“山竹”臺風影響下的防波堤損毀與應急修復研究

張慈珩，張崇偉，郭泉，耿寶磊，胡克

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，港口水工建筑技術國家工程實驗室，工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072；3.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023；4.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

近年來沿海地區不斷遭遇強臺風襲擊，沿岸部分防波堤設計年限已久且抗風浪等級較低，在遭遇強臺風襲擊時往往受到不同程度的損壞，對臺損的防波堤進行修復并提高其設計等級十分必要[1]。目前國內針對防波堤臺損修復的研究并不多，蔣美嬌[2]、華茂明[3]曾考慮強臺風對工程海區風浪的影響，通過規范計算與模型試驗相結合的方式，確定了防波堤堤頂高程、護面塊體質量及斷面的布置方案；王亞東[4]、鄧振洲[5]針對防波堤被臺風引起的大浪破壞的情況，提出了防波堤修復方案，并通過物模試驗驗證了其修復方案；黃建陽[6]結合福建鴻山熱電廠煤碼頭及引堤工程的案例，淺析臺風造成防波堤損毀的原因，并提出了減少施工期風損的建議；胡曦光[7]則對比新、老防波堤規范關于深水防波堤不同的要求，分析了在臺風“布拉萬”影響下某深水防波堤的破損機理；而《海港工程設計手冊》[8]則匯集了一些國內外的防波堤破壞實例，并對破壞原因進行了分析與總結，給出了防治建議。

本文依托的鹽田港東作業區東大堤因遭受超強臺風“山竹”的襲擊，大堤護面塊石被卷走，堤頂被完全破壞，已嚴重威脅大堤的安全穩定，需對臺風襲擊后損毀的大堤進行應急修復。本文借鑒以往一些類似工程的臺損應急修復研究成果，通過進行波浪斷面物理模型試驗，驗證不同修復方案的塊體穩定性，并測量上水越浪情況，分析不同設計方案試驗結果，最終為相關應急修復工程方案合理選擇提供依據。

1 試驗條件

1.1 試驗水位

本文所述試驗的水位條件為：極端高水位+3.56 m（重現期50 a），設計高水位+2.26 m（高潮累積頻率為10%），設計低水位+0.22 m（低潮累積頻率90%）。

1.2 波浪條件

本文的試驗波要素由委托單位提供見表1。

表1 試驗波要素Table 1 Wave element of test

1.3 試驗斷面

北段初步設計方案斷面圖見圖1，粗虛線表示臺損之后的現狀剖面。北段采用半直立式結構，工程設計方案遵照相關設計規范要求。臺損前大堤的頂高程為+6.5 m，原堤身頂部相當范圍的塊石體已被沖走并堆積于外海側，根據試驗觀察發現堆積于外海側的塊石會隨著波浪向岸爬升，且最終形成一種相對穩定的剖面形態。

圖1 北段半直立式結構斷面圖Fig.1 Sectional view of north semi-vertical structure

本段堤身修復工程，依據試驗所得平衡剖面結果并考慮原堤身寬度的限制，將胸墻中軸線選定在剖面變化相對較小的位置，即在“深圳2018岸線”后側18 m處；對波浪打擊區范圍的臺損現狀堤身進行適當開挖，開挖以下部分保留原堤身塊石作為墊層，并在高程+1.0 m處設置1 m厚的拋石基床，其上為混凝土胸墻，胸墻頂高程為+8.5 m，在擋浪墻背海側及拋石基床之上適當回填10～100 kg的塊石以保證擋浪墻結構的穩定；大堤頂部則以1:1.5的坡度鋪設1層500～800 kg墊層塊石，厚度為1.35 m，并在墊層外側規則安放1層2.215 m厚的10 t扭王字塊體作為大堤外坡的防浪結構，坡腳處以45°斜面與臺損后剖面連接，其余部分棱體維持臺損后的狀態。

2 模型設計及制作

2.1 相似準則與模型比尺

依據本試驗的目的及要求，結合試驗場地和設備，將模型按重力相似準則設計，結構斷面尺寸滿足幾何相似，確定模型幾何比尺為34，時間比尺為5.83，力比尺為39 304。

2.2 斷面制作

依據JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》中的要求，將斷面中的扭王字塊體采用原子灰加鐵粉配制，使得重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程的要求；斷面模型中各種塊石按重力比尺挑選，質量偏差控制在±5%以內；另外由于模型試驗采用的是淡水，而實際工程中為海水，受淡水與海水的密度差影響，故在模型中考慮這種影響，取用海水與淡水密度比值為1.025。

3 試驗設備與方法

3.1 試驗設備

模型試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院的波浪試驗大廳水槽中進行，水槽長65 m，寬1 m，高1.3 m；水池兩端配備給排水系統，模型波浪由電機伺服驅動推板吸收式造波機產生，另外模型高程用水準儀控制，長度用鋼尺測量，水位通過測針測量，在試驗過程中采用攝像機記錄波面過程以及上水、越浪等試驗現象；另外波高采用三維浪高儀，并通過日本開發的多方向波測量系統對波高進行采集分析。

3.2 試驗方法

1）波浪模擬。試驗采用不規則波，頻譜采用JONSWAP譜。

2）越浪量統計。在測量點用接水裝置接取越浪水體，通過測量重量或體積得到模型的越浪量。對于不規則波接取一個完整波列的總越浪水體作為相應歷時的總越浪量，然后計算單寬平均越浪量；最后按照相似準則，將模型的越浪量換算成原體的越浪量。本試驗僅對北段半直立式結構斷面進行越浪量統計。

3）護面塊體穩定性。每組試驗至少重復3次，當3次試驗現象差別較大時，增加重復次數；每次試驗，護面塊體均需重新擺放。對于是否保持穩定，主要依據試驗時觀察到的位移情況進行判斷；試驗中當累積位移超過塊體最大幾何尺度一半、塊體滑落或跳出時，即判斷為失穩。失穩的斷面要進行重復試驗，重復試驗也失穩的，判斷為斷面失穩；重復試驗不失穩，加大重復試驗次數，分析失穩原因，綜合分析給出穩定性結論。

4）護底塊石穩定性。在波浪累計作用下觀察護底塊石表面是否發生明顯變形、是否失去護底功能。對于塊石護底表面明顯變形的判斷為失穩，對其形狀有所改變但不失去其護面功能的則判定為臨界穩定。

4 試驗結果與分析

4.1 現狀損壞坡面穩定性試驗

該段大堤在損毀之后有大量原堤身塊石被搬運至堤前水域，在極端波浪環境作用下，堆積的塊石會再次被波浪搬運至堤身，故借鑒沙灘平衡剖面理論，首先對已損壞現狀剖面的穩定性進行研究，確定出本段堤身剖面的相對穩定位置。

試驗采用重現期50 a、累計頻率為13%的波浪要素（見表1），分別對極端高水位和設計低水位兩種水位條件進行模擬；對于不同工況，現狀損壞剖面在波浪作用6 h后均可保持穩定，此時視穩定下的剖面為塊石堆積和搬離所能達到的平衡剖面；試驗結果見圖2。

根據現狀剖面的穩定性試驗結果可知，剖面變化范圍隨水位的變化而變化，其中設計低水位剖面變化范圍基本在-90～-30 m之間，-90 m以上保持穩定；極端高水位剖面變化范圍基本在-110～-40 m之間，-110 m以上保持穩定；剖面變化的幅度也隨波高變化而變化，在極端高水位時剖面堆高達到最大，可至+11 m左右。故根據平衡剖面試驗結果將胸墻結構設置在剖面變化較小的區域，并在墻前布置簡單的防沖刷結構，以減少工程前期清理工作、降低投資規模并縮短工期。另外由于原堤身寬度條件的限制，將后續修復方案的胸墻中軸線固定于坐標-91.27 m處，具體位置見圖1。

圖2 現狀剖面逐時變化Fig.2 Hourly variation of current profile

4.2 初步設計方案

由試驗現象可知在極端高水位重現期50 a的波浪作用下，結構物前塊石在波浪作用下向胸墻推移，在作用3 h后墻前塊石堆高基本與胸墻上沿齊平，塊體被搬運來的塊石掩埋，此外由于頂高程較低，在大浪作用下塊石會隨越浪過堤，到達胸墻后方。

圖3 試驗圖片Fig.3 Photos of the experiment

試驗圖片見圖3。

4.3 優化方案

針對初步方案塊石越堤和越浪量過大的現象，在初步設計高程+8.5 m基礎上，加高至+10.5 m，根據試驗觀察發現隨著堤頂高程的增加，越浪量和塊石越堤現象逐漸減小，在頂高程為+10.5 m條件下，已基本無塊石越堤。此時對方案進行優化，由初步設計方案試驗結果可知，胸墻前塊體最終會被掩埋于塊石以下，故取消掉胸墻前的塊體斜坡，僅在直立墻前布置4排塊體平臺，胸墻頂高程采用+10.5 m來驗證此時的越浪量和塊體過堤情況，模型擺放照片見圖4。根據試驗觀察，在頂高程為+10.5 m條件下，已基本無塊石越堤，此時胸墻依舊保持穩定，塊體掩埋在塊石下保持穩定?？芍私Y果與胸墻前鋪設塊體斜坡的結果相同，故可在類似條件的實際工程中簡化胸墻前塊體的布置形式和數量，降低工程造價。

圖4 優化方案的斷面結構及模型擺放Fig.4 The optimization program section structure and model placement

4.4 越浪量試驗結果

對初步設計方案和優化方案分別進行越浪量測量，由試驗結果可知在極端高水位重現期為50 a的波浪作用下，斷面有部分越浪現象發生，而在其它水位條件下，僅有略微濺浪現象，并無成片的水體越堤，故本文僅給出了極端高水位作用下的試驗結果見表2，其中越浪率為1個波列中越浪波個數與波列中總波個數的百分比。

表2 不同方案下極端高水位重現期50 a的越浪量結果表Table 2 The result table of overtopping of extreme high water level with return period of 50 a under different schemes

綜合上述試驗可知，由于修復結構前塊石堆體較大，塊石在波浪作用下會向胸墻前堆積；在波浪連續作用下，塊石會將墻前斜坡塊體掩埋，并出現塊石越堤現象，在試驗中將胸墻頂高程加高至+10.5 m，塊石越堤現象才基本消失；各方案胸墻迎浪側前被上壅塊石掩護，基本不受波浪作用，胸墻可保持穩定；當胸墻頂高程為+10.5 m時，優化方案越浪量已僅為12.1 L/（m·s），且此方案前期清理工作小、工程投資少，可作為該段防波堤修復的優選方案。

5 結語

本文通過波浪斷面物理模型試驗，對鹽田港東作業區北段防波堤修復方案中塊體的穩定性及越浪情況進行了分析，根據試驗結果，在日后進行防波堤臺損修復時需重點關注以下問題：

1）對于臺損后原大堤殘留的塊體結構，應充分利用，可進行現狀損壞剖面的穩定性試驗，得出塊石輸移堆積的相對平衡剖面，根據現場情況和工程需要將修復結構的胸墻布置于剖面變化較小的區域，并在墻前布置簡單的防沖刷結構，以此減少臺損修復方案的前期清理工作、降低工程造價并節省工期。

2）損壞塊石上的波浪爬高、破碎等現象會影響結構的安全性，這些僅通過斷面物理模型無法完全進行模擬，針對此類應急修復問題，建議通過局部整體模型做進一步研究。

本次試驗對南段斜坡式結構也進行了試驗分析[9]。

總之，防波堤修復與加固比新建更復雜，應詳細分析其損壞的主要原因，結合工程實際情況，同時要考慮施工的可能性、便利性、工程造價等因素，選擇合適且經濟的修復加固方案。