茂名港博賀港區西防波堤修復斷面穩定性試驗研究

王亞東，黃宣軍，李景輝

（1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

1 概述

茂名港西防波堤工程總長3 315 m，防波堤采用拋石斜坡式和沉箱直立式相結合的方案。2015年22號臺風“彩虹”過境后，西防波堤0+270—0+650區段受損嚴重，外坡出現大量塊石堆積體，若恢復原貌存在一定施工難度，需在破壞后的基礎上設計新的防波堤斷面結構，并通過斷面物理模型試驗研究進行驗證和優化。

2 防波堤斷面結構

為了方便防波堤修復施工，在堤頂中部留出寬8 m的臨時通道，堤頂前后分別安放2排11 t和2排5 t扭王字塊體，外側護面采用11 t扭王字塊體護面，底部為100～200 kg的護底塊石，坡度為1頤1.5，詳見圖1。

臺風過境后，外坡出現大量塊石堆積體，修復方案是在頂高程-2 m位置處設置寬13 m的塊石護面戧臺，戧臺下部采用2～3 t塊石護面，其坡度為1頤3，戧臺上部采用11 t扭王字塊體護面，坡度為1頤1.5，詳見圖2。

圖1 原防波堤斷面結構圖（堤頂中部為臨時通道）Fig.1 Original breakwater cross-section（middle of the top is a temporary passage）

圖2 防波堤破壞后初始修復方案結構圖Fig.2 Intitial repair plan cross-section after breakwater damage

3 試驗研究的依據和條件

3.1 試驗水位與波浪

根據JTS 154-1—2011《防波堤設計與施工規設計波高應采用重現期為50 a或25 a，對未成型的斜坡堤進行施工期復核時，計算水位可采用設計高水位和設計低水位，波高的重現期可采用2～5 a。根據試驗技術要求，考慮一定安全系數，試驗波浪重現期分為使用期50 a一遇波浪和施工期10 a一遇波浪兩種。試驗水位與對應的波浪要素[2]見表1所示。

3.2 波浪模擬

表1 試驗水位與對應的波浪要素Table1 Test water level and corresponding wave parameters

1）波浪模擬按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》等[3-5]有關規定采用不規則波進行，波浪頻譜采用JONSWAP譜[6]。

2）作用時間：試驗過程中波浪持續作用時間不小于原型3.0 h，以便觀察斷面在波浪累積作用下的變化情況。

4 試驗結果

4.1 初始修復斷面穩定性試驗

圖3給出了初始修復斷面在極端高水位4.34 m，H13%=6.5 m、T =10.6 s的不規則波作用下的試驗結果。波浪剛開始作用不久，堤頂后部最外側1排5 t扭王字塊失穩，個別被沖到堤后坡面處，隨后堤頂的扭王字塊體和1～2 t塊石也很快被沖刷后移；堤頂外側的11 t扭王字塊體也開始向堤后坡滾落。波浪作用1.2 h（原型）后，坡面上部的3排11 t扭王字塊體、2層墊層塊石及堤心石均被沖刷后移至后坡面處，堤心石被沖刷掉的厚度約為1.60 m。

4.2 修復斷面優化方案穩定性試驗

圖3 初始修復斷面穩定性試驗結果Fig.3 Test results of stability on the initial repair breakwater cross-section

1）優化方案1

在防波堤斷面修復施工期間，在原修復斷面-2.0 m護面戧臺上，加護厚度為2 m的2～3 t塊石，考慮設計高水位、10 a一遇的波浪作用下斷面的穩定性。

試驗結果顯示，在設計高水位3.2 m、10 a一遇H13%=4.6 m、T =10.6 s的不規則波作用下，堤頂最外側一排個別11 t扭王字塊體發生輕微位移，但未失穩；堤頂中間臨時通道1～2 t塊石和前坡2～3 t塊石均有少量發生位移，斷面的其它各部位均穩定。

2）優化方案2

在優化方案1斷面的基礎上，在堤頂的兩側分別加護1排11 t扭王字塊體，以增強堤頂的防臺能力。

在極端高水位4.34 m，H13%=6.5 m、T =10.6 s的不規則波作用下，堤頂前部最外側一排個別扭王字塊體后移至堤頂后部的塊體前；堤頂后部的塊體及其下部1～2 t塊石整體向后錯動并稍有抬高。波浪作用約0.95 h（原型）后，堤頂后部的5 t扭王字塊體成片滾落，堤頂后部的11 t塊體和1～2 t塊石也相繼出現后移滾落，修復斷面優化方案2穩定性試驗結果詳見圖4。

3）優化方案3

圖4 修復斷面優化方案2穩定性試驗結果Fig.4 Test resultsof stability on the optimization plan 2

在優化方案2基礎上，將堤頂中部再加護2排11 t扭王字塊體，使堤頂形成全掩護形式。

其試驗順序為：設計低水位、設計高水位及極端高水位，以此驗證優化方案3斷面的穩定性。

淤設計低水位

在設計低水位0.26 m，H13%=6.2 m、T=10.6 s的不規則波作用下，前坡護面戧臺肩角附近少量2～3 t塊石沿坡面滾落，并有些塊石移動至扭王字塊體前。在波浪作用3.0 h（原型）后，前坡的2～3 t塊石護面基本處于平衡穩定狀態，護面戧臺肩角附近的塊石被沖刷掉一層，最大沖刷厚度約為0.98 m，一部分塊石鑲嵌在11 t塊體的縫隙中，詳見圖5。

于設計高水位

在設計高水位3.2 m，H13%=6.4 m、T =10.6 s的不規則波作用下，堤頂前部最外側個別扭王字塊體隨波浪晃動，前坡塊體護面肩角處有輕微扒縫現象；堤頂后部與后坡面相鄰5 t扭王字塊體中，個別塊體被越浪水體掀動后移約1/3塊體的寬度，并改變了擺放姿態；前坡2～3 t塊石護面表層的少數塊石隨波浪往復晃動，個別塊石發生位移；斷面的其它各部位均穩定。

圖5 修復斷面優化方案3穩定性試驗結果Fig.5 Test resultsof stability on theoptimization plan 3

盂極端高水位

在極端高水位4.34 m，H13%=6.5 m、T=10.6 s的不規則波作用下，試驗現象與設計高水位相近，經過3個水位及相應波浪的累計作用后，前坡2～3 t塊石護面的外輪廓線變化不大，基本處于平衡穩定狀態，試驗結果詳見圖5。

5 結語

經過臺風破壞后的防波堤恢復原貌存在一定施工難度，最常用的做法是在破壞后的基礎上進行新斷面結構的設計與施工，通過物理模型試驗驗證和優化后，試驗結果顯示：

1）堤頂的臨時通道對防波堤的斷面穩定性有重要影響。在極端高水位及其相應的波浪作用下，有臨時通道的優化方案1和方案2斷面，堤后5 t扭王字塊體成片滾落，堤頂后部的11 t塊體和1～2 t塊石也相繼出現后移滾落。

2）優化方案1在高程-2.0 m護面戧臺上，加護厚度為2 m的2～3 t塊石，對底部外側第一排的11 t扭王字塊體有掩護作用。

3）優化方案3的堤頂為11 t扭王字塊體全掩護形式下，堤頂及坡面未有塊體滾落，斷面的整體穩定性明顯改善。

4）試驗結果也表明，在防波堤的掩護過程中不僅要考慮坡面的塊體穩定性，同時也要關注堤頂的塊體掩護程度。

[1]JTS154-1—2011，防波堤設計與施工規范[S].JTS154-1—2011,Code of design and construction of breakwaters[S]..

[2] 茂名港博賀港區西防波堤工程臺風“彩虹”后修復斷面物理模2016.Physical model test on repair cross-section of west breakwater in Bohe harbor of Maoming Port after typhoon"Mujigae"[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,ltd.,2016.

[3]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[4]JTS165—2013，海港總體設計規范[S].JTS165—2013,Overall design codefor seaport[S].

[5]JTS145—2015，港口與航道水文規范[S].JTS145—2015,Codeof hydrology for harbor and waterway[S].

[6] 李玉成，滕斌.波浪對海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002.LI Yu-cheng,TENG Bin.Wave action on maritime structure[M].Beijing:Maritime Press,2002.