港口工程老化病害規律研究

陳秀瑛，范平易

（南京水利科學研究院 勘測設計院，江蘇南京 210029）

1 簡述

港口工程老化是指港口工程隨著運行時間的增長，受自身特性、運行環境、荷載條件、技術經濟發展等因素影響，發生工程材料老化、結構損傷或功能下降等，從而引起的工程安全性下降或功能性退化的過程。在老化由量變到質變的過程中，可逐步發展為工程的病害或破壞。基于工程運用要求和技術標準的變化，在沒有明顯老化病害跡象的情況下，也可出現工程的功能性與安全性不滿足要求的情況[1]。港口工程老化病害機理以及老化病害狀況與程度的認識評估，除依靠檢查觀測的數據外，更多的是采用相關的工程檢測評估技術，以相關指標與評估方法，綜合評估認定工程的老化病害狀況，查找工程老化病害問題，尋求處理方案[2]。

本文通過分析港口工程老化病害的階段性特征和老化病害的演變關系，總結了港口工程老化病害的規律，可以為加強對港口工程進行科學的運行管理，指導工程開展合理的維修養護、適時進行加固和改造等提供參考。

2 港口工程使用壽命與階段性特征

2.1 港口工程使用壽命過程

工程界認為，港口工程的設計使用壽命一般為50年，盡管早期建設的一些港口工程的實際使用壽命遠遠多于50年，但這并不能改變對工程使用壽命的基本看法。國內港口工程的設計使用壽命通常確定為50年，機械設備設計使用年限通常為30年，到了運用后期工程或設備會逐漸老化，并隨時間的增加老化程度加劇，需要投入的維護加固經費加大，則工程運行的技術經濟合理性也隨之下降。

從工程老化研究與工程管理實踐看，可以根據工程的結構、抗震、航道、設施等安全狀況，基于工程老化特性將港口工程劃分為常態工程、老化工程、病態工程、險態工程等4種基本性態。常態工程和老化工程一般指結構安全與運行功能、通航條件等滿足要求，可以按設計條件常態運用的港口工程；病態工程一般指通航條件、結構安全或運行功能存在不足，需要有條件的運行方可保證安全的港口工程；險態工程一般指通航條件、結構安全或運行功能不滿足要求，不采取工程措施就不能保證安全運用的港口工程。

有學者對大壩老化與大壩年齡進行了概化[3]，將工程壽命周期內的變化過程劃分為適應期、穩定期和老化期三個階段。借助這一概念，根據本文對港口工程老化的定義，受自然和人為的種種因素影響，工程自投入運行起就進入老化過程，發生或存在老化變化，隨著老化的加劇，工程安全性態發生變化，出現工程特性綜合指標下降，導致工程的技術可維護性下降，同時工程經濟保障需求逐步增大，港口工程壽命過程中的這種性能、技術與經濟關系見圖1。

圖1 港口工程使用壽命過程圖

2.2 使用過程中的階段性老化病害特征

本文以老化為基礎將工程使用階段進一步分為潛在老化、初步老化、典型老化和嚴重老化4個階段，這4個階段的主要特征為：

1） 潛在老化階段：即適應期，隨著工程建成投入運行，各種運行荷載的加入，工程性態發生調整以適應運行環境和設計條件；這時的工程老化是初期的、輕微的，或是潛在的、無跡象的，工程老化程度難以衡量或無衡量必要，老化特征一般為“未見老化”。工程基本性態正常，一般不需要技術性維護，基本無工程維護的經濟保障需求。運行中主要防止設計、施工缺陷帶來的隱患與安全問題，注重運行初期的運行控制和檢查監測以保障工程安全。

2） 初步老化階段：即穩定期，工程通過初期運行的檢驗和調整，進入正常運行使用狀態，這是港口工程的最優運行時期。工程開始老化，可能形成初步的老化跡象，老化特征一般為“輕度老化”。工程性態總體上正常，穩定運行后期可能產生初步的病害，需要正常性維修養護，后期也可能需要局部性加固處理，經濟保障需求穩定并在后期有所增加。運行中應當加強運行管理和檢查監測，做好應急預案。

3） 典型老化階段：即老化期，工程經歷了穩定運行期并發揮了大量效益后，進入典型老化階段。工程老化明顯，老化現象逐步增加與發展，維護不足可能積累成為工程病害，老化特征一般為“中度老化”，后期可能發展為嚴重老化。性態總體上屬于病態工程，后期可能進入險態工程性態，除維修養護外，技術性維護增加或需要進行除險加固，經濟保障需求顯著增大。運行中除科學運用、檢查監測、維修養護、應急預案等各項安全措施外，除險加固、更新改造也成為可能。

4） 嚴重老化階段：即報廢期，工程超過使用壽命后期，依賴反復多次的加固以延長使用壽命，工程進入嚴重老化階段。工程老化病害嚴重，工程性態總體上屬于險態工程，需進行除險加固或更新改造以保障工程安全，技術性維護難度不斷增加，經濟保障需求持續性增大。當總體上工程性態不良，技術維護與經濟保障的綜合合理性失去平衡，則有必要考慮工程的報廢與重建。

3 港口工程老化病害的演變

港口工程的老化病害關系可以表述為“老化—病害—險情—事故”的工程老化鏈，其相互作用為：老化的發展可以轉變為病害，病害的積累可以觸發險情，險情的失控可以導致事故。采取維修養護、除險加固、更新改造等工程措施與控制運用、降等報廢、應急預案等非工程措施可以對結構老化鏈進行干預。干預的結果可以是遲緩老化鏈的發展進程，也可以打破老化鏈而使性態發生逆轉。

圖2 港口工程性態轉換模型

工程性態之間可以相互轉化，隨著工程運行、時間作用等影響，工程可能發生老化病變，從而導致性態變化。根據港口工程老化規律建立的工程性態轉換關系見圖2。工程性態轉換的基本規律為：常態工程隨著運行時間延長逐漸老化而變化為老化工程，在洪水、地震、航道變化、管理不善、經濟社會要求提高、時間等作用下可以進一步轉化為病態工程，若采取科學合理的工程與非工程措施加以處理、控制，病態工程可以逆轉為常態工程或相當于老化工程。否則，若任其病態發展，病害積累和多病疊加，積病成險，可使病害惡化為險情，病態工程進而發展為險態工程，此時，采取措施仍可以使工程性態發生向好的方向逆轉，有限、適度的措施可以改善港口工程安全性態，徹底、有效的措施可以使險態工程直接轉化為常態工程。否則，險態工程得不到及時、有效控制，可以進而惡變為工程事故或工程破壞；或根據工程老化病害程度和功能效益衰減，在工程老化非常嚴重，修復的投入產出技術經濟不合理時，采取降等報廢措施也是處置險態工程的重要手段。

對于基于老化的工程性態轉換，也可用工程性質指數的變化值及變化率表示。若以b（t1）、b（t2）分別表示工程運行過程中t1、t2時的工程性態指數，則工程性質指數的變化值及變化率可表示為：

式中：b（t1）、b（t2）表示對應于 t1、t2時的工程性態指數變化值；Δb（t）表示對應于t1、t2時的工程性態指數變化率。

4 港口工程老化病害的規律

4.1 老化病害的可積累性

工程老化病害具有隨時間作用而加劇的性質，在一定建設標準與工程質量基礎上，受材料老化、結構破損和條件變化等影響，工程老化的進程是自然的、不可避免的，隨著工程運行時間的延長，老化會產生量變的積累，若不及時采取控制與補救措施，老化演變為病害，病害而導致險情。即工程老化若得不到及時的維護處理，延誤而使老化加劇，進而演變為病害，所謂小病不醫釀成大病。病害得不到及時除險加固處理，延誤而使病害惡化，引發事故，所謂大病不治釀成大禍。

4.2 老化病害的可疊加性

工程老化病害具有多重作用疊加的性質，多種老化成因作用的結果可以使港口工程老化病害產生疊加效應，可以使老化病害產生伴生和催生作用。此時，工程老化度指標不是多種影響結果的均值，也不是其中單一指標的最大值，其復合作用的結果是被加強。不同病害疊加的加劇現象，在港口工程的老化現象中很常見，如混凝土碳化、結構裂縫與破損、航道淤積或基礎沖刷、設備老化等，復合老化病害的結果對工程安全與運用的影響更大，處理起來也更為復雜。

4.3 老化病害的可發現性

港口工程的老化病害具有顯著的征兆和跡象，完全可以通過檢查、監測及時發現而做到早期預警，實踐還證明多數的由病害引發的工程事故是有前兆的、可被及時發現的。工程研究與實踐表明，對港口工程老化險情或事故征兆的早期發現，有利于進行及時的工程處理或搶險處置；即使事故不可避免，及時發現也為人員撤退和轉移贏得時間，大大降低事故造成的危害和損失。

4.4 工程病害的可預防性

工程病害具有可預防的性質，港口工程病害的預防規則為規范的工程建設、合理的運行使用、正常的維修養護和必要的除險加固。工程的老化在所難免，但工程的病害則是可以防治的，通過科學的工程管理，特別是正常性的維修養護以及必要的更新改造，可以有效地減緩或阻滯港口工程的老化進程，從而達到延遲病害發生時間、減少病害種類、減輕病害程度、有效延長工程使用年限的目的。

4.5 工程性態的可修復性[4]

老化病害引起的工程性態的變化具有基本可修復的性質，工程技術效果顯示，采取科學合理的工程措施對港口工程老化鏈實施干預，可以阻止老化病害發展，或逆轉改善工程安全性態。維修養護即是工程老化的控制性干預措施之一，除險加固則是重要的病害補救性干預措施，工程實踐證明，采取適當的工程老化病害干預性措施是有效的，更是必要的。

5 結語

本文通過分析港口工程老化病害的階段性特征和老化病害的演變關系，總結了港口工程老化病害的規律，得出了如下結論：

1） 港口工程的老化與病害演變有其自然的、客觀的發展規律，工程病害具有延誤加劇、疊加積累、可預防、可發現、可修復等特性，但采取科學合理的維修養護、更新改造等干預措施可以減緩和阻滯、控制和逆轉工程性態的危害性變化。

2） 港口工程的老化和性態演變以自然和客觀為主，人為失當也可加速或跨越其進程，在經歷了一定的運行期后，工程的更新改造成為一種必然的需求，也是符合工程科學規律的。但經歷過多次更新改造而病害和安全問題仍很突出，加固需求持續性增加，從技術經濟合理性考慮，工程的報廢或重建可能成為一種合理的選擇。

3） 根據工程老化病害規律，建議進一步加強港口工程的運行維護與更新改造管理，加強相關法規制度建設，制定必要的老化病害檢測、評估技術標準，推行港口工程管理的規范化、法制化、現代化建設，進一步提高港口工程安全運行與綜合管理水平，更好地為經濟社會可持續發展服務。

[1] 吳中如，顧沖時.重大水工混凝土結構病害檢測與健康診斷[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]陳秀瑛.港口碼頭的老化機理與病害評估[J].水運工程，2010（2）：95-98.

[3] 阿里木 吐爾遜，阿布都艾尼.我國水庫大壩老化現狀初步分析[J].大壩與安全，2004（3）：9-11.

[4] 蔣元駉，韓素芳.混凝土工程病害與修補加固[M].北京：海洋出版社，1996.