申中原，虞瑩，黃天榮，3*

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；3.上海國際航運(yùn)服務(wù)中心開發(fā)有限公司，上海 200021）

0 引言

由于港口所處的自然條件復(fù)雜，其建（構(gòu)）筑物受風(fēng)、浪、涌、潮汐及地下水等影響較大，港口的建設(shè)與運(yùn)營面臨著諸多風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)事故也屢有發(fā)生[1]，造成了巨大的生命及財(cái)產(chǎn)損失。加強(qiáng)對這些事故的重視，深入分析挖掘事故原因，對指導(dǎo)港口建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)均有積極意義。鑒于此，以最近發(fā)生的一起駁岸碼頭失穩(wěn)事故為例，運(yùn)用水力學(xué)、工程地質(zhì)及土力學(xué)等相關(guān)知識，通過水流沖刷計(jì)算、工程地質(zhì)分析及穩(wěn)定性驗(yàn)算等方法，從船舶活動影響、設(shè)計(jì)及施工等方面研究了事故發(fā)生機(jī)理，試圖揭示事故發(fā)生的真正原因，并以此拋磚引玉，喚起工程界的積極重視，減少乃至杜絕類似事故的發(fā)生。

1 事故簡介

江蘇省南通吉寶船廠位于南通港和天生港之間，東北側(cè)隔沿江路為港閘區(qū)東港村，西側(cè)為長江，東南側(cè)為長江港務(wù)公司，西北側(cè)為南通江東船務(wù)有限責(zé)任公司。船廠的沿江建（構(gòu)）筑物包括船臺、滑道、駁岸碼頭等，其中水平滑道位于斜船臺上游，水平船臺與斜船臺并列布置，斜船臺口門上游端距離2號碼頭下游端約為140 m。2號碼頭引橋至斜船臺口上游之間是一個(gè)直立式駁岸碼頭，駁岸碼頭在平面上呈“L”形。整個(gè)項(xiàng)目建于2012年1月，2013年6月竣工。

2015年1月21日及23日的下午，距駁岸碼頭30m處有浮吊船進(jìn)行了螺旋推進(jìn)器試驗(yàn)。而在23日下午，水平滑道上游及600 t軌道間的系纜柱發(fā)生坍塌，隨后事故迅速發(fā)展，導(dǎo)致了駁岸碼頭3根錨拉桿斷裂，駁岸方向約20m長碼頭面板出現(xiàn)土方坍塌。事故發(fā)生后，船廠方在設(shè)計(jì)、施工單位的指導(dǎo)與配合下，采取拋砂袋、回填及吹砂等積極施救措施，避免了事態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大，但事故造成了廠方巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 場地條件

2.1 碼頭結(jié)構(gòu)形式

圖1為發(fā)生事故的駁岸碼頭結(jié)構(gòu)。該駁岸為典型的板樁碼頭結(jié)構(gòu)，主要由打入深處的板樁墻與錨碇系統(tǒng)組成。碼頭板樁墻由φ950@1 100鉆孔灌注樁構(gòu)成，通過錨索的連接，碼頭前沿與后方錨碇墻形成整體受力，保證了碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，為防止碼頭前沿水流沖擊與滲流破壞，鉆孔灌注樁之間設(shè)置了φ600@400高壓旋噴止水帷幕進(jìn)行防水，其底標(biāo)高為-10.70m。

圖1 駁岸碼頭結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Revetmentwharf structure

需要指出的是，由于碼頭前沿水位變動，碼頭前后沿剩余水頭差實(shí)際上是客觀存在的。由圖1可見，設(shè)計(jì)高水位與低水位的中間設(shè)置了φ100@2 000排水孔以減輕剩余水壓力的影響。同時(shí)由于高、低水位相差僅3.330 m，即使是碼頭前沿位于設(shè)計(jì)低水位，由于排水孔的作用，碼頭前后沿最大水位差也僅在1.665 m左右，由于1 m水在土中引起的平均有效應(yīng)力僅有5 kPa，故剩余水壓力的影響實(shí)際上是比較小的，為簡化起見，后續(xù)分析中暫予忽略。

2.2 工程地質(zhì)條件

由工程地質(zhì)勘察報(bào)告[2]，鉆孔ZK9離事故發(fā)生地最近，能比較準(zhǔn)確地反映該區(qū)域真實(shí)的地質(zhì)條件。根據(jù)鉆孔ZK9的工程地質(zhì)剖面，得到該區(qū)域土層分布如圖2所示。

圖2 駁岸碼頭岸坡兩側(cè)土層分布Fig.2 Distribution of the soil layerson both sidesof revetmentwharf

3 碼頭失穩(wěn)原因

事故發(fā)生后，關(guān)于事故的原因有多種猜測，包括施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)圖紙及船舶試驗(yàn)的影響等。然而，任何事故的發(fā)生都不是某單一因素簡單引起的，實(shí)際中往往涉及到多個(gè)因素。下面結(jié)合工程地質(zhì)、土力學(xué)及流體力學(xué)知識等進(jìn)行分析，探討是否存在滲透破壞、土體變形及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等事故發(fā)生誘因。

3.1 推進(jìn)器試驗(yàn)影響

港口的建設(shè)大大方便了船舶的進(jìn)出，船舶的活動對港口前沿滲流場、應(yīng)力場等造成了擾動與影響，但當(dāng)前并無相應(yīng)的評估方法。為此，筆者提出一種評估船舶活動對基床泥面影響的方法，即首先利用船舶推進(jìn)器相關(guān)資料計(jì)算出對應(yīng)區(qū)域的水流速度，然后利用流速求出水流沖刷深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對船舶活動影響進(jìn)行定量評估。

由于船舶設(shè)計(jì)中，螺旋推進(jìn)器轉(zhuǎn)速一般不高，海洋船舶約為100 r/min，且螺旋槳從主機(jī)獲得的功率約為40%～65%，即螺旋槳推進(jìn)系數(shù)在0.40～0.65之間[3]。根據(jù)研究，螺旋推進(jìn)器轉(zhuǎn)動導(dǎo)致一定距離內(nèi)的水流速度計(jì)算公式[4]如下：

式中：Umax為斷面上最大流速，m/s；U0為螺旋槳處水流速，m/s，，其中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，m/s；kt為螺旋槳推進(jìn)系數(shù)；X為計(jì)算斷面與螺旋槳盤面間的水平距離，m；DP為螺旋槳直徑，m；A，B為常數(shù)，當(dāng)X＞3DP時(shí)，A=1.107，B=0.083 5。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，將n=1.67 m/s，DP=7.5 m，X=30 m及kt=0.525等相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），最終求得螺旋推進(jìn)器引起的最大水流速度約為7.71m/s。

而在一定流速下的水流沖刷深度可按如下公式[5]計(jì)算：

式中：hP是沖刷前碼頭泥面的實(shí)際水深，m；v是斷面上平均流速，m/s；v允為河床面允許不沖流速，m/s，淤泥質(zhì)黏土取0.75～1.00[6]，取平均后等于0.875；n為護(hù)岸在平面上的形狀系數(shù)，可取0.25。

由于最大水流速度為7.71 m/s，假設(shè)水流速度在某一位置為0，則平均流速v近似等于兩者算術(shù)平均值，即3.86 m/s，根據(jù)實(shí)測碼頭泥面的水深hP為8.617 m，由式（2）計(jì)算得沖刷深度約為3.87 m。由于推進(jìn)器位于水深約3.50 m的位置，則自水面往下的水流沖刷深度為7.37 m，小于碼頭實(shí)際水深8.617m，因此螺旋推進(jìn)器試驗(yàn)對事故發(fā)生地基床的影響應(yīng)該不大。

由于慣性思維，人們易將力在土體中的傳遞情況類推至流體。而實(shí)際上并非如此，邱大洪院士研究表明[7]，由于流體本身黏性較大，能量在水體中的傳遞不同于固體，例如水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動只在1/2波長的深度范圍內(nèi)，即2 m高的浪在水深1 m以下幾乎是沒有能量的。因此，由于推進(jìn)器距離河床尚有較大深度，同時(shí)又是在距岸坡30m處進(jìn)行試驗(yàn)，盡管推進(jìn)器試驗(yàn)導(dǎo)致了水流加快，但計(jì)算分析表明其影響不大，事故的發(fā)生更應(yīng)該與止水帷幕防滲、駁岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及河床沖淤演變等有密切關(guān)系。

3.2 土體滲透作用分析

由工程勘察報(bào)告[2]得到事故區(qū)域內(nèi)各土層的滲透性指標(biāo)，匯總后如表1所示。

表1 土體滲透性匯總表Table 1 Summary of soilpermeability

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》關(guān)于滲透性的劃分規(guī)定[8]，滲透系數(shù) K=1.16×10-6～1.16×10-5cm/s為微透水，K=1.16×10-5～1.16×10-3cm/s為弱透水，K=1.16×10-3～1.16×10-2cm/s為透水層。因此事故區(qū)域土層②1、④分別為微透水與弱透水層，其余土層均為透水層。結(jié)合圖2可見，在高壓旋噴止水帷幕底標(biāo)高-10.70 m以下，粉砂等透水層形成了貫通的滲流通道，地下水可以便捷進(jìn)入碼頭后方區(qū)域，碼頭后方土體易受到地下水升降影響。

由圖1，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意圖是通過碼頭前沿的②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的隔水作用，結(jié)合立面的高壓旋噴止水帷幕，形成對江側(cè)水的防滲屏障，達(dá)到止水及護(hù)坡目的。但實(shí)際上淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土也不能完全隔水。以往觀念認(rèn)為，黏性土存在明顯的初始水力梯度，只有水頭差達(dá)到一定的數(shù)值，即臨界水力梯度時(shí)，黏性土中才能發(fā)生滲流。但近來的研究[9]發(fā)現(xiàn)，任何飽和土體都存在重力孔隙水，重力水幾乎不受土顆粒的引力，只要存在水力梯度，就要參與滲流運(yùn)動。實(shí)際上，由于江側(cè)水位通常高于碼頭后方，存在明顯的水力梯度，這使得水源源不斷地通過淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土向碼頭后方滲透。同時(shí)，由于碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面與高壓旋噴止水帷幕底標(biāo)高之差僅為1.5m，這使得滲徑長度很短，滲流速度較快，水分子的遷移與滲透變得很容易，高壓旋噴止水帷幕作用因此被大大削弱。

綜上，盡管設(shè)置了高壓旋噴止水帷幕，但由于水可以通過淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、下伏粉砂層等滲透至碼頭后方，高壓旋噴止水帷幕的作用不明顯，碼頭后方土體受地下水位升降、遷移等的影響較大，也為地下水對碼頭堆場地基的潛蝕、流土等提供了可能性。工程設(shè)計(jì)中不可低估地下水對工程結(jié)構(gòu)的危害，需要高度重視并采取相應(yīng)的防范措施。

3.3 駁岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

由于板樁碼頭規(guī)范[10]沒有專門的抗滑、抗傾覆計(jì)算，現(xiàn)根據(jù)土力學(xué)知識對原碼頭岸坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗滑、抗傾覆驗(yàn)算。根據(jù)施工記錄及事故后現(xiàn)場檢測，碼頭的初始前墻及帷幕設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)圖紙與相關(guān)規(guī)范要求，因此可排除墻體及帷幕本身強(qiáng)度導(dǎo)致事故的可能。由工程勘察報(bào)告[4]得出各土層的物理力學(xué)性能指標(biāo)，計(jì)算水位取正常水位，并實(shí)行黏土水土合算及砂土水土分算的原則，依次計(jì)算出鉆孔灌注樁、高壓旋噴止水帷幕兩側(cè)的受力情況，如圖3所示。

圖3 鉆孔灌注樁、止水帷幕兩側(cè)土壓力分布（單位：kPa）Fig.3 Distribution of the soilpressure on both sidesof the bored pile and waterproof curtain（kPa）

對鉆孔灌注樁兩側(cè)合力分別進(jìn)行計(jì)算，利用被動土壓力除以主動土壓力得到抗滑移安全系數(shù)1.75。而將兩個(gè)合力分別乘以相應(yīng)力矩后再相除，得到抗傾覆安全系數(shù)為1.11。因此鉆孔灌注樁能滿足抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性的要求，鉆孔灌注樁的結(jié)構(gòu)是安全的，現(xiàn)場查勘也可見鉆孔灌注樁并無位移。

然而由圖1可見，鉆孔灌注樁并沒有完全密封，樁與樁之間的150 mm間隙實(shí)際上是由高壓旋噴止水帷幕進(jìn)行支護(hù)。因此，采用同樣方法計(jì)算高壓旋噴止水帷幕兩側(cè)的受力，并分別求得抗滑、抗傾覆安全系數(shù)為0.21、0.07。因此在鉆孔灌注樁的連接處，高壓旋噴止水帷幕的嵌固長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求，該區(qū)域在主動土壓力的作用下，形成了對止水帷幕的扭矩，影響了止水帷幕結(jié)構(gòu)的安全性及整個(gè)碼頭的穩(wěn)定性。因此，原鉆孔灌注樁連接處的止水帷幕結(jié)構(gòu)存在抗滑、抗傾覆能力的嚴(yán)重不足，這對駁岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防滲透破壞非常不利，也是止水帷幕破壞、地下水潛蝕加劇及碼頭結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重要原因。

3.4 事故原因及預(yù)防措施

由于流體本身黏性及能量傳遞形式，推進(jìn)器試驗(yàn)所產(chǎn)生的流速及沖刷深度并不足以造成河床泥面的直接沖刷，推進(jìn)器試驗(yàn)對碼頭前沿基床沖刷作用不明顯。而場地以粉砂等透水層為主，導(dǎo)致駁岸碼頭止水帷幕端部以下透水，地下水滲流帶走碼頭后方填土的細(xì)顆粒，形成對后方填土的潛蝕。當(dāng)?shù)叵滤乃μ荻却笥谂R界水力梯度時(shí)，滲漏管涌等地質(zhì)災(zāi)害將可能產(chǎn)生。隨著河流水位反復(fù)上下波動，土中的小顆粒不斷流失，土體潛蝕越來越明顯，造成了碼頭后方填土的不穩(wěn)定。同時(shí)由于駁岸碼頭鉆孔灌注樁連接處的止水帷幕抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致止水帷幕受到彎矩作用易產(chǎn)生破壞，地下水及河水通過止水帷幕將滲透至碼頭后方，加劇了后方填土的滲透破壞。

綜上，該駁岸碼頭失穩(wěn)事故實(shí)際上是與場地下伏透水層、碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮不足有密切關(guān)系。碼頭設(shè)計(jì)應(yīng)重視場地的水文地質(zhì)條件，注重碼頭結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件、整體穩(wěn)定性等?；诖耍瑢τ陬愃茍龅貤l件的碼頭設(shè)計(jì)，可以對河床泥面采取防護(hù)措施，如拋石、軟排體鋪蓋或土工膜覆蓋等，而在岸坡方向宜增加符合穩(wěn)定性要求的防滲綜合體。

4 結(jié)語

通過水力學(xué)計(jì)算及分析表明，推進(jìn)器轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的水流沖刷深度小于碼頭前沿水深，現(xiàn)場推進(jìn)器試驗(yàn)對基床沖刷影響不大；對場地工程地質(zhì)條件分析表明，下伏透水層滲透作用較強(qiáng)導(dǎo)致止水帷幕作用降低，地下水對碼頭后方填土有潛蝕作用，工程設(shè)計(jì)中不可低估地下水對工程結(jié)構(gòu)的危害；而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算表明鉆孔灌注樁連接處的高壓旋噴止水帷幕抗滑與抗傾覆穩(wěn)定性嚴(yán)重不足，是止水帷幕破壞、地下水潛蝕加劇及碼頭結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重要原因。碼頭設(shè)計(jì)應(yīng)注重結(jié)合水文地質(zhì)條件等，對防滲體、構(gòu)件及整體穩(wěn)定性等進(jìn)行全面考慮。

[1] 陳平，袁孟全.高樁碼頭位移原因分析及其預(yù)防措施[J].中國港灣建設(shè)，2006（6）：7-10.CHEN Ping,YUAN Meng-quan.Analysis of causes and precautionarymeasuresagainst displacement of piled wharfs[J].China Harbour Engineering,2006(6):7-10.

[2] 江蘇省地質(zhì)工程勘察院.吉寶（南通）重工有限公司船臺及堤岸工程巖土工程勘察報(bào)告（NT11039）[R].南京：江蘇省地質(zhì)工程勘察院，2011.Geological Engineering Survey Institute of Jiangsu Province.Geotechnical&survey reportof Nantong Keppelshipyard and embankmentproject(NT11039)[R].Nanjing:Geological Engineering Survey Instituteof Jiangsu Province,2011.

[3]吳家鳴.幾種常見特殊艦船推進(jìn)器的特點(diǎn)分析[J].船舶，2012（4）：1-6.WU Jia-ming.Characteristic analysis of several special propellers on ships[J].Ship,2012(4):1-6.

[4]鄭天立.船舶螺旋槳和助推器對港口水工建筑物的危害及工程措施[J].水運(yùn)工程，2001（7）：29-32.ZHENG Tian-li.The Detriment to port hydraulic structures from propeller and thruster of ships and the engineering measures[J].Port&Waterway Engineering,2001(7):29-31.

[5]GB 50707—2011，河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50707—2011,Design specification for river regulation[S].

[6]李煒.水力計(jì)算手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2006.LIWei.Hydraulic calculationmanual[M].2nd ed.Beijing:China Water Conservancy and Hydropower Press,2006.

[7] 邱大洪.波浪理論及其在工程上的應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1985.QIUDa-hong.Wave theory and its application in engineering[M].Beijing:Higher Education Press,1985.

[8] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.CHANGShi-biao,ZHANG Su-min.Engineering geologymanual[M].Beijing:China Building Industry Press,2007.

[9] 王秀艷，劉長禮.對黏性土孔隙水滲流規(guī)律本質(zhì)的新認(rèn)識[J].地球?qū)W報(bào)，2003（1）：91-95.WANGXiu-yan,LIUChang-li.New understanding of the regularity ofwater seepage in cohesive soil[J].Acta Geoscientia Sinica,2003(1):91-95.

[10]JTS167-3—2009，板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].JTS 167-3—2009,Specification for design and construction of sheet-pilewharf[S].