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水工建筑物

第8章港口工程及水工建筑物

8.1概述

1.港口工程的定义

港口是具有水陆联运设备和条件，供船舶安全进出和停泊的运输枢纽。

港口工程是兴建港口所需的各项工程设施的工程技术，包括港址选择、工程规划设计及各项设施（如各种建筑物、装卸设备、系船浮筒、航标等）的修建。

港口工程也指港口的各项设施。

港口工程原是土木工程的一个分支，随着港口工程科学技术的发展，已逐渐成为相对独立的学科。

但仍和土木工程的许多分支，如水利工程、道路工程、铁路工程、桥梁工程、房屋工程、给水和排水工程等分支保持密切的联系。

2.发展简史

最原始的港口是天然港口，有天然掩护的海湾、水湾、河口等场所供船舶停泊。

港口的发生时从古代渔捞开始的，一般都是天然港湾，只是为了单纯的停泊渔船或是安全避险。

那时还没有港口的概念，所有的港口都是天然港口。

随着时间的推进和人类生产力的发展，天然港口已经越来越不能满足人类自身发展的需要，须兴建具有码头、防波堤和装卸机具设备的人工港口，这是港口工程建设的开端。

中国是人工港口出现最早的国家之一，在秦汉时期就出现了山阴港等人工海港。

时间来到近代（17世纪中叶——20世纪中叶），随着资本主义的发展和商品经济的崛起，船舶的迅速大型化。

由原来的石材和木料为主的港口工程逐渐被以钢材和混凝土结构所取代，在工程的理论方面也有巨大的创新，从而保证了工程结构物的安全性。

我们所熟知的港口工程是现代港口工程（20世纪中叶以后）。

第二次世界大战以后，现代科学技术推进了建筑材料的发展、建筑理论技术的更新，加上施工过程的工业化和规模化。

出现了一大批大型的海港，如荷兰的鹿特丹海港、中国的上海港等。

图8-1荷兰鹿特丹海港

图8-2中国上海港

3.港口工程规划

港口工程建设牵涉面广，关系到临近的铁路、公路和城市建设，关系到国家的工业布局和工农业生产的发展。

因此，必须按照统筹安排、合理布局、远近结合、分期建设的原则制订规划，特别是沿海港口的建设规划。

贯彻深水深用、浅水浅用的原则，合理开发利用或保护好国家的港口资源。

制订规划要做好港口腹地的社会经济调查，弄清建港的自然条件，选择好港址，确定合理的工程规模和总规划，进行可行性研究后，制订实施规划。

港口工程的规划包括选址、规模、布置方案。

港口的选址是港口设计最为重要的工作，它不仅要考虑港口经济腹地范围内的工农生产、交通运输，还要考虑港口自身和附近环境因素。

港口的规模以吞吐量为依据进行设计；远景货物吞吐量、船舶的性能、尺度及今后发展趋势也是港口规划设计的主要依据。

港口布置遵循原则：

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