港口工程及水工建筑物Word下载.docx
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统筹安排、合理布局、远近结合和分期建设。
布置方案是规划阶段最重要的工作之一，港口布置的基本类型：
自然地形布置（天然港）、挖入内陆和填筑式。
港口规划的一般程序如下图所示。
图8-3港口规划的一般程序
4.港口工程设计
港口工程设计的基本内容包括以下几个方面：
①客货运量的调查和预测；
②港址选择；
③船型及其运输组织形式的确定；
④岸线使用的分配；
⑤装卸工艺的确定；
⑥泊位数和库场面积等的确定；
⑦高程设计；
⑧港口总平面布置；
⑨港口水工建筑物和陆域建筑物的设计；
⑩推荐科学的管理机构和合理的人员编制，施工方案的确定以及投资及其效益的估计。
5.港口工程特点
港口工程施工有许多地方与土木工程相同，但有自己的特点。
港口工程往往在水深浪大的海上或水位变大的江河上施工，水上工程量大、质量要求高、施工周期短，我国和其他国家的一些海港还受台风或其他风暴的袭击。
因此，要求尽可能采取装配化程度高、施工速度快的工程施工方案，尽量缩短水上作业时间；
并采取切实可行的措施保证建筑物在施工期间的稳定性，防止滑坡或其他形式的破坏。
港口工程常遇到软土地基，使在软土上建造的港口建筑物出现各种工程事故，造成巨大损失。
应从软土地基加固、改善地基应力状态、建筑物的结构和基础类型等方面着手，保证工程建成后的正常使用。
6.发展趋势
港口建设发展趋势是：
①石油、煤炭、矿砂、粮食等专用码头的兴建；
②在风浪条件不是太差的开敞海域，不用防波堤掩护，兴建开敞式码头；
③专供装卸、存放集装箱用的码头的发展；
④填海造地工程的开展；
⑤港口建设与城市工业区的发展密切配合，大力发展工业港；
⑥大力发展海河联运和水水中转作业，在原港口中增建内河港地。
这些趋势促使港口工程：
①大力开辟深水航道和开挖深水港池，大量建设深水泊位；
②结合港口疏浚吹填造陆，使软基加固技术得到很大发展；
③码头结构向构件大型化、结构简单化方向发展；
④防波堤向深水发展；
⑤码头装卸设备向大型化、高效率和专业化方向发展；
⑥电子计算机和其他先进技术在港口勘测、设计、施工和经营管理等方面日益广泛应用；
⑦在波浪预报、波浪理论和不规则波浪作用力的研究，泥砂淤积研究及模型试验，防波堤人工块体的研究等方面，都有很大发展。
8.2港口的分类
1.按地理位置分
港口按地理位置可分为河港、海港和河口港。
（1）内河港：
指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，因此同海港有许多相似处，如往往需修建防波堤等。
苏联古比雪夫、齐姆良斯克等大型水库上的港口和中国洪泽湖上的小型港口均属此类。
图8-4苏联古比雪夫水库
图8-5中国洪泽湖水库
（2）海港：
指位于海岸、海湾或泻湖内，也有离开海岸建在深水海面上的。
位于开敞海面岸边或天然掩护不足的海湾内的港口，通常须修建相当规模的防波堤，如大连港、青岛港、连云港、基隆港、意大利的热那亚港等。
供巨型油轮或矿石船靠泊的单点或多点系泊码头和岛式码头属于无掩护的外海海港，如利比亚的卜拉加港、黎巴嫩的西顿港等。
泻湖被天然沙嘴完全或部分隔开，开挖运河或拓宽、浚深航道后，可在泻湖岸边建港，如广西北海港。
也有完全靠天然掩护的大型海港，如东京港、香港港、澳大利亚的悉尼港等。
图8-6中国大连港
图8-7中国连云港
图8-8日本东京港
图8-9澳大利亚悉尼港
（3）河口港：
指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，如鹿特丹港、泰晤士港、纽约港、列宁格勒港、上海港等。
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。
在我国，一般把河口港划入海港的范畴。
图8-10中国深圳港
图8-11英国泰晤士港
2.按用途分
港口按服务对象可分为商港、工业港、渔业港、军港和避风港等。
（1）商港：
指专门从事客货运业务的港口，所以也称为公共港。
商港不但要有优良的自然条件，还必须具备工商业比较集中、商品经济比较发达、交通十分方便等条件，并具有从事水、陆、空联运的各种设施。
如上海、香港、鹿特丹和汉堡等港口都是世界上著名的商港。
（2）工业港：
指为临近江、河、湖、海的大型工矿企业直接运输原料、燃料和产品的港口。
（3）渔业港：
指专门从事渔业的港口，我国的渔港一般只用于渔船的停泊、装运物资等，而现代化的渔港应具备各种鱼类的加工设备。
（4）军港：
指为军事目的而修建的港口。
（5）油港：
专门装卸原油或成品油的港口。
（6）散货港：
专门装卸大宗矿石、煤炭、粮食河砂石料等散货的港口
（7）避风港：
指专为船舶、木筏等在海洋、大潮、江河中航行和作业遇到突发性风暴时避风用的港口。
3.其他分类方式
按运输货物贸易方式分港口按运输货物贸易方式可分为对外开放港口和非对外开放港口等。
按运输功能分港口按运输功能可分为客运港、货运港、综合港等。
8.3港口的组成
8.3.1港口水域
港口水域是港界线以内的水域面积，它一般须满足两个基本要求：
船舶能安全地进出港口和靠离码头；
能稳定地进行停泊和装卸作业。
港口水域主要包括码头前水域、进出港航道、转头水域、锚地以及助航标志等几部分。
1.进港航道
进港航道是船舶进出港区水域并与主航道连接的通道。
一般设在天然水深良好，泥砂回淤量小，尽可能避免横风横流和不受冰凌等干扰的水域。
其布置方向以顺水流成直线形为宜。
根据船舶通航的频繁程度，可分别采用单行航道或双行航道。
在航行密度比较小（如在日平均通航艘次≤1）时，为了减少挖方量和泥砂回淤量，经过技术经济比较和充分研究后，可考虑采用单行航道。
航道的宽度一般按航速、船舶横位、可能的横向漂移等因素，并加必要的富余宽度确定。
进港航道的水深，在工程量大、整治比较困难的条件下，海港一般按大型船舶乘潮进出港的原则考虑；
在工程量不大或航行密度大的情况下，经论证后可按随时出入的原则确定。
河港的进港航道水深应保证设计标准船型的安全通过。
2.乘潮水位
船舶在通过航道（包括进港航道）的局部浅段时，由于水深不足，常利用一定的高潮位以增加航深使船舶通过。
这种使船舶能在一定时间内，乘一定的较大潮位通过航道浅段的水位称为乘潮水位。
乘潮水位的概念，常在设计进港航道、河口浅滩航道以及船坞坞口底面高度等的时候采用，确定乘多大的潮位时，则要结合设计代表船型的吃水、航道浅段的长度、航行速度、航行密度等，按当地实际潮位过程线进行比较选定。
利用乘潮水位开挖航道，可以节省工程量，但船舶航行时间有一定限制，不能随时通航。
3.转头水域
转头水域又称回旋水域，它是指船舶在靠离码头、进出港口需要转头或改换航向时而专设的水域。
其大小与船舶尺度、转头方式、水流和风速风向有关。
转头水域一般可以与港内航行水域合并在一起布置。
转头水域的深度，在海港和河口港，最小水深一般按大型船舶乘潮进出港口的原则考虑；
在内河港，最小水深一般不大于航道控制段最小通航水深。
4.港口水深
通常指船舶能够进出港口进行作业的某一控制水深。
它是个综合性概念，并对外公布。
港口水深是港口的重要特征之一，表明其自然条件和船舶可能利用的基本界限。
港口水域在此控制水深限制之下，各部分深度是可以不同的（实际也是如此），具体到某一部分的深度，主要根据使用要求和经济合理性来选取。
航道、转头水域，在海港常按乘潮水位考虑；
港池、停泊地按最低设计水位保证率确定；
各泊位可不相同。
在各种水域的基本起算水位确定以后，其水深可按设计标准船型的满载吃水加上龙骨下最小富余深度，并考虑波浪的影响、航行时吃水的增大以及回淤等确定。
5.码头前水深
码头前水深在任意情况下都能保证设计标准船型满载装卸作业所要求的水深。
在水深不足的沿海港口，为使较大的船舶乘潮进港后能够靠码头进行装卸作业，通常在新建码头前一定的水域范围内（一般为2倍船宽），适当挖深，使其在设计低水位时能够达到设计标准船型满载吃水所要求的水深。
6.码头前水域（港池）
码头前水域指码头前供船舶靠离和进行装卸作业的水域。
码头前水域内要求风浪小，水流稳定，具有一定的水深和宽度，能满足船舶靠离装卸作业的要求。
按码头布置形式可分为顺岸码头前的水域和突堤码头间的水域。
其大小按船舶尺度、靠离码头的方式、水流和强风的影响、转头水域布置等因素确定。
8.3.2港口陆域
港口的陆域是港口陆地部分的面积，主要用于陆上交通及货物的存放。
它主要包括：
码头、防堤波、护岸建筑、进口仓库与货场等。
1.码头
码头是供船舶系靠、装卸货物或上下旅客的建筑物的总称，它是港口中主要的水工建筑物之一，它的主要布置形式有：
①顺岸式：
码头与自然海岸线大体平行，在河港、河口港及部分中小型海港中交常用；
②突堤式：
码头的前沿线布置成语自然岸线有较大的角度；
③挖入式：
港池由人工开挖形成，在大型的河港及河口港中较为常见。
2.防堤波
防堤波的主要功能是为港口提供掩护条件，阻止波浪和漂沙进入港内，保持港内水面的平稳和所需要的水深，同时兼有防沙防冰作用。
防堤波的平面布置方式有：
①单突式：
是在海岸适当地点筑堤一条，深入海中，使堤端达到适当的深水处；
②双突式：
是自海岸两边适当的地点各筑突堤一道伸入海中，在两堤的末端形成以突出深水的出口，以形成较大的水域，保持港内的航道水深；
③岛堤：
是筑堤海中，形成海岛，专栏迎面袭来的波浪与漂沙；
④组合堤：
也称混合堤系，由突堤与岛堤混合应用而成。
3.护岸建筑
天然河岸或是海岸因受到波浪、潮汐、水雷等自然了的破坏作用会产生冲刷和侵蚀现象。
但是码头的陆域边界一般是不允许冲刷的，因此产生了护岸建筑。
护岸方法一般分为两大类：
一类是直接护岸、一类是间接护岸。
4.港口仓库与货场
港口仓库与货场是港口的存储系统，主要作用是加速车船货物的周转，提高港口的吞吐能力。
货场主要用来存放不拍雨淋、日晒和气温变化影响的货物，而仓库用来保管贵重的货物，不使它们受到降水和日晒的影响。
8.4水工建筑物
水工建筑物是指为开发、利用和保护水资源，减免水害而修建的承受水作用的建筑物。
控制和调节水流，防治水害，开发利用水资源的建筑物。
也指实现各项水利工程目标的重要组成部分。
水工建筑物涉及许多学科领域，除基础学科外，还与水力学、水文学、工程力学、土力学、岩石力学、工程结构、工程地质、建筑材料以及水利勘测、水利规划、水利工程施工、水利管理等密切相关。
它的设计和研究方法，主要有理论分析、试验研究、原型观测和工程类比等。
水工建筑物历史悠久。
早在公元前2900年，埃及就在尼罗河上建造了一座高15m、长240m的挡水坝。
在中国，从春秋时期开始，就在黄河下游沿岸修建堤防，经历代整修加固，形成长约1500km的黄河大堤。
公元前256～前251年兴建并延用至今的都江堰工程，利用鱼嘴分水，飞沙堰泄洪、排沙，宝瓶口引水，是引水灌溉工程的典范。
从春秋时期开始兴建至公元1293年全线通航的京杭运河是世界上最长的运河。
图8-12埃及阿斯旺大坝
图8-13中国都江堰
中世纪及其以前的水利工程建设，大都凭借经验，缺乏理论分析。
19世纪中期特别是进入20世纪以后，由于生产发展和科学技术进步，水工设计理论不断完善，施工技术水平逐步提高，水工建设取得了较快的进展。
如重力坝剖面的底宽与坝高之比在逐渐减小；
在适宜的条件下，改变结构形式（如腹拱坝）或采用减压排水系统，以减小坝体工程量；
而碾压混凝土筑坝等技术的出现，又为简化坝体施工、加快工程进度和降低造价提供了有利条件。
20世纪80年代最高的重力坝是瑞士的大迪克桑斯坝，高285m。
图8-14瑞士大迪克桑斯坝
20世纪60年代以来，拱坝建设发展较快，对坝址地形和地质条件的要求逐渐放宽，在宽高比大于5和地质条件复杂的地基上也能修建拱坝；
为改善坝肩稳定条件，拱圈已从过去的单圆弧拱发展为多圆心拱、椭圆拱、抛物线拱和对数螺线拱等多种形式；
对不太对称的河谷，常采用周边缝（见双曲拱坝）将坝体与地基分开，以改善坝体应力和减少工程量。
世界最高的拱坝是苏联的英古里坝，高度已达272m。
图8-15英国英古里坝
2010年8月，中国云南小湾水电站建成投产以后，已经成为世界上最高的拱坝，最大坝高达292米，水库总库容11亿m3，下游设有引水式电站，装机130万kW。
图8-16中国小湾水电站
坝址为石灰岩和白云岩，被裂隙和断层切割，地质条件复杂，地震烈度8度。
坝型为双曲拱坝，坝面由多心圆拱组成。
随着土力学理论的发展，施工技术水平的提高和大功率、高效施工机械的采用，以及对上坝土料要求放宽，加之有些国家地质条件较好的坝址已经不多等原因，致使高土石坝的修建越来越多。
塔吉克斯坦的罗贡坝，高达335m，是20世纪80年代世界上最高的土石坝。
图8-17塔吉克斯坦的罗贡坝
钢筋混凝土面板堆石坝也在迅速发展。
岩石力学的发展，促使采用隧洞等地下结构的工程日益增多，规模也在不断扩大，施工技术和机械化水平不断提高，预应力衬砌隧洞、锚喷支护、在软基上用高压喷射灌浆开挖洞室等都在发展。
利用混凝土防渗墙或帷幕灌浆解决坝基渗漏，在深厚覆盖层地基上修建土石坝，在岩溶地区和复杂地基修建高坝均获得了成功。
埃及阿斯旺高坝的帷幕深170m；
加拿大马尼克三级土坝，防渗墙深达131m。
中国在岩溶地区成功地建成了高165m的乌江渡拱形重力坝，灌浆帷幕深达260m。
由于高坝建设增多，大流量泄洪消能设施发展迅速，单宽流量不断加大，有些工程高达300m3/（s·
m）以上。
为解决由于高速水流引起的空蚀问题，除作好体型设计外，还采用了掺气减蚀等措施。
在高山峡谷地区，为适应泄水建筑物与水电站厂房的布置，厂房顶溢流式、挑越式厂坝联合泄洪以及厂房位于坝内的腹拱式等形式也逐渐付诸实施。
大容量电子计算机和有限元方法的采用，又为解决过去用人工难以完成的许多计算课题和数据处理创造了良好条件。
图8-18中国乌江拱形重力坝
8.4.1主要特点
（1）受自然条件制约多，地形、地质、水文、气象等对工程选址、建筑物选型、施工、枢纽布置和工程投资影响很大。
（2）工作条件复杂，如挡水建筑物要承受相当大的水压力，由渗流产生的渗透压力对建筑物的强度和稳定不利；
泄水建筑物泄水时，对河床和岸坡具有强烈的冲刷作用等。
（3）施工难度大，在江河中兴建水利工程，需要妥善解决施工导流、截流和施工期度汛，此外，复杂地基的处理以及地下工程、水下工程等的施工技术都较复杂。
（4）大型水利工程的挡水建筑物失事，将会给下游带来巨大损失和灾难。
8.4.2分类
水工建筑物可按使用期限和功能进行分类。
按使用期限可分为永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，后者是指在施工期短时间内发挥作用的建筑物，如围堰、导流隧洞、导流明渠等。
按功能可分为通用性水工建筑物和专门性水工建筑物两大类。
1.通用性水工建筑物
（1）挡水建筑物，为拦截江河、渠道等水流以壅高水位，以及为防御洪水而沿河湖、海岸修建的水工建筑物。
它们主要借自重或结构作用以抵御水及其他外荷载。
常见的挡水建筑物有坝、水闸、堤、海塘等。
拦河修建的船闸和河床式水电站等，除为专用建筑物外，也可视为挡水建筑物。
有些挡水建筑物，既有挡水作用，同时又具有其他功能，如水闸及设有泄水孔或溢流孔的坝同时具有挡水及泄水的功能。
上述船闸及水电站等，既能挡水又分别供航运及发电使用。
有时一个水利枢纽可包含多种挡水建筑物，如中国葛洲坝水利枢纽即由坝、泄水闸、冲沙闸、船闸及河床式水电站等组成。
（2）泄水建筑物，用以排放多余水量、泥沙和冰凌等的水工建筑物。
泄水建筑物具有安全排洪，放空水库的功能。
对于水库、江河、渠道或前池等的运行起太平门的作用，也可用于施工导流。
溢洪道、溢流坝、泄水孔、泄水隧洞等是泄水建筑物的主要形式。
和坝结合在一起的称坝体泄水建筑物；
设在坝身以外的常统称为岸边泄水建筑物。
（3）进水建筑物，从江河、湖泊、水库或人工水道将水引入渠道、隧洞、管道的建筑物。
又称取水建筑物。
进水建筑物包括进水口（开敞式进水口和深式进水口）、进水闸、扬水站以及为截取河床潜流的引水工程的进水部分。
开敞式进水口位于灌溉渠道或引水式水电站等的进口。
深式进水口位于水工隧洞、坝下埋管或坝身泄水孔的首部，是灌溉、水力发电、城镇供水等工程中的重要组成部分。
进水建筑物需要满足以下各项要求：
①具有足够的过流能力，即在设计条件下能保证引用所需的流量；
②结构布置和体形设计得当，进流平顺，水头损失小，避免出现不利的负压和空蚀破坏；
③在多泥沙河流上，要结合实际，采用适宜的防沙措施，保证进口前免受淤积，防止推移质泥沙进入渠道；
④设置闸门等控制设备，用以调节流量，或在紧急事故时关闭进口，便于维修；
⑤具有足够的强度和稳定性，结构简单合理，施工方便，有利于运行和管理，造价低廉，外形美观等。
（4）输水建筑物，向用水部门送水的建筑物。
输水建筑物包括:
引（供）水隧洞、输水管道、渠道、渡槽及涵洞等，是灌溉、水力发电、城镇供水、排水及环保等工程中的重要组成部分。
输水建筑物除洞（管、槽）身外，一般还需包括进口和出口两个部分（发电引水隧洞在洞身后接压力水管）。
有时受地形条件限制，在进口前或出口后还需增设引水渠或尾水渠。
渠道线路上的输水隧洞或通航隧道，只有洞身段，但前后洞脸部分需增加护砌。
输水建筑物需要满足以下各项要求。
①具有设计规定的过流能力。
对无压洞（管），为保证洞内为无压流态，水面以上应有足够的净空；
对有压洞，为保证洞内为压力流，要求沿洞线顶部的压力余幅不小于2m；
渠堤顶或边墙在水面以上需留有足够的超高。
②结构布置和体形设计得当：
出流平稳，水头损失小，不出现过大的负压和空蚀破坏。
③不同用途的输水建筑物对水流流速各有不同的要求。
发电引水隧洞的经济流速一般为3～5m/s。
为保持渠道不冲、不淤、不生水草，需结合渠道土质、水深和水流悬浮泥沙的颗粒直径，确定适宜的流速范围。
④渠线上输水隧洞、暗渠等的纵坡应略陡于渠道纵坡，以减小断面和免遭淤积。
⑤对坝下埋管，为防止由于温度变化和不均匀沉降导致管身开裂、接缝漏水或沿管身与坝体填土间产生集中渗流，应将管身置于较坚实的地基上，沿管线每隔一定距离设置带有止水的伸缩缝，并在管壁外侧做截流环（见输水管道）。
⑥满足水工建筑物的一般设计要求：
具有足够的强度和稳定性，结构简单，施工简便，有利于运行和管理，造价低，外形美观等。
（6）河道整治建筑物，稳定或改善河势，调整水流所修建的水工建筑物。
亦称河工建筑物。
常用的有丁坝、矶头、护岸、顺坝、锁坝、桩坝、杩槎坝等。
河道整治建筑物可以用土、石、竹、木、混凝土、金属、土工织物等河工材料修筑，也可用河工材料制成的构件，如梢捆、柳石枕、石笼、杩槎、混凝土块等修筑。
2.专门性水工建筑物
（1）水电站建筑物，水电站中拦蓄河水，抬高水头，装设机电设备以及将水引经水轮发电机组发电的一系列建筑物的总称。
水电站建筑物有①挡水建筑物：
用于拦蓄河水，集中落差，形成水库，如坝、水闸等；
②泄水建筑物：
用于下泄多余的洪水，或者放水以降低水库水位，如溢洪道、泄水孔等；
③水电站进水口：
将发电用水引入引水道；
④水电站引水建筑物：
将已引入的发电用水输送给水轮发电机组，如渠道、隧洞（见水工隧洞）和压力水管等；
⑤平水建筑物：
当水电站负荷变化时，用于平稳引水道中流量及压力的变化，如前池、调压室等；
⑥尾水道：
通过它将发电后的尾水自机组排向下游；
⑦发电、变电和配电建筑物：
包括安装水轮发电机组及其控制设备的水电站厂房、安放变压器及高压开关等设备的水电站升压开关站；
⑧为水电站的运行管理而设置的必要的辅助性生产、管理及生活建筑设施。
在多目标开发的综合利用水利工程中，坝、水闸等挡水建筑物及溢洪道、泄水孔等泄水建筑物为共用的水工建筑物。
有时也只将从水电站进水口起到水电站厂房、水电站升压开关站等专供水电站发电使用的建筑物称为水电站建筑物。
（2）渠系建筑物，为了安全输水，合理配水，精确量水，以达到灌溉、排水及其他用水目的而在渠道上修建的水工建筑物。
在农田水利工程建设中，蓄水、引水等枢纽工程，只有与渠系工程配套使用，才能达到兴利的目的，故渠系建筑物又称灌区配套建筑物。
灌区工程配套是挖掘现有灌溉设施潜力、发挥工程效益的重要措施。
如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸；
（3）港口水工建筑物，建于水中的港口建筑物。
一般包括防波堤、码头、升船和修船用的船台、滑道、船坞等。
港口护岸、海上灯塔和布置在水上的导标也属于港口水工建筑物。
港口水工建筑物的设计和施工，除与一般水工建筑物有许多共同之处外，也有其特点。
波浪、潮汐、水流、泥沙、冰凌等动力因素对港口水工建筑物的作用及环境水（主要是海水）、海生物对建筑物的腐蚀作用，在确定建筑物荷载、平面布置和结构设计方案时应予充分考虑，并采取相应的防冲、防淤、防冻、防腐蚀等措施。
港口水工建筑物经常在水深、浪大、流急的海上或洪枯水位变幅大的河流上施工，海港有时还受台风或飓风的袭击，水上工作量大，质量要求高，施工周期短，因此要求采用装配化程度高、施工速度快的工程设计、施工方案，以尽量缩短水上作业时间，并采取切实可行的措施，保证建筑物在施工期间的稳定性。
港口水工建筑物的主要建筑材料有混凝土、钢筋混凝土、砂石
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