基于波浪和水流作用的码头结构设计与维护管理探讨

吴 楠

（秦皇岛港股份有限公司，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

码头是海洋运输行业中货物的重要集散地，随着现代航运业的不断发展，其结构的规模和复杂程度也在不断提高。为了保证码头的安全运营，国内外学者对波浪和水流对码头结构的影响进行了大量研究。美国的国家海洋和大气管理局（NOAA）已经建立了世界上最完善的海浪预报系统，荷兰的迪尔特水利工程研究所对波浪对海堤、码头等结构的影响进行了系统研究，提出了多种防护和加固方案。我国海洋工程领域的技术工作者也进行了一系列的研究，如蔡勇[1]对软土地基下的码头建筑设施进行了分析与监测；杨哲[2]结合具体工作实践，对常见的水运工程质量问题进行汇总；冉望等[3]结合具体案例，分析了水运工程基础设施排水施工技术。这些研究成果为我们深入探究波浪和水流对码头结构的影响提供了基础。然而，码头的建设、维护和管理面临着许多挑战，其中包括波浪和水流对码头结构的影响。因此，深入研究波浪和水流对码头结构的影响，并探讨合理的设计与有效的维护管理，具有重要的现实意义。

1 波浪和水流对码头结构的影响

1.1 波浪对码头结构的影响

1.1.1 波浪的基本特性

波浪是由水在多种自然因素相互作用过程中形成的，其中风力是主要因素之一。波浪通常由一系列起伏的水面组成，可以用波长、波高、波速等参数来描述其特性。不同类型的波浪可以按照其波形、波长、形成原因和传播方式进行分类。

1.1.2 波浪对码头结构的破坏机理

波浪对码头结构的破坏机理主要有两种：波浪的冲击破坏和振动破坏。

一方面，波浪的冲击力是造成码头结构破坏的主要原因之一。当波浪冲击码头结构时，会形成压力和冲击力，这会导致码头结构产生弯曲和扭曲变形。同时，波浪冲击还会使码头结构表面受到撞击和剥离，加速结构物表面的磨损和腐蚀。

另一方面，波浪也会通过振动作用于码头结构上，引起结构的振动破坏。波浪产生的动力会通过水体传递到码头结构上，使结构受到振动，产生共振现象。这种振动会使结构受到动态载荷，导致结构发生应力集中，进而引起结构的破坏。

因此，波浪对于码头结构的破坏机理是多方面的，需要针对不同的情况采取相应的防护措施。

1.2 水流对码头结构的影响

1.2.1 水流的基本特性

水流是河流、海洋、湖泊等自然水体的水流动力学现象。水流的基本特性包括水流速度、流向、流量、涌动和漩涡等，这些特性决定了水流对码头结构的影响方式。在考虑水流对码头结构的影响时，需要综合考虑水流的多个因素。综合考虑水流的速度、流向、流量、涌动、漩涡、水质以及码头结构的材料性质、结构形式等因素，并采取相应的措施加以防范和治理，才能减轻水流对码头结构的影响，确保码头结构的稳定性和安全性。

1.2.2 水流对码头结构的破坏机理

水流对码头结构的破坏机理主要包括以下几个方面：

（1）冲刷作用：水流的冲刷作用是指水流对码头结构表面材料的冲刷破坏。在水流中，悬浮的泥沙、砾石等颗粒物质会因水流的冲击力量而撞击到码头结构表面，导致表面材料被剥落或损坏，严重时会造成结构失稳或破坏。冲刷作用的强度主要取决于水流的流速、流向、水流中颗粒物的密度和大小等因素。

（2）扰动作用：水流的扰动作用是指水流对码头结构的振动和摆动作用。水流会引起码头结构产生横向和纵向的振动力，导致结构发生振动、摆动，甚至产生疲劳破坏。水流的扰动作用强度主要取决于水流速度、流向、水深、水流中颗粒物质等因素。

（3）水动力作用：水动力作用是指水流对码头结构施加的动压力，是水流对码头结构影响的主要方式。水流的冲击力和压力会对码头结构产生强烈的作用，特别是在水流急速流动的情况下，压力和冲击力更加显著。水动力作用对码头结构的影响程度取决于水流的流速、流向、流量、水深等。

2 基于波浪和水流作用的码头结构设计方法

2.1 设计原则

对码头结构进行设计，不能忽略波浪和水流的作用，要确保码头结构的抗冲击能力，要重视流线型设计，要充分考虑水动力效应，要确保码头结构具有可维护性和可持续性，要实施系统化设计。这是基于波浪和水流作用的码头结构设计应坚持的原则。

2.1.1 具备抗冲击能力的设计原则

由于波浪和水流对码头结构产生的冲击力较大，因此设计的码头结构必须具有足够的抗冲击能力。这可以通过使用抗冲击性能较好的材料、增加结构的厚度和强度等方式来实现。

2.1.2 重视流线型设计的原则

在设计码头结构时，应在流体力学原理的指导下，采用流线型设计，减少水流的阻力和阻尼效应，从而减小水流对码头结构的影响。流线型设计可以通过改变码头结构的形状、角度和曲率等方式来实现。

2.1.3 充分考虑水动力效应的设计原则

在设计过程中，需要充分考虑水动力效应对码头结构的影响。水动力效应包括局部水动力效应、全局水动力效应、脱离涡效应等，应根据具体情况加以分析和设计。

2.1.4 具有可维护性和可持续性的设计原则

码头结构的设计应当考虑其可维护性和可持续性，以便在使用过程中能够方便维护和保养，并且具有较长的使用寿命。

2.1.5 实施系统化设计的原则

在进行码头结构的设计时，需要系统考虑波浪、水流等因素对码头结构的影响，充分考虑各种因素之间的相互作用，从而设计出一个更加稳定、安全和可靠的码头结构。

2.2 设计措施

为了实现波浪和水流对码头结构破坏程度的最小化，应从实际出发，综合考虑以下设计措施。

2.2.1 减小结构的风险系数

对于受波浪和水流影响较大的码头结构，通常会使用结构的风险系数来评估其受到破坏的概率。通过减小结构的风险系数，可以降低结构受到破坏的概率，从而提高结构的稳定性。常用的方法包括增加结构的厚度、增加结构的抗倾覆能力等。

2.2.2 采用合适的材料

选择合适的材料是设计过程中重要的内容。对于在海洋环境中的码头结构，通常需要使用高强度、耐腐蚀的材料，如钢材、混凝土等。在选择材料时还需要考虑材料的重量和成本等因素。

2.2.3 采用合适的结构形式

对于不同的码头结构，需要采用不同的结构形式来适应波浪和水流的作用。例如，对于在深水区的大型码头结构，可以采用浮动式或钻井平台式结构，这样可以降低波浪和水流对结构的破坏。

2.2.4 采用合适的防护措施

为了减小波浪和水流对码头结构的破坏，常常需要采用一些防护措施，如堤岸、防波堤等。这些措施可以减小波浪和水流的能量，从而减小其对结构的破坏。

2.2.5 采用模拟和试验研究

采用模拟和试验研究可以对设计方案进行评估和优化。例如，采用风洞模拟波浪和水流对码头结构的影响，可以提供有关结构受力和位移的信息，从而优化设计方案。

2.2.6 进行定期维护和检查

对于码头结构，定期的维护和检查可以发现和修复结构上的裂缝、腐蚀和磨损等问题，从而保证结构的稳定性和安全性。

3 基于波浪和水流作用的码头结构维护管理

3.1 维护管理的重要性

码头结构的维护与管理对于保障码头的安全性和可靠性至关重要。波浪和水流的不断作用会导致码头结构的损坏和疲劳，因此维护和管理是必要的。维护管理的重要性不仅体现在保障码头结构的安全和可靠性上，还可以延长码头的使用寿命，提高码头的经济效益。同时，对于大型港口而言，合理的维护管理还可以降低码头的维护成本，提高码头的运行效率。因此，码头结构的维护与管理应该得到足够的重视。

3.2 维护管理的内容

具体而言，对于波浪作用下的码头结构，需要定期检查码头结构的稳定性和完整性，并进行修缮和加固。对于水流作用下的码头结构，需要注意水流对码头结构的冲击力和振动幅度，定期检查码头结构的承载能力和连接部位的稳定性，并进行维修和更换。

3.3 维护管理的流程

维护的具体流程为：首先需要对码头结构进行全面的检测和评估，包括测量结构的几何形状和尺寸、检测表面裂纹和腐蚀情况、评估结构的稳定性和承载能力等，以确定需要进行的维护工作。然后对于表面的龟裂和腐蚀问题，需要进行清理和处理。包括去除表面的污垢和腐蚀物，进行刷漆和喷涂等防腐处理，以保护结构的表面和延长其使用寿命。

再次，对于已经出现严重裂缝或者损坏的结构部分，需要进行加固和修复。包括使用钢板或者混凝土加固，进行补丁和堵漏等维护和修复工作。维护和修复工作完成后，需要对结构进行监测和评估，以确保其稳定性和承载能力，及时发现和处理新的问题，避免出现安全事故。

3.4 维护管理的方法

（1）选用耐腐蚀材料：进行维护管理的加固和修复过程中，需要选用耐腐蚀材料，如不锈钢、镀锌钢板等，以减少受到海水腐蚀的影响。

（2）加强防护措施：对于海洋环境下的码头结构，需要加强防护措施，如使用抗海水腐蚀涂料、增加结构的厚度和强度等，以提高其抵御海洋破坏的能力。

（3）定期维护和检测：为了保证码头结构的稳定性和承载能力，需要定期进行维护和检测工作，及时发现和处理问题，避免出现安全事故。

（4）应急措施：针对突发事件，如强风暴、大浪等，需要建立应急预案，及时采取措施，防止码头结构受到严重破坏。应急措施包括加强监测、增加固定设备、加固码头结构等。

4 结束语

综上所述，结论如下：

（1）波浪和水流对码头结构的破坏具有重要影响；

（2）波浪对码头结构的破坏机理主要有波浪压力、波浪振动、波浪冲刷等，水流对码头结构的破坏机理主要有水流冲刷、水流侵蚀等；

（3）进行码头结构的设计时，应考虑防波堤的高度、倾斜角度、宽度等因素，减小波浪和水流的影响；

（4）开展码头结构的维护管理时，应定期进行检查和维护，及时修复和加固受损部位，对防波堤进行涂装处理，以保障码头结构的安全和稳定。

总之，面对波浪和水流对码头结构的影响，开展针对性设计和维护管理研究具有重要的理论和实践意义。