白茆沙持续冲刷对鑫海码头的结构安全影响*

谢华伟，于传见，杨 斌

(1.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；3.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，浙江 杭州310018)

长江下游航道水下地形复杂多变，岸坡冲刷变化频繁。根据多年监测结果显示，白茆沙水道“南强北弱”态势持续增强[1]，南水道整体上以冲刷为主[2-3]，深水航道南岸近岸区域冲刷明显，已严重威胁到码头水下岸坡稳定及主体结构的安全[4]。为了全面掌握码头结构的健康状况，根据水运工程的相关行业技术规范[5-7]，需对码头岸坡的水下地形进行重新测量，以分析码头区的冲淤情况；并根据前期设计、竣工资料，对码头的上部结构构件、桩基的承载力和整体稳定性进行复核计算，确认码头在受水流冲刷后是否满足安全性要求，为下一步实施维修加固提供决策依据[8-10]。

本文依据相关规范要求，对太仓港受冲刷影响较为严重的鑫海码头进行安全影响复核。对于码头结构安全性、岸坡稳定性不满足要求的，提出修复、加固等治理建议，可为该类工程安全复核提供一定的借鉴。

1 工程概况

1.1 码头概况

太仓港古称浏家港，于20世纪90年代建港，目前共有鹿河、新泾、荡茜、浮桥、茜泾5 个作业区，已初步形成以浮桥作业区集装箱运输为核心，矿石、煤炭等散货运输为重点，并相应发展石化特色中转和为临港工业服务的货主及商贸码头相结合的总体格局。至2018年底，港区共有生产性泊位82个，总长度14.327 km，散货、件杂货通过能力为1.1亿t，集装箱通过能力445万TEU。

太仓港受冲刷码头主要位于新泾与荡茜作业区，自上游向下游分别为鑫海码头(原美锦码头)、万方码头、润禾码头、武港码头、华能港务码头和华能电厂码头。本次结构安全影响分析对象为上游鑫海集装箱码头，其泊位基本情况见表1，设计断面见图1、2。

表1 鑫海码头1#～3#、5#泊位基本情况

图1 鑫海码头1#～3#泊位断面(尺寸：mm；高程：m)

图2 鑫海码头5#泊位断面(尺寸：mm；高程：m)

1.2 水文、地质条件

白茆沙河段北水道落潮为优势流，落潮流大于涨潮流，平均流速比约为v涨/v落=0.75；南水道在中枯水时涨潮流大于落潮流，平均流速比约为v涨/v落=1.5。大洪水情况下南水道表现为落潮流大于涨潮流，流速比约为v涨/v落=0.8[11]。根据实测资料分析，2002—2020年南水道分流比总体增长约14%。其中2018年8月南水道落潮分流比达到了73%，2020年8月更是达到了74.6%的历史高值，南强北弱的分流格局愈加明显[12-14]。

根据最新勘测资料，工程区勘探范围内揭露的地层属于第四系全新统海陆交互相的松散堆积物，由松散、稍密-中密状的粉细砂、软塑、流塑状的淤泥、淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹砂为主组成。由于靠近入海口，受潮水影响，沉积物杂乱、规律性差，相变大，粉细砂和淤泥质土多呈相互交错或互层状分布。

工程河段地处长江入海口三角洲地带，受河流冲积作用和滨海沉积作用的共同影响，地貌分区属滨海冲积平原区长江水下江心洲。太仓—南通河段水域宽阔，长江河床宽为5～12 km，水下地势起伏较大，各江心沙洲较高，各江心沙洲之间夹槽较低，泥面高程为-14～1 m，最深可达-70～-50 m。

2 冲淤变化影响

2.1 河势影响分析

白茆沙水道上游起于常熟徐六泾，下至太仓七丫口，全长约33 km。江中的白茆沙和小白茆沙属暗沙，高潮时被淹没，低潮时部分露出水面。白茆沙形成后快速淤大，至1992年达到最大值33.8 km2；1992 年后，白茆沙总体呈冲刷态势，沙体面积减小，沙头后退，沙尾上提，2014年南京以下12.5 m深水航道一期治理工程在白茆沙上实施护滩工程后，白茆沙沙体演变速度趋缓；洪水期，白茆沙表现为淤积态势[15]。

监测资料表明，长江太仓段白茆沙南北水道“南强北弱”态势持续增强，河床冲刷造成深泓持续南移，长江航道主槽和近岸河床冲深明显，鑫海码头2011年-20 m等高线距码头前沿102 m，至2018年仅有47 m；2011年-30 m等高线距离码头前沿112 m，2018年已缩短至59 m。

2.2 码头局部冲刷影响

太仓港新太海汽渡—七丫口段近19.4 km列为新出现的险工段，被列为Ⅰ级崩岸预警。2018—2021年间，每年汛前、汛后对太仓港沿岸险工段进行加密水下地形监测，监测时间汛前测次为3—5 月，汛后测次为10—11月。

2021年8月测次鑫海码头断面上，码头前沿河床高程为-13.6 m，码头前后沿高差为12.3 m，断面河槽最深点高程为-49.8 m，最深点至码头前沿距离为133 m，码头前沿有约70 m河床坡度相对平缓，其外侧河槽原陡峭陡坎被冲成斜坡，该测次数据显示最陡处坡比为1:1.6。由图3可知，2021年8月与2021年4月测次相比，码头前沿局部略有冲刷，平坦段河床冲淤变化不大，但平坦河床外侧深槽斜坡顶部表现出一定幅度向岸侧的冲刷。2020年7月—2021年 8月 时段，太仓侧河床陡峭段深槽斜坡平面向太仓侧推进了约6 m，斜坡移动速度为0.43 m/月。

图3 鑫海码头DM3断面

根据监测结果可知，1#～3#泊位原设计泥面高程(85高程)为-15.50 m，码头前沿现状泥面高程为-16.4～-12.6 m，平均冲深为1 m；5#泊位原设计泥面高程为-16.70 m，码头前沿现状泥面高程为-17.8～-14.5 m，平均冲深为2 m。

3 结构安全复核

码头前沿水域发生冲刷后，码头桩基自由长度增加，桩基轴向承载力设计值呈下降趋势，桩基轴力设计值变化不大(主要与上部荷载相关)，码头安全度降低。管桩应力、横梁弯矩和横梁剪力均呈增加趋势，前沿泥面变深对桩基安全性的影响程度大于对上部结构的影响。码头前沿泥面被冲刷后，地基土会产生水平变形，从而对桩基产生附加内力。若码头泥面继续降低，管桩应力设计值将超过桩基强度设计值，码头结构将处于不安全状态。因此，在码头前沿水域发生冲刷后，需对码头的结构安全性进行复核。

3.1 复核方法

3.1.1上部结构构件承载力验算

根据JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》[16]，结构构件承载能力设计应采用极限状态设计表达式：

Sd≤Rd

(1)

式中：Sd为作用效应组合设计值；Rd为结构构件承载力设计值。

上部结构构件按强度设计进行承载力验算时，抗力包括正截面受弯承载力设计值和斜截面受剪承载力设计值。

3.1.2桩基承载力验算

根据桩基检测结果和地质资料，按原码头的设计荷载或经使用部门确认后的荷载条件对桩基进行承载力验算，结果须满足JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》稳定性要求[17]。

当按承载力经验参数法确定单桩垂直极限承载力设计值时，应按式(2)计算：

(2)

式中：Qd为单桩垂直极限承载力设计值(kN)；γR为单桩垂直承载力分项系数，取1.45；U为桩身截面周长(m)；qfi为单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值(kPa)；l为桩身穿过第i层土的长度(m)；qR为单桩极限桩端阻力标准值(kPa)；A为桩身截面面积(m2)。

3.1.3岸坡稳定性验算

高桩码头岸坡稳定性的验算可采用圆弧滑动法，并应遵守JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》中的有关规定。

(3)

式中：γ0为重要性系数，取1.00；Msd、MRK为作用在危险圆弧面上的滑动力矩设计值和抗滑力矩的标准值；γR为抗力分项系数。

所有计算中土性参数采用前期设计时所使用的值。

3.2 单桩极限承载力复核

根据表2计算结果，鑫海码头1#～3#、5#泊位的单桩极限承载力均满足要求，但富余量较小，为设计桩力的 1%～2%，桩身拉应力已接近极限值。横梁内力设计值小于结构抗力值，裂缝开展宽度及抗裂验算满足规范要求，结构满足受力要求。

3.3 岸坡稳定性复核

根据表3计算结果，鑫海码头1#～3#泊位使用期抗力分项系数γR=1.39，地震期抗力分项系数γR=1.26，均满足规范对于最小稳定抗力分项系数的要求；5#泊位使用期抗力分项系数γR=1.60，地震期抗力分项系数γR=1.44，均满足规范要求。码头岸坡整体稳定。

4 防护措施

鑫海码头5#泊位深槽已位于码头前沿，需及时采取防护措施，防护范围为码头前方深槽区域。由于本河段底沙主要是细砂，主槽床砂较粗，南岸边滩以及沿岸夹槽为淤泥质细粉砂。整体河床质抗冲刷能力差，导致河床稳定性较差，防护结构需有良好的透水保砂性能。同时，由于码头前沿水域垂线平均最大流速在2.5～3.0 m/s，方案需考虑深水大流速条件下施工可行性及防护结构的稳定性。综合对比后，选取联锁块软体排+抛石的保护方案，对河床和深槽边坡形成防护，从码头前沿开始铺设混凝土联锁块软体排(连锁块尺度480 mm×480 mm×120 mm)，软体排上抛100～200 kg块石压护，抛石厚度为2.0 m，防护区域为码头前沿纵向65 m范围内。

5 结论

1)由于长江上游来沙量减少以及白茆沙南北水道流速“南强北弱”态势持续增强，白茆沙南水道整体上以冲刷为主，深水航道南岸近岸冲刷明显。根据实际监测结果，鑫海码头1#～3#泊位平均冲深为1 m，5#泊位平均冲深为2 m，需对码头进行安全复核。

2)根据安全复核计算结果，鑫海码头结构安全性各项指标符合规范要求，但桩身拉应力已接近极限值，如冲刷深度进一步加深，将对码头的结构安全产生威胁。

3)为了保护码头安全，需对该码头进行冲刷防护，考虑到水流、地质等因素，在码头前沿区域采用了联锁块软体排+抛石的方案保护岸坡，有较好的排水保砂效果。