据进行对比分析，得出码头整体的稳定性状况。

2.2 外观破损B2

外观破损检查包括水上构件外观检查C21和水下构件外观检查C22。水上构件主要从表观裂缝、剥离脱落和钢筋锈蚀状况三个方面检查构件破损情况，并记录每处破损位置、形态和程度。对于水下构件，目前主要采用水下探摸或者水下三维全景成像声呐系统进行观测。

2.3 混凝土劣化B3

混凝土结构劣化具体包括混凝土强度C31、碳化深度C32、钢筋保护层厚度C33、钢筋锈蚀电位C34、氯离子渗透性C35、冻融劣化C36及构件裂缝深度C377个评定指标，这些指标综合反映了混凝土构件的耐久性能，对评定码头的老化度起关键作用，可通过各种检测手段测试得到。

2.4 钢结构耐久性B4

对于码头结构构件有钢结构的情况，需评定钢结构的耐久性，具体包括构件锈蚀及防腐蚀措施状况C41、焊缝质量C42、钢材厚度C43。其中构件锈蚀及防腐蚀措施状态检查又包括锈蚀发生的位置、面积和锈蚀深度，涂层表面剥蚀情况，钢结构阴极保护效果等。

2.5 地基及基础完好性B5

对于重力式码头，具体检查基床和基础的冲刷、掏空状况C51，采用水下探摸或者水下三维全景成像声呐系统测得，对于高桩码头，还需增加桩基的完好性检测C52，可采用低应变检测及水下探摸相结合的方式测得，对于钢管桩结构，需进行钢管桩壁厚及防腐蚀措施状况C53检测。

2.6 接岸结构完好性B6

接岸结构主要有板桩和重力式两种结构型式，具体包括接岸结构的整体变形变位C61，测量其竖向位移、水平位移及倾斜状况，以及接岸结构的基础冲刷、掏空检查C62。

2.7 后方回填工程完好性B7

后方回填工程主要针对重力式码头和板桩码头，其完好性检查包括回填料密实状况C71，可采用地质雷达探测仪检测得到，后方棱体、倒滤层结构的完好性C72，钻孔结合开挖检查确定，回填土性检测C73，钻孔结合室内土工试验确定，还有墙后地下水位的测量C74。

2.8 岸坡完好性B8

岸坡主要针对高桩码头及浮码头，其完好性检查包括岸坡的变形变位检测C81，通过测量岸坡断面与原设计进行对比分析得到，岸坡的土性检测C82，通过钻孔及室内土工试验的方式确定。

2.9 轨道完好性B9

轨道作为港口码头作业的重要设施，其完好性检测通过检测其轨距C91、轨顶标高C92及同一截面两轨高差C93来综合确定。

2.10停靠船及防护设施完好性B10

其通过检查码头护舷C101、系缆柱及系环C102、护轮坎及护栏C103的完好性综合确定，以目测为主，检查其缺失、损坏等现象，作为每次定期检查的一项内容。

2.11码头前沿水深和冲淤变化情况B11

每年至少1次对码头前沿水深C111进行扫测，每年至少2次对码头前沿冲淤变化情况C112进行检测，可采用地形测量、水深测量、高程测量、水下探摸和摄像等方式，必要时采用水下采样进行粒径分析和启动流速试验。

3 评价模型

港口码头老化度评价模型是基于各层次、各评价指标的综合体。采用综合评价指数LHD来进行计算评价，老化度评价模型如下

LHD=ΣαiΣβjPij

(1)

式中：LHD为码头的综合评价指数，反映某一码头的老化程度，即老化度，取值范围为0～1，指数越小，老化程度越严重；αi为各分项评价指标Bi的权重系数，i为1，2，…11；βj为各细项评价指标Cij的权重系数，j为1，2，…n；Pij为各细项评价指标Cij的评分，根据定期检查、定期测量、特殊检测及检测与评估数据结合现场实际状况由多位经验丰富的专家分别评分，然后取平均值，评分标准参见表1，本文提出的评分标准是综合考虑了影响码头老化的各项指标，标准较细，具有科学合理性、可操作性，可以定量的开展码头老化度分析。最终将港口码头老化度分为5个等级：完好、基本完好、轻微老化、较严重老化、严重老化，见表2。建议企业应根据老化度评价等级对港口码头老化度为1级和2级的进行保养和小修，对3级的港口码头应进行中修，对4级的港口码头立即进行中修或大修，对5级的港口码头应停止使用，并立即进行大修，对无修复价值的应报废。

表2 港口码头老化评价等级Tab.2 Aging evaluation grade of port wharf

表1 专家评分标准Tab.1 Expert rating criteria

式(1)中权重系数αi、βj指某一评价指标在评价体系中的重要程度，它表示在其它评价指标不变的情况下，该指标项的变化对最终结果的影响。权重系数的大小与指标的重要程度有关，对于不同结构型式、不同使用阶段、不同装卸工艺的码头，每个评价指标对影响码头老化程度是不同的，所以各评价指标的权重系数须根据实际情况作出合理的规定。权重系数αi、βj的确定一般有两种方法：一是采用经验法确定，即针对具体码头项目通过采访有工程经验的专家和学者，以他们在实践中的经验分析该工程中哪项评价指标重要、哪项评价指标不太重要，从而综合确定各评价指标的权重大小；二是采用多因素统计法确定，即将各评价指标通过调查问卷的形式体现，以最重要、重要、次重要的等级让调查对象选择，再对调查结果进行统计分析，以分析得到的排序指数的大小来确定权重系数的大小。

4 评价原则

港口码头老化评价应采用分层综合评定与5级单项控制指标相结合的原则。有下列情况之一时，整个码头老化度应评价为5级：(1)沉降、位移严重，呈发展趋势，整体不稳定；(2)重要部位及构件有大量严重损坏或劣化，出现功能性损坏且发展迅速，不能维持使用；(3)后方接岸或接岸结构差异沉降过大、出现塌陷或大量漏砂，严重影响使用；(4)基床有严重冲刷损坏，墙身基底掏空深入长度超过墙身宽度的20%；(5)承载力低于设计值，或结构安全性、使用性、耐久性评估为C类、D类；(6)专家对评价指标中某一细项指标(Cij)评分Pij在[0，0.4)范围。

港口码头老化评价工作流程图如图2所示。

图2 港口码头老化评价工作流程图Fig.2 Flowchart of aging evaluation of port wharf

5 工程应用

以福建省福清市沿海某散杂货码头老化评价为例。该码头自2011年5月竣工验收投入使用至今已有8年，该码头建设有5 000 t级散货泊位1个，泊位长134 m，宽42 m，结构型式为沉箱重力式结构。根据本论文提出的港口码头老化评价体系对该码头开展老化评价工作。

经查阅该码头竣工、维护、定期检查、测量及检测评估等相关资料，发现该码头竣工资料完整，码头使用期未发生结构性安全事故，但使用期定期检查、测量及检测评估的资料较少，仅于2018年8月由第三方有资质的检测机构出具了该码头检测与评估报告，检测与评估报告的结论如下：(1)经水上构件外观检查，码头胸墙存在局部轻微剥离脱落、露筋，沉箱局部有轻微破损掉块，面层局部有轻微裂缝，后方抛石棱体结构基本完好，护轮坎局部有轻微破损、露筋，橡胶护舷缓冲板局部有破损，栏杆、吊机基础局部有轻微破损，系船柱较完好；(2)经水下探摸检查，抛石基床较完整，沉箱与基床连接处完好，沉箱外壁混凝土表观较完整，沉箱间错牙在规范允许范围之内；(3)经变形变位检测，码头前沿面层差异沉降最大值为0.051m，沉箱倾斜角度为+0.10°～+0.42°；(4)经码头前沿泥面高程测量，码头前沿存在不同程度淤积和冲刷，淤积高度为0.18～1.01 m，冲刷深度为0.35～0.58 m；(5)经钢筋保护层厚度检测，码头胸墙钢筋保护层厚度满足规范要求；(6)经混凝土强度检测，码头胸墙混凝土强度推定值大于设计强度等级；(7)经混凝土碳化深度检测，浪溅区胸墙的碳化深度测定值为3.5～4.5 mm；(8)经钢筋锈蚀状况检测，所抽取钢筋截面面积损失率为6.24%～10.18%，胸墙发生钢筋锈蚀的概率小于10%；(9)经钢轨完好性检测，钢轨表观较为完好，无破损磨耗情况，钢轨局部有差异沉降及偏位，同一截面两轨高差为1.2～4.5 mm，水平偏位为-10.2～8.5 mm；(10)根据《港口设施维护技术规范》对该码头设施进行技术状态评定，基床技术状态评定为一类(好)，沉箱技术状态评定为二类(较好)，胸墙技术状态评定为二类(较好)，后方抛石棱体技术状态评定为二类(较好)，面层技术状态评定为二类(较好)，钢轨技术状态评定为一类(好)，系船柱技术状态评定为二类(较好)，护轮坎技术状态评定为二类(较好)，橡胶护舷技术状态评定为二类(较好)，栏杆技术状态评定为二类(较好)；(11)该码头结构安全性评估等级为A，结构使用性评估等级为A，结构耐久性评估等级为B。

结合以上检测评估数据，并经码头现场检查，不满足5级单项控制指标中(1)～(5)，随后，安排10名经验丰富的专家对该码头涉及到的港口码头老化评价体系中每项指标Cij进行评分，取平均值作为每项指标的最终得分，评分标准参考表1，评分结果详见表3，因个别评价指标缺乏相关调查及检测等相关数据，本次未列入老化度计算，建议在今后的老化度分析计算中应补充开展涉及所有评价指标的检查、检测与评估等工作。由表3可知，Cij指标的Pij评分均大于0.4，也不满足5级单项控制指标第(6)条，可以继续开展码头老化度的计算。表3中的权重系数αi、βj采用经验法来确定，即由10名专家结合他们常年来在工程实践中积累的经验，针对该码头工程中涉及的各项指标的重要程度进行排序，综合确定这些指标的权重大小。经计算，该码头老化度LHD为0.768，查表2，老化等级评价为3级(轻微老化)。建议对该码头进行中修，对日常检查、检测过程中发现的老化问题进行维修加固，以尽快恢复其正常使用功能。

表3 该码头老化度计算表Tab.3 Aging evaluation calculation of this wharf

6 结论

(1)本文结合港口码头定期检查、测量、检测与评估等资料，提出了不同于以往的分类评价指标，建立了较全面的、系统的港口码头老化评价体系；(2)本文以福建省福清市沿海某散杂货码头工程老化评价分析为例，验证了该评价体系的科学性、可操作性；(3)随着港口码头逐步由建设阶段向维护阶段发展，如何科学地评价老旧码头，达到在安全的前提下延长其使用寿命的目的，建立完善的、系统的、可操性强的码头老化评价体系有着非常重要的现实意义。