廣東沿海斜坡式防波堤臺(tái)風(fēng)破壞特征及其應(yīng)對(duì)措施

施 斌，施騰源，馬慶濱

(1. 廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725；2. 中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；3. 廣州正和工程檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510470)

斜坡式防波堤是防波堤主要型式之一，在廣東沿海的水運(yùn)工程、水利工程中廣泛用作港口防波堤、海岸護(hù)岸。近幾年來(lái)，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)每年都登陸廣東沿海，一些在建和已建斜坡式防波堤受到臺(tái)風(fēng)破壞，影響了港區(qū)正常使用并帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于斜坡式防波堤受臺(tái)風(fēng)破壞問(wèn)題，一些工程技術(shù)專(zhuān)家針對(duì)具體案例做了分析研究，王亞?wèn)|等人[1]對(duì)茂名港博賀港區(qū)在建斜坡式防波堤臺(tái)風(fēng)破壞后修復(fù)斷面穩(wěn)定性進(jìn)行了斷面模型試驗(yàn)研究，選取了不同設(shè)計(jì)水位、不同斷面方案進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，提出在迎浪面設(shè)置戧臺(tái)、堤頂護(hù)面塊體全掩護(hù)的修復(fù)方案。羅大方等人[2]針對(duì)茂名港博賀港區(qū)在建斜坡式防波堤臺(tái)風(fēng)破壞形態(tài)，認(rèn)為巨浪爬上外坡后以巨大動(dòng)能與勢(shì)能沖刷堤頂，沖垮堤頂內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致堤身接連坍塌。李江峰等人[3]根據(jù)某核電廠島礁附近防波堤整體模型試驗(yàn)，認(rèn)為島礁附近的防波堤外側(cè)波能聚集，對(duì)防波堤堤頂穩(wěn)定性影響大，提出提高堤頂高程和增大護(hù)面塊體的方法。這些研究一定程度上揭示了臺(tái)風(fēng)對(duì)斜坡式防波堤產(chǎn)生破壞的特征，但對(duì)波浪作用于防波堤的特性、臺(tái)風(fēng)期水文條件沒(méi)有綜合研究。對(duì)已建防波堤臺(tái)風(fēng)破壞現(xiàn)象，目前也鮮有研究。本文在前人研究成果基礎(chǔ)上并結(jié)合廣東另外二例在建和已建防波堤臺(tái)風(fēng)破壞問(wèn)題作進(jìn)一步研究，供同類(lèi)工程設(shè)計(jì)、施工參考。

1 廣東沿海防波堤工程的水文氣象條件

1.1 熱帶氣旋

廣東直面南海，西太平洋上生成的熱帶氣旋每年都影響或登陸廣東沿海，2014—2018年平均每年在廣東登陸的熱帶氣旋達(dá)4次，其中有超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)1次，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)6次，廣東沿海各地每年都會(huì)受到2個(gè)以上熱帶氣旋的影響。熱帶氣旋一般出現(xiàn)在6—10月。

1.2 暴雨

廣東熱帶氣旋經(jīng)過(guò)的地區(qū)都是狂風(fēng)暴雨天氣，一般能產(chǎn)生150～300 mm降雨量，少數(shù)熱帶氣旋能產(chǎn)生 1 000 mm以上的特大暴雨，引發(fā)洪水。

1.3 風(fēng)暴潮

臺(tái)風(fēng)臨近和登陸時(shí)，臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)沿岸都將產(chǎn)生風(fēng)暴潮。2018年山竹臺(tái)風(fēng)登陸廣東省臺(tái)山市，珠江口至陽(yáng)江沿海產(chǎn)生110～280 cm風(fēng)暴增水，茂名至雷州半島東岸沿海產(chǎn)生80～120 cm風(fēng)暴增水。2016年海馬臺(tái)風(fēng)登陸廣東汕尾鲘門(mén)鎮(zhèn)，深圳至饒平一帶沿海，風(fēng)暴增水80～180 cm。臺(tái)風(fēng)如在湛江地區(qū)沿海登陸，湛江港、雷州半島東岸沿海風(fēng)暴增水值更大。

1.4 波浪

臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，風(fēng)作用于海面，產(chǎn)生巨大波浪，直接影響防波堤、護(hù)岸建筑物。臺(tái)風(fēng)為波浪輸入能量，使波浪成長(zhǎng)、傳播；波浪向海岸傳播時(shí)，海底地形則對(duì)波浪傳播起到摩擦、消耗能量作用，隨著水深變淺，這種能量消耗作用越明顯，使波高明顯減少。同一位置不同設(shè)計(jì)水位，由于水深不同，波浪要素各不相同。

因此，斜坡式防波堤設(shè)計(jì)和施工時(shí)，不僅要考慮不同重現(xiàn)期的波高問(wèn)題，計(jì)算水位、計(jì)算波高還要考慮到設(shè)計(jì)水位和臺(tái)風(fēng)期風(fēng)暴潮增水問(wèn)題。

2 臺(tái)風(fēng)破壞某斜坡式防波堤工程實(shí)例

2.1 臺(tái)風(fēng)對(duì)某在建防波堤的損壞

粵東某在建防波堤100年一遇高潮位+2.54 m，極端高水位(50年一遇高潮位)2.39 m，設(shè)計(jì)高水位+1.39 m。防波堤采取陸上推進(jìn)施工，從堤根向堤頭方向進(jìn)行。典型斷面堤心石底高程-6.82 m，堤心石頂高程+5.72 m。防波堤分2層施工，第1層堤心石從陸上開(kāi)始推填至+3.5 m，隨后進(jìn)行墊層塊石拋理、安裝扭王字塊至+3.0 m；第2層堤心石推填至+5.72 m，隨即墊層塊石拋理、安裝扭王字塊至設(shè)計(jì)堤頂高程。

2016年進(jìn)行防波堤第1層陸上推進(jìn)分段流水施工，堤心石推填、塊石墊層拋填理坡、安裝扭王字塊工序流水步距50 m。2016年第4號(hào)臺(tái)風(fēng)“妮妲”在深圳大鵬灣登陸，最大風(fēng)力14級(jí)，防波堤里程+300～+350 m堤段，已安裝42t扭王字塊至+3.0 m，堤心石填至+3.5 m，波浪將堤頂?shù)绦氖缘汀⑼坡渲粮蹆?nèi)側(cè)，外側(cè)+3.0 m處扭王字塊部分倒落淘低的堤頂(見(jiàn)圖1所示)；防波堤里程+350～+400 m堤端段，堤心石填至+3.5 m，未安裝扭王字塊，波浪將堤頂大部分堤心石推落至港內(nèi)側(cè)。2016年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“海馬”在汕尾市海豐縣鮜門(mén)鎮(zhèn)登陸，最大風(fēng)力14級(jí)，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前，堤頭部分堤心石推填至+3.5 m，為防臺(tái)，堤身段海側(cè)防波堤推填堤心石至+5.0 m，并理坡墊層施工、安裝扭王字塊，港側(cè)防波堤推填至+4.0 m，并理坡墊層施工；堤頭部分加拋大塊石至+5.0 m；臺(tái)風(fēng)對(duì)未安裝扭王字塊的堤頭損壞嚴(yán)重，堤頭堤心石被推落到港內(nèi)側(cè)，與堤頭相接的部分堤身，波浪將堤頂?shù)绦氖騼?nèi)推移，淘低堤頂，外側(cè)扭王字塊向內(nèi)推移，部分倒落淘低的堤頂(見(jiàn)圖2所示)。

圖2 臺(tái)風(fēng)“海馬”損壞的某在建防波堤示意

2.2 臺(tái)風(fēng)對(duì)某已建防波堤的破壞

粵東某已建防波堤，堤頭為直立沉箱結(jié)構(gòu)，堤身段為拋石斜坡式結(jié)構(gòu)。堤身主體采用拋填 1～1 000 kg 塊石，堤外側(cè)采用扭王字塊護(hù)面，與堤頭連接段內(nèi)側(cè)采用扭王字塊護(hù)面，其余段內(nèi)側(cè)采用柵欄板護(hù)面，堤頂作通道設(shè)置L型擋墻，擋墻在堤頂內(nèi)側(cè)。2018年“山竹”臺(tái)風(fēng)在江門(mén)市臺(tái)山海宴鎮(zhèn)登陸，最大風(fēng)力15級(jí)。受臺(tái)風(fēng)生成的波浪影響，與堤頭相接的80 m連接段，堤身外側(cè)原可視部分扭王字塊、墊層塊石滾落海中，其中與堤頭相接的50 m段，堤頂部分堤心石淘空，堤頂通道板斷裂傾斜；連接段以?xún)?nèi)230 m長(zhǎng)堤段，堤外側(cè)部分扭王字塊、塊石推移到堤頂通道，部分扭王字塊、塊石滾落海中(見(jiàn)圖3所示)。

圖3 臺(tái)風(fēng)“山竹”損壞的某防波堤示意

3 波浪破壞斜坡式防波堤的原因分析

斜坡式防波堤港外側(cè)、港內(nèi)側(cè)一般均為斜坡，也有港內(nèi)側(cè)為直立式兼作碼頭使用。對(duì)于港外、港內(nèi)側(cè)均為斜坡的防波堤，其斷面組成由內(nèi)向外為堤心石、墊層、護(hù)面層，堤頂為護(hù)面層或?yàn)樾貕屯ㄐ械?。護(hù)面層(堤身兩側(cè))是斜面，護(hù)面塊體間空隙大；墊層也是斜面，施工質(zhì)量良好時(shí)斜面較平整，墊層大塊石間由小塊石填充，但墊層塊石間仍有空隙；堤心石也有空隙。

廣東沿海臺(tái)風(fēng)期，常存在臺(tái)風(fēng)、天文大潮、臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的暴雨疊加現(xiàn)象，與正常潮汐比較，有風(fēng)暴潮增水現(xiàn)象，臺(tái)風(fēng)登陸或受臺(tái)風(fēng)影響時(shí)的實(shí)際高水位已經(jīng)高于設(shè)計(jì)高水位，接近極端高水位。根據(jù)斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)型式、防波堤施工期和使用期臺(tái)風(fēng)破壞實(shí)例分析，對(duì)于允許越浪的防波堤或者施工期分層施工的防波堤，外海波浪向近岸傳播時(shí)，受斜坡式防波堤的阻擋，波浪的波峰部分沖擊護(hù)面層并穿透護(hù)面層，大部分沿墊層向上爬坡，還有小部分穿透墊層進(jìn)入堤心層；爬坡的波峰對(duì)護(hù)面塊體、墊層塊石產(chǎn)生斜向向上的沖擊力，特別是對(duì)堤頂附近護(hù)面塊體、墊層塊石(尤其是施工期未安裝護(hù)面層時(shí))產(chǎn)生沖擊、頂托、向內(nèi)側(cè)推移作用；施工期堤頂施工未完成時(shí)，爬坡的波舌越浪沖刷堤頂質(zhì)量較小的堤心石，使堤心石滾動(dòng)、沖落到堤內(nèi)側(cè)，堤頂形成凹坑，誘發(fā)堤外側(cè)墊層塊石、護(hù)面塊體滑落凹坑。當(dāng)?shù)掏鈧?cè)波浪的波峰越過(guò)后，此時(shí)波浪進(jìn)入波谷狀態(tài)，爬坡水體沿墊層斜面回落，水體回落和波谷狀態(tài)的波浪對(duì)護(hù)面塊體、墊石塊石產(chǎn)生向下沖刷和下吸力，對(duì)護(hù)面塊體、墊層塊石(施工期未安裝護(hù)面層時(shí))產(chǎn)生下拉、滑動(dòng)、滾動(dòng)作用。波浪對(duì)堤外側(cè)的反復(fù)作用，使塊體和塊石松動(dòng)、滾動(dòng)脫落，導(dǎo)致防波堤損壞。

4 斜坡堤工程防臺(tái)建議與措施

4.1 施工階段斜坡堤工程防臺(tái)建議與措施

由臺(tái)風(fēng)引起的在建斜坡式防波堤損壞在廣東沿海防波堤施工中時(shí)有發(fā)生，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨或登陸時(shí)，海上水深越大波高越大，波浪越大對(duì)防波堤的損壞越大。斜坡堤施工必須合理安排施工期，盡量在臺(tái)風(fēng)前完成施工；或者臺(tái)風(fēng)頻發(fā)期進(jìn)行近岸段(水深淺，波浪小)施工，非臺(tái)風(fēng)頻發(fā)期進(jìn)行堤頭深水段施工。臺(tái)風(fēng)期施工時(shí)，要縮短流水施工步距，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前，盡量完成成形段外側(cè)理坡、墊層施工和安裝護(hù)面塊體，形成對(duì)堤身的保護(hù)，減少裸露堤心石的長(zhǎng)度。

由臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的某斜坡式防波堤損壞現(xiàn)象可見(jiàn)，在建防波堤的損壞主要是波浪沖刷未受防護(hù)的堤心石引起。按防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[4]中堤心石構(gòu)造要求，堤心石可采用10～100 kg，深水斜坡堤最大顆粒重量可采用800 kg，由此可見(jiàn)，大部分堤心石重力輕，在波浪力作用下易掀起、移動(dòng)。因此，在臺(tái)風(fēng)引起的波浪力作用下堤心石的穩(wěn)定是防止臺(tái)風(fēng)損壞在建防波堤的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[2]介紹了茂名博賀港區(qū)防波堤施工中，針對(duì)多次受臺(tái)風(fēng)影響，堤外側(cè)波浪順外坡爬坡至堤頂，沖刷堤頂處堤心石，導(dǎo)致堤身接連坍塌問(wèn)題，采取在堤頂灌砌大塊石使堤頂塊石連成整體(灌砌的大塊石應(yīng)使塊石尖角露出混凝土面，以保證與其上墊層、現(xiàn)澆混凝土胸墻保持摩擦力，并設(shè)豎向排水孔)的措施，有效抵御臺(tái)風(fēng)期波浪沖刷。因此，建議在同類(lèi)工程施工中，為防止臺(tái)風(fēng)對(duì)在建防波堤影響，在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前，對(duì)未受護(hù)面塊體護(hù)面的堤心石、墊層等采用大塊石壓面或混凝土灌砌大塊石護(hù)面。此外，沿防波堤縱向分條施工，加大海側(cè)堤心石推填高程，及時(shí)進(jìn)行海側(cè)墊層塊石施工和安裝護(hù)面塊體，可有效減少波浪爬坡后對(duì)堤頂?shù)绦氖臎_刷破壞。

斜坡堤的施工質(zhì)量對(duì)防波堤的防浪能力也有較大影響，斜坡堤海側(cè)坡腳處塊石棱體、肩臺(tái)的施工質(zhì)量，墊層塊石的重量與坡度，護(hù)面塊體的安放等直接影響擋浪能力，必須嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求施工。

4.2 防波堤防臺(tái)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范中斜坡堤計(jì)算規(guī)定：短暫狀況，對(duì)未成型的斜坡堤進(jìn)行施工期復(fù)核時(shí)，計(jì)算水位可采用設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位，波高的重現(xiàn)期可采用2～5 a。臺(tái)風(fēng)在廣東沿海登陸時(shí)，都會(huì)在臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生風(fēng)暴潮，高潮位疊加風(fēng)暴潮增水，受影響區(qū)域內(nèi)水位接近甚至達(dá)到極端高水位，因此，斜坡堤進(jìn)行施工期復(fù)核計(jì)算和波浪模型試驗(yàn)時(shí)，建議也應(yīng)按極端高水位和對(duì)應(yīng)的波高條件進(jìn)行。

當(dāng)斜坡堤堤頂作通道時(shí)，規(guī)范提出宜在堤頂設(shè)置胸墻，胸墻的型式可采用L型、反L型和弧形，胸墻位置沒(méi)有規(guī)定在海側(cè)還是港側(cè)，但在斜坡堤斷面型式圖中胸墻位于海側(cè)。斜坡堤設(shè)計(jì)實(shí)踐中，某些防波堤胸墻設(shè)置在港側(cè)，這樣布置，當(dāng)斜坡堤受到臺(tái)風(fēng)襲擊時(shí)，海側(cè)護(hù)面塊體、塊石在波浪斜向沖擊作用下，堤頂通道板高度不能有效阻擋波浪對(duì)護(hù)面塊體、塊石的頂托、向內(nèi)推移作用，導(dǎo)致部分護(hù)面塊體、塊石被沖上堤頂，部分塊體滾落海中，斜坡堤逐步破壞(見(jiàn)圖3)。因此，胸墻應(yīng)設(shè)置在海側(cè)。

防波堤堤頭和近堤頭段通常是水深大、流速大、波浪大，如果堤頭采用直立式而堤身采用斜坡式，在其結(jié)合部，由于波浪對(duì)直立式和斜坡式的作用形態(tài)不同，波浪對(duì)結(jié)合部防波堤的作用更為復(fù)雜，當(dāng)波浪正向作用于直立式堤頭時(shí)，直立式和斜坡式連接處的護(hù)面塊體、墊層塊石最容易失穩(wěn)，從而導(dǎo)致連接段斜坡堤破壞。因此，斜坡堤堤頭慎用直立式，防波堤如近岸段采用斜坡式、離岸段采用直立式，直立式和斜坡式連接處宜設(shè)在波浪較小處。

5 結(jié)語(yǔ)

波浪對(duì)斜坡堤的影響以及產(chǎn)生影響的條件、因素很復(fù)雜，但主要與波浪大小、波浪方向、水位、斜坡堤材料(堤心石、墊層塊石、護(hù)面塊體)重力等有直接關(guān)系。同樣等級(jí)的臺(tái)風(fēng)，水位高(水深大)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的波高大，對(duì)斜坡堤堤頂?shù)钠茐淖饔么?，斜坡堤設(shè)計(jì)要考慮到臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮因素；堤頭處水深大、風(fēng)浪大，堤頭結(jié)構(gòu)型式應(yīng)與深水段堤身一致；堤頂設(shè)置胸墻時(shí)，胸墻應(yīng)設(shè)置在堤頂海側(cè)。斜坡堤施工過(guò)程中遇到臺(tái)風(fēng)影響，施工單位必須根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的自然條件及施工現(xiàn)狀，制定有效防臺(tái)措施，可采取對(duì)堤心石、墊層等用大塊石壓面或混凝土灌砌大塊石護(hù)面、加大海側(cè)堤心石推填高程并及時(shí)進(jìn)行墊層施工和安裝護(hù)面塊體等措施。