港口工程地质

(一)港口工程基本概念

港口按所在位置可分为海岸港、河口港和内河港，海岸港和河口港统称为海港(港口工程地质勘察规范)。

河口港，位于河流入海口或受潮汐影响的河口段内，可兼为海船和河船服务。一般有大城市作依托，水陆交通便利，内河水道往往深入内地广阔的经济腹地，承担大量的货流量，故世界上许多大港都建在河口附近。河口港的特点是，码头设施沿河岸布置，离海不远而又不需建防波堤，如岸线长度不够，可增设挖入式港池。

内河港，位于天然河流或人工运河上的港口，包括湖泊港和水库港。湖泊港和水库港水面宽阔，有时风浪较大，往往需修建防波堤等。

港口包括陆域和水域两大部分。陆域上的工程有:码头、栈桥、船坞、船台、仓库和民用建筑等。根据码头性质不同，设有不同的码头工程。有为旅客上下船的码头，专门的油码头、煤码头，还有军用码头等。水域是供船舶航行、运转、锚泊和停泊装卸之用的。

码头建筑物，要在各种荷载作用下有足够的强度和稳定性，满足使用要求，便于施工和坚固耐用。码头的结构型式有重力式、桩式(板桩式和高桩式)和混合式，适应于不同的水深和地基条件。又有岸壁式和透空式，以适应于不同的水动力条件和岸坡条件(图2-65)。

图2-65 大型人工港口的典型布置图

(据李炎保，蒋学炼，2010)

防波堤，是一种维护港内水面平稳的主要构筑物，用来构成一个人工水域，其功能是避免波浪的影响供船舶安全停泊，防止外部泥沙进入港区，避免港区和航道的淤塞。除掩护功能外，一些防波堤还兼作码头和行车道。防波堤按其断面形状及对波浪的适应有斜坡式、直立式、混合式、透空式和浮式等类型，以及新近发展起来的有防波功能的喷气和喷水消波设备(李炎保等，2010)。目前防波堤的最大水深已达数十米，一般都采用斜坡堤和混合堤，上部还采用多孔或格栅结构，以增加消波效能。大型船舶吃水深度过大，在为其建设传统型码头已很不经济的情况下，利用大型船舶抗风浪性能较好及其货物装卸可通过管道或栈桥式输送带进行的特点而发展起来的泊系统，实质上是一种新型的离岸码头。

码头按结构形式分为:重力式码头、板桩码头、高柱码头、混合式码头等(图2-66)。

河泊装卸系统分固定式和浮式两类。前者包括外河码头、岛式码头、塔式码头等，后者有多点或单点系泊装卸系统(图2-67)。

一般要求有足够的水深，离岸较远，波浪和流速不太大并可满足船舶装卸泊稳的要求、冲淤不太严重、足够的活动水域等条件。对外河码头式泊位，尚需考虑码头力向以避免横风横流和侧向风浪的影响。

外河码头的结构有高栈桥和具有重力式墩台的桥式，并设有系、靠船桩。系船桩承受系船力，靠船桩则承受撞力和挤压力，通过引桥、引堤与岸上相连，要求有较好的掩护。

(二)港口工程的主要工程地质问题

通过港口工程地质勘察，对港口场地的工程地质条件，即那些对工程建设的安全、经济和有效运营造成约束、风险和灾害的有关条件做出评价，并提供工程设计、施工和运行所需的工程地质参数(张咸恭、王思劲等，2000)。港口工程地质问题涉及面很广，又十分复杂，任何一个问题都找不到现成的答案。因此，必须根据具体的港口工程的规模、性质、等级及其河域的工程地质条件，进行系统的研究工作之后，才能得出科学的评价。

1. 河岸泥沙运动问题

沿岸泥沙运动是河岸带最重要的过程之一，是河流水动力与河岸作用的结合，其结果造成河岸带的侵蚀及物质的重新分配。研究泥沙运动的主要目的是了解河岸带的堆积、冲刷或稳定平衡状态及其可能的发育进程。要求查明泥沙来源、输沙量大小和净输力方向等，以及由于建港改变河岸地形地貌和水动力条件而引起的改变，从而对是否适宜建港作出判断，对如何布置防波堤、港口门和进港航道以防止和避免淤积提出意见。

2. 地震问题

地震可能对港口造成灾难性的结果，可以直接损毁港区场地和摧毁构筑物，或间接地通过地基砂土液化使地基丧失承载力以及产生断裂和滑坡、泥石流等导致构筑物的毁损。地震问题的研究在于查明引起地震的地质条件，确定地区基本地震烈度，并根据场地工程地质条件对场地地震烈度提出意见，对砂土液化问题作出评价，选择良好的港口场地(安全岛)，以及提出防震措施。

3. 河流水位变化问题

河流水位波动，特别是水库水位变化，对河岸带和港口影响是很大的。由于河岸带高差一般不大，港口水深有限，陆域高程很低，因此对水位变化特别敏感，直接后果是现今港口的淹没和废弃，改变其工程地质条件，关系到港口的规划、设计、施工和已建港口的正常使用等重大问题，在港口建设中不仅有重大的理论和实践意义，而且具有重大的经济意义，需要通过多学科的综合研究逐步了解。对港口工程工程地质而言，主要是利用有关水位变化趋势和速率的研究成果，预测河岸工程地质环境条件可能发生的改变，为港口工程的选址、设计及旧港区的改造提供参考意见。

图2-66 码头的结构形式(据李炎保，蒋学炼，2010)

(a)重力式码头;(b)板桩码头;(c)高柱码头;(d)混合式码头;(e)混合式码头

图2-67 外河(海)系泊(据天津大学等，1988)

(a)用引桥引堤的外河码头;(b)浮筒式单点系泊系统

4. 港口地基变形边坡失稳

港口工程的基础都是坐落于河底或插入河底沉积物中，以河底为地基，然而河底沉积土层多为淤泥及淤泥质沉积物，具有高灵敏性，高孔隙性，高触变性，高蠕变性，高液化性，高压缩性，变异性，低渗透性和低强度等性质，这些未固结的沉积物工程特性很差，加上水动力(风、波浪、潮汐、海流等)的作用，使港口工程的地基就更不稳定，承担着比陆地相似建筑物大得多的负荷。根据近10年来对港口工程进行大坝工程事故的分析，世界几百起重大事故，除由于洪水超过设计指标外，另一个重要原因就是由地基问题引起的地基下沉、流沙、滑坡等事故。