三峽成庫后庫區碼頭基礎形式分析及研究展望

（重慶交通大學，國家內河航道整治工程技術研究中心，水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074）

三峽成庫后庫區碼頭基礎形式分析及研究展望

劉明維，賈理，梁越，張小龍

（重慶交通大學，國家內河航道整治工程技術研究中心，水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074）

三峽工程蓄水后庫區碼頭建設面臨異常復雜的水文環境和特殊的地質環境，碼頭基礎設計和施工技術已經成為影響庫區碼頭建設的瓶頸及技術關鍵。在全面調查分析庫區碼頭建設的水文和地質條件基礎上，系統總結并分析了庫區碼頭常用5種基礎形式的適用特點以及成庫后存在的問題，并提出成庫后碼頭基礎形式的進一步研究思路，可為庫區碼頭基礎設計研究提供參考。

三峽水庫；港口建設環境；常年回水區；變動回水區；碼頭基礎

0 引言

三峽工程的建成，極大改善了長江上游的通航條件，長江航運作用進一步發揮，服務沿江經濟發展的能力有了新的提高。2006年以來，國家對內河水運發展、長江黃金水道建設和長江上游航運中心建設提出系列意見和方案，重點推進長江干線港口碼頭建設。根據《重慶港總體規劃》（2010）[1]，重慶港2020年港口貨物吞吐量將達到21 260萬t，是2010年的2.2倍；新建專業碼頭泊位達到432個，是2007年前所有專業泊位的5.5倍。三峽庫區將逐步建成新田作業區、江南沱口作業區、青草背作業區，龍頭山作業區等一大批專業化港口。長江上游航運業發展面臨極好的歷史機遇，三峽庫區港口建設任務更為繁重。

三峽大壩建成后，庫區內的水文條件和地質條件十分復雜，主要表現在以下方面：1）三峽成庫蓄水后，常年回水區港口碼頭建設面臨長時間的深水、年復出現的大水位差等復雜水文環境[2]；2）庫區存在地形起伏大、岸坡陡、巖面出露、地質災害頻繁等問題，地形地質條件異常惡劣[3]。碼頭水下深基礎的設計和施工技術已經超越了現有港口工程規范要求，成為影響庫區碼頭建設的瓶頸及技術關鍵。本文在全面調查分析庫區碼頭建設的水文和地質條件的基礎上，系統總結并分析了庫區碼頭常用基礎形式的適用特點以及成庫后存在的問題，并提出成庫后碼頭基礎形式的進一步研究思路，可為庫區碼頭基礎設計研究提供參考。

1 三峽庫區復雜的水文條件

三峽庫區分為常年回水區和變動回水區，如圖1所示。就三峽庫區目前主要港口建設河段的范圍來看，可以將三峽庫區長江河段分為江津至長壽和長壽至宜昌兩段，其中長壽至宜昌段為三峽常年回水區，江津至長壽段為變動回水區。

圖1 三峽水庫變動回水區與常年回水區示意圖Fig.1 Fluctuating and permanent backwater region of Three Gorges Reservoir

在三峽水庫175 m（吳淞高程，下同）蓄水運行階段，壩前水位將按照圖2所示的“175—155—145”方式調度。汛后的9月中旬水庫蓄水，壩前水位于10月中旬至12月底達175 m；次年1月至5月中旬水位由175 m逐漸降落至155 m，并維持在155 m；6月開始進入汛期限制水位145 m，6月至9月間維持在最低的145 m，最低通航水位可能出現在5月中下旬。長壽至江津段的常年回水區內枯水期大約為3月下旬至5月下旬期間，水位在158~166 m間。長壽以下段的常年回水區，水位呈現庫區屬性，主要受三峽水庫運行調度方式影響，因此枯水期大約在3月下旬至6月下旬期間，水位為145 m左右。圖3為變動回水區、常年回水區典型水文站實際水位過程線。

圖2 三峽水庫壩前水位過程（175—155—145 m）Fig.2 Dam front water level process of Three Gorges Reservoir（175—155—145 m）

圖3 典型水文站2001，2008—2011年水位過程線（1—12月份）Fig.3 Typical gauging station water level process of 2001,2008—2011（January—December）

受此影響，庫區港口建設在成庫前一貫可資利用的枯水施工期（從頭年11月中下旬到次年4月中下旬）不復存在，庫區變動回水區面臨長歷時大水深（持續6個月以上，10~20 m或更大的水深）和大變幅水位（7至9月可能出現的超過20 m以上的大水位差）問題，常年回水區的新建碼頭也都將面臨深水問題。庫區碼頭建設水下工程量十分巨大，過去常用的內河碼頭建造技術與建造工藝均不再適用，已有成熟的碼頭結構形式及其設計計算理論也隨之急需新的發展。

2 三峽庫區特殊的地質、地形條件

長江上游河段屬于典型的山區河流，天然狀態下具有坡陡流急、水位變幅大，地形、地質條件復雜等特點。三峽庫區重要的港口碼頭或擬建碼頭岸線區域的地形地質條件除部分具有滑坡、順層巖質岸坡、深厚覆蓋層等惡劣地質條件外，根據對設計與施工技術的影響，按照基巖埋深及岸坡坡度，可將常見港口地質地貌分為如下幾類；緩坡裸巖型、緩坡淺覆蓋層型、陡坡裸巖型、陡坡淺覆蓋層型、緩坡松散堆積型，詳見表1。

庫區岸坡基本呈現裸巖或薄覆蓋層、基巖縱橫起伏較大、砂巖泥巖呈交錯狀的特點，后方岸坡陡、起伏大，港口陸域土石方量大。成庫后水位大幅漲落使得巖土體易受水位影響，港口工程建設的地質問題較之前更為突出，建設難度和建設成本大幅度增加。

表1 三峽庫區常見地質地貌分類表Table 1 Classification table of common geological landform in Three Gorges Reservoir area

3 庫區碼頭常用基礎形式

目前三峽庫區常用的碼頭結構主要可以分為：斜坡碼頭、架空直立式碼頭、橋吊碼頭、框架墩式碼頭、分級下河公路等形式。碼頭基礎形式主要包括大直徑嵌巖灌注樁基礎、鋼護筒嵌巖灌注樁基礎、嵌巖條形基礎、非嵌巖條形擴大基礎、低樁承臺基礎。

3.1 大直徑嵌巖灌注樁基礎

嵌巖灌注樁具有單樁承載能力大、沉降小、抗震性能好、群樁效應小的優點[4-5]，已成為庫區巖石地基上架空斜坡碼頭、架空直立式碼頭、橋吊碼頭、墩式碼頭的主要基礎形式，如圖4~圖7。

圖4 架空直立式碼頭嵌巖灌注樁基礎（單位：cm）Fig.4 Rock-socketed filling pile foundation of overhead vertical wharf（cm）

圖5 框架墩碼頭嵌巖灌注樁基礎（單位：cm）Fig.5 Rock-socketed filling pile foundation of framework pier wharf（cm）

圖6 橋吊碼頭嵌巖灌注樁基礎（單位：cm）Fig.6 Rock-socketed filling pile foundation of bridge hanging wharf（cm）

圖7 架空斜坡碼頭嵌巖灌注樁基礎（單位：cm）Fig.7 Rock-socketed filling pile foundation of overhead sloping wharf（cm）

嵌巖灌注樁基礎需要進行現場鉆孔和成樁，施工受水位影響較大，施工水位低，一般需要利用枯水期搶工完成。三峽工程蓄水至175 m高程后，大型碼頭采用大直徑嵌巖灌注樁基礎明顯受到了深水條件的影響。

3.2 鋼護筒嵌巖灌注樁基礎

鋼護筒嵌巖樁是在覆蓋層較淺的深水碼頭和跨江橋梁建設中經常采用的深基礎形式。在樁基施工前，在水上搭設鋼平臺，然后在鋼平臺上安裝施工機械，先打入鋼護筒形成圍堰，在筒內進行鉆孔、灌注施工，見圖8。鋼護筒嵌巖樁主要由兩部分組成：一是埋入地層一定深度的鋼護筒；二是鋼護筒內進入地層更深的鋼筋混凝土[6]。鋼護筒的主要作用是作為施工措施，鋼筋混凝土是主要受力構件。內河深水碼頭鋼護筒嵌巖樁基礎中鋼護筒作為施工措施，施工完畢后一般不會拆卸，使用中鋼護筒和樁芯混凝土具有明顯的共同受力性質[7]。碼頭下部結構的兩層鋼縱、橫聯系梁焊在鋼護筒上，鋼護筒是整個碼頭排架的重要組成部分，在各種復雜碼頭使用荷載作用下，作為整體受力的鋼護筒嵌巖樁承載性狀更為復雜。鋼護筒嵌巖灌注樁能滿足深水碼頭建設需要，但其造價高，鋼護筒和樁身混凝土界面受力復雜，鋼護筒與嵌巖樁存在具有共同受力性質仍需要開展深入研究，是采用鋼護筒嵌巖灌注樁急需解決的問題。

圖8 架空直立式碼頭鋼護筒嵌巖灌注樁基礎（單位：cm）Fig.8 Steel casing rock-socketed filling pile foundation of overhead vertical wharf（cm）

3.3 嵌巖條形基礎

庫區部分散貨、中小型件雜貨及滾裝碼頭中采用分級直立式碼頭形式較多，直立岸壁一般采用擋墻形式。當擋墻高度大于8 m時，擋墻基礎通常采用嵌巖條形基礎。基礎為現澆混凝土或漿砌條石，基礎進入中風化巖層一定深度（砂巖0.6 ~1.0 m，中風化泥巖1.0~1.5 m），如圖9所示。嵌巖條形基礎對地質條件要求高，對墻后荷載不如樁基結構敏感，能承受較大的地面荷載和船舶荷載，對于較大的集中荷載以及碼頭地面超載和裝卸工藝的變化適應性較強，施工比較簡單，維修費用少。

圖9 嵌巖條形基礎及非嵌巖條形擴大基礎（單位：cm）Fig.9 Rock-socketed strip foundation and non-rocksocketed strip spread foundation（cm）

3.4 非嵌巖條形擴大基礎

當地基覆蓋層較厚，或在回填土上建設擋墻時，如果擋墻高度不大（一般在8 m以下），可以采用條形擴大基礎。為了增大地基承載力，基礎下一般設拋石基床，如圖9所示。非嵌巖條形擴大基礎的特點與嵌巖條形基礎較為類似，但由于覆蓋層或回填土的承載能力有限，故在墻高不大的碼頭中采用。

3.5 低樁承臺基礎

當地基覆蓋層較厚、采用擴大基礎不能滿足承載力要求，或者碼頭在易滑地帶建設時，為實現碼頭功能同時為了確保碼頭與岸坡整體穩定，可以采用低樁承臺基礎形式。如圖10所示。承臺與樁基共同受力，既可以作為上部擋墻的基礎，同時對岸坡的穩定也有利。但該基礎形式往往造價較高，施工有一定難度，受水位的影響較大。

圖10 低樁承臺基礎（單位：cm）Fig.10 Low pile cap foundation（cm）

對三峽庫區沿線主要港口碼頭進行調查，主要碼頭基礎形式如表2所示。

4 三峽成庫后現有碼頭基礎形式存在問題分析

三峽庫區碼頭在規模小、水深及水下工程量不大，地質條件較好，基礎施工可進行圍堰施工的情況下，可以采用嵌巖灌注樁基礎、嵌巖條形基礎、非嵌巖條形擴大基礎、低樁承臺基礎形式。而對于庫區大型深水碼頭，由于存在深水、大水位差的水文條件及薄覆蓋層、裸巖、高起伏度等特殊地形地質條件，深水碼頭基礎常采用鋼護筒嵌巖樁形式。但是，鋼護筒嵌巖樁基礎在設計、施工及使用中存在如下急需解決的問題：

1）鋼護筒嵌巖樁的理論研究成果較少，受力理論認識不清。目前鋼護筒嵌巖樁采用的計算方法主要是通過鋼管混凝土的套箍指標θ將鋼管強度折算為混凝土強度來考慮其共同受力，或者只考慮鋼筋混凝土樁的單獨受力，僅僅把鋼護筒當成施工過程中的一道工藝，并不考慮鋼護筒參與樁身受力。并且因為目前對鋼-混凝土組合變截面樁的施工要求不完善，鋼護筒段的樁基施工質量得不到保證，JTS 167-4—2012《港口工程樁基規范》中也未對鋼護筒嵌巖樁這種組合樁基做出具體規定?？赡茉斐晒こ淘靸r增大或存在安全隱患，急需系統開展鋼護筒嵌巖樁承載性能研究。

表2 三峽庫區部分碼頭基礎形式匯總表Table 2 Summary table of partly wharf foundation type in Three Gorges Reservoir area

2）鋼護筒嵌巖樁施工工藝復雜，成本高，難以在一般中、小碼頭中使用。由于鋼護筒嵌巖樁施工往往優先采用水上平臺，必須考慮能承受大噸位鋼護筒下放，鉆孔機械施工及流速等荷載，還應滿足沖刷要求，同時平臺由輔助部分和鉆孔平臺兩部分構成，結構較為復雜。因此水上平臺施工技術往往造價較高，施工難度大，急需研究更為經濟合理的施工技術。

3）鋼護筒嵌巖樁基礎在使用階段的防腐蝕要求不容易保證，影響結構的耐久性。涂裝防銹漆是內河港工和橋梁結構防腐體系中的首選方式。根據工程實踐經驗，目前的防銹漆能在5 a左右有效保證防腐蝕效果[8]。由于三峽庫區水流速度大，江水挾沙，對鋼護筒嵌巖樁表面的防銹漆有很大的沖刷作用，降低了防腐體系的防護年限，如不妥善處理還將造成鋼護筒銹蝕，樁基承載能力降低的嚴重后果。因此，開展鋼護筒嵌巖樁基礎防腐技術研究十分必要。

除以上應深入研究鋼護筒嵌巖樁基礎受力理論、施工方法、防護技術并進行優化外，提出新的可行的碼頭基礎形式也是研究工作的重點。

5 三峽成庫后碼頭基礎形式研究展望

為了提出適于三峽成庫后港口建設環境的碼頭基礎形式，可按以下思路開展研究：一方面對現有碼頭基礎形式進行系統研究并提出優化措施，另一方面提出新的碼頭基礎形式。具體包括以下方面：

1）深入研究鋼護筒嵌巖樁基礎理論體系。研究鋼護筒與樁身混凝土聯合受力機理，特別是鋼-混凝土界面的弱化機理，重復荷載作用下鋼護筒嵌巖樁承載性能以及上部鋼筋混凝土承臺與鋼護筒嵌巖樁間受力傳遞關系，進而完善其設計計算理論、施工規程、施工質量檢測方法。

2）研究鋼護筒嵌巖樁防腐技術及結構耐久性。針對三峽庫區水流速度大，江水挾沙，對鋼護筒嵌巖樁表面的防銹漆沖刷作用明顯特點，開展內河鋼護筒嵌巖樁防腐技術研究，提出適于內河庫區鋼護筒嵌巖樁的防腐技術，為鋼護筒嵌巖樁在內河深水碼頭中廣泛應用提供保證。

3）采用內河嵌巖斜樁基礎形式，主要是通過開發和完善嵌巖斜樁的施工工藝來實現。嵌巖斜樁形式目前在庫區碼頭中幾乎沒有獲得應用，但已經在洋山三期工程、福建泰山石化10萬噸級碼頭等工程中得到了應用[9-11]，有了一定的設計和施工經驗。目前應加強庫區深水條件下嵌巖斜樁的施工工藝研究，結合沿海已有施工經驗，開發相應的施工設備，提出適于內河嵌巖斜樁的施工方案。

4）采用預制沉箱基礎形式，由于庫區地形地質條件不同于沿海，采用沉箱基礎的難點在于水下基床（或水下基礎）的平整問題，庫區碼頭只能在適宜的地形地質條件下選用，否則應研究特殊的基床設計和施工工藝，這也是今后研究的方向。

6 結語

本文在全面調查分析庫區碼頭建設的水文和地質條件的基礎上，分析了庫區碼頭常用基礎形式及適用特點，提出成庫后碼頭基礎的設計原則、發展趨勢。

1）全面調查分析庫區碼頭建設的水文環境和地質條件，總結港口建設中庫區變動回水區面臨長歷時大水深和大變幅水位問題，常年回水區的新建碼頭也都將面臨深水問題以及庫區常見的5種地形地質類型。

2）系統總結并分析了庫區碼頭常用的5種基礎形式，同時分析了每種基礎形式適用性。

3）分析了三峽成庫后現有碼頭基礎形式適用性，重點分析了鋼護筒嵌巖樁基礎在設計、施工及使用中存在的問題及解決途徑。

4）提出了三峽成庫后碼頭基礎形式的進一步研究思路，可為庫區碼頭基礎設計研究提供參考。

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Analysis and research prospects of the wharf foundation type after the three gorges reservoir area

LIU Ming-wei，JIA Li，LIANG Yue，ZHANG Xiao-long
（Chongqing Jiaotong University，National Inland Waterway Regulation Engineering Research Center，Key Laboratory of Hydraulic&Waterway Engineering of Ministry of Education，Chongqing 400074，China）

After the impoundment of Three Gorges Reservoir，wharf construction in Three Gorges Reservoir area is facing the difficulties of the complex hydrological environment and unique geological environment.Design and construction technology of wharf foundation became the bottleneck and key technique.Basing on the comprehensive survey of hydrological and geological condition in Three Gorges Reservoir area，the applicable characteristics of five kinds of commonly used wharf foundation type and existing problems of deep-water wharf foundation design are summarized and analyzed.And put forward the further study idea of wharf foundation.It is aimed at providing a reference of foundation design and study in Three Gorges Reservoir area.

Three Gorges Reservoir； port construction environment； permanent backwater region； fluctuating backwater area；wharf foundation

U651.4

：A

：1003-3688（2014）03-0013-07

10.7640/zggwjs201403003

2013-08-07

2013-09-02

國家科技支撐計劃項目（2011BAB09B01）

劉明維（1972— ），男，貴州遵義人，教授，博士，主要從事港工結構及基礎方面的教學研究。E-mail：mingwei_liu@126.com