防波堤損壞特點、成因和應對措施

馮根地

摘要：在本文中，筆者將會以防波堤損壞特點為切入方向，結合國內外行業相關學者對各類典型損壞案例的具體分析內容，針對防波堤損壞的成因關系進行初步探討，并提出針對性的應對措施，希望借此可對我國海洋工程學等領域發展起到一定推動作用。

關鍵詞：防波堤損壞，防波堤損壞特點，防波堤損壞成因，防波堤受損應對措施

引言：防波堤是現代港口建設工作的重要建筑之一，但隨著近年極端天氣出現的次數增多和不規律性，港口建設向深水、大浪和條件更惡劣的區域發展，防波堤損壞的可能性逐漸增大。分析防波堤損壞的具體特點與機理，行業科研人員可對海浪與防波堤之間的作用效果有更明確的認知與了解，以此為基礎，不斷完善防波堤建筑的設計與施工技術方案，削減防波堤損壞的可能性。

1、防波堤的作用

防波堤一般是建港于區外側、防御外海波浪入侵的水工建筑物，降低港池內的波浪作用，形成滿足船舶在港口靠泊和裝卸作用條件的掩蔽水域。對于部分港口，防波堤有著防止泥沙和冰凌的入侵，防止淤積的作用。因此，防波堤一般建于港區波浪沖擊最大的方位，是最容易遭受極端天氣破壞的港口構筑物。

2、防波堤損壞特點

2.1、防波堤損壞的平面形態

依照行業數據分析，并對比防波堤平面形態各部位實際所承受的沖擊力，防波堤堤頭與凹角位置波能集中區域是最為常見的兩處損壞位置，而其損壞特征又可歸結為蛇行破壞，并且會在突堤集中出現。

實驗表明，防波堤損壞程度會伴隨著波高的不同而有所不同，并與防波堤結構部位息息相關。分析防波堤整體結構，其堤頭與凹角周圍很容易出現波高突然增大的現象，這是由于防波堤凹角與堤頭位置通常會同時受到不同方向的波浪沖擊，而這些波浪效應相互疊加，最終導致凹角與堤頭位置的堤前波高突然增大，并造成其損壞。

此外，防波堤損壞發生后，其損壞位置往往不會集中在一處，而是沿堤大范圍分布，雖然不同位置的損壞程度各不相同，但是，其整體呈現周期性變化規律。如果防波堤損壞時，其堤前沉箱出現滑移現象，也呈現出蛇行破壞特征。

2.2、防波堤損壞的斷面形態

不同結構的防波堤在斷面形態上也各不相同，而斷面形態也將直接影響防波堤自身的沖擊承受能力，因此，防波堤損壞形態與深度也會隨著斷面形態的變化與變化。其中，防波堤損壞后的斷面形態可分為三種基礎類型，分別為：消波與護面塊散亂、基床散亂與海床沖刷。依照相關數據調查顯示，防波堤損壞現象發生時，直墻結構問題占全部問題48%左右，其中，直墻滑移現象約為25%，直墻損壞約為10%，而直墻沉陷或傾斜約為13%;上部結構問題占全部問題的31%左右，其中上部結構滑移現象約為12.4%，上部結構損壞約為10.8%，上部結構沉陷或傾斜約為9.7%;而海床沖刷問題約為25.9%。此外，防波堤損壞的斷面結構中，出現護面塊體散亂現象的比例約為61.3%，而出現消浪棱體散亂現象的比例約為94.6%。

根據防波堤模型試驗，一般在高水位上下一倍波高范圍內護面塊體受到的波浪作用最大，而從以上數據也可以看出，防波堤結構中，單體工作的消波護面、護面護體以及護面基床位置被損壞的可能性最高，并且，不同結構類型的防波堤在斷面損壞形態上也有著很大差異。綜合分析可以看出，防波堤損壞時，其斷面損壞的集中部位與損壞方式將會隨著不同區域受力特征的不同而變化。

2.3、斷面損壞與防波堤損壞關系的分析

日本地質學家曾對防波堤斷面損壞與防波堤損壞之間的關系進行全面細致調查，并給出相對可靠的定義：如果防波堤堤身及上部胸墻位置出現沉降、傾斜或滑移現象，那么其實際的沉降量或滑移量占堤身高度或寬度的比例，將是判斷斷面損壞程度的核心標準;對于那些傾斜結構或水平混合式防波堤而言，可通過觀察其實際損壞范圍來衡量防波堤斷面損壞與防波堤損壞直接影響。

參照以上定義，并綜合分析當前行業所擁有的調查數據，防波堤平面或斷面的受損程度通常會隨著波浪高度增加而放大，如果波浪高度超出防波堤設計范圍，那么波浪的實際超出值越大，防波堤的平面損壞與斷面損壞程度也將越深，并且，平面損壞與斷面損壞之間也會呈現出正向相關的影響關系。

3、防波堤損壞特點與具體成因之間的關系

3.1、防波堤結構設計不合理，設計調查與后續保障作業不到位

通常情況下，防波堤結構設計不合理、亦或是施工過程的作業條件不滿足防波堤建設需求、防波堤連續段處理不恰當等，是導致防波堤出現損壞的首要因素，例如：我國某港口防波堤建設過程中，其推算的設計波浪與實際狀況不符，防波堤建設完成后，海浪對沉箱造成的沖擊效應沒有得到有效削減，進而導致沉箱結構出現斷裂。此外，越浪條件以及防波堤堤墻前水域深度等條件，也是影響防波堤結構穩定性的重要因素，因此，對于設計人員而言，需要全面考量防波堤的具體工作環境與各項結構要求，并針對性實施相關工程保障作業，避免防波堤投入使用后遭受嚴重損害。

3.2、波群與海床長期沖刷的影響

海浪能量分布雖然帶有很強的隨機性，但堤前波浪形態與動力特性將會直接影響波浪與防波堤之間的作用力大小，尤其是斜坡堤結構，其最終的損壞程度與波浪動力特性直接關聯。國外某港口的防波堤曾出現大范圍扭工字塊脫落或斷裂現象，后續調查顯示，設計人員對波群與海床沖刷層面的考量不深是導致這一問題的首要因素。近些年，國際航洋工程界也在不斷加大對波群以及海床沖刷特征的分析，而大量科研人員在分析防波堤損壞具體形態后，也在不斷改進其設計理念。現如今，海洋波浪預警的準確性得到明顯提高，防波堤的設計工作也正在走向正規，可靠度設計理念已成為行業共識，波浪設計標準偏低現象所導致的防波堤損壞問題已得到初步控制，但是，防波堤設計人員所實施的水域波浪特性調查依舊存在諸多漏洞，其所考量的應用特性與實際工程場景之間有著很大差距。

3.3、地基承載能力不足

對于防波堤而言，地基結構是否穩固將會直接影響其安全性，分析當前現有的防波堤損壞案例可以發現，防波堤地基沉降或失穩問題所導致的防波堤結構破壞在所有案例中占據很高比重，因此，避免防波堤在波浪作用下出現地基液化現象，也是當前深水防波堤設計與建設工作所必須面對的全新課題。防波堤需長期承受海浪沖刷，而防波堤地基底部的砂土結構很容易受水體影響而出現液化問題，進而導致防波堤整體出現塌陷。例如，我國行業科研人員在對某防波堤塌陷問題分析后發現，該防波堤軟土層在波浪動荷載作用下，其實際的結構強度下降三分之二作用。此外，防波堤地基沉降不是連續性質，而是會伴隨著風暴潮以及大浪的出現而間歇性跳躍式發展，而這種特征，更容易引發防波堤出現突發性嚴重損壞，甚至會因此對城市與港口帶來嚴重的經濟損失。防波堤建設過程無法避免海浪的影響，而防波堤斷面對海浪的抵抗能力也要等待建設完成后才可顯現，這就導致施工過程出現大量的薄弱環節，加之工程現場條件極為不利，工程建設周期很長，各類突發性不可控因素影響巨大，如臺風天氣等，這些要素都需要海洋工程學者予以充分關注。因此，對于防波堤建設單位而言，應重點加強對施工方案的組織與協調，強化風險預防思想，設立合理的保障機制，如對沉箱等大體積結構設置必要的固定結構，并在施工前加強波浪試驗模擬，確定不同波浪條件下的實際填料量。

3.4、綜合因素分析

防波堤損害現象通常是多種不同因素綜合作用下的結果，如防波堤堤前波浪高度超出設計標準、設計人員對于水域波群特性認知不足、防波堤各項保障作業手段未能全面落實、防波堤設計的堤心石透水性嚴重不足等等。此外，港池波浪對防波堤造成的損壞形式也會隨著外界條件的變化與呈現多種形式，但是，防波堤損壞的最高頻率形式通常為堤頭損壞或沿堤水流損壞以及蛇行破壞等等。因此，防波堤設計與建設過程中，設計人員與工程作業人員應注重對綜合因素的全面分析，加強對波浪水動力特性的把控，針對地基的類型不同而實施具體建設。

4、應對措施

4.1、選擇最優的位置和平面布置方案

防波堤作為港區的公共防護設施，為碼頭靠泊和裝卸作業提供掩護條件，并防止港池淤積和波浪沖蝕岸線的作用，是港區的重要組成部分。防波堤的布置應考慮以下幾個方面：

一是防波堤的布置應從港口總體布局出發，在充分分析當地的風、浪、流、泥沙、地質、地形等自然條件的基礎上，充分考慮港口規模、布局和作業條件等因素，綜合布置，在單突堤、雙突堤、島堤等方案中選擇最合理的布置方式。

二是防波堤的布置應在沿岸潮流和泥沙運動模擬分析的基礎上布置，避免堤身基礎和后方產生嚴重的淤積或沖刷。

三是防波堤的位置應盡量利用天然港灣的自然掩護條件和港池的水深建設，盡量降低防波堤護面層遭受的波浪沖擊和基礎遭受的淘刷作用，減小結構斷面，降低投資。

4.2、做好前期模型論證工作

根據《防波堤與護岸設計規范》，防波堤作為邊界條件復雜和重要性較高的工程，目前計算理論尚有不完善之處，在設計時應進行波浪模型試驗驗證。物理模型試驗驗證按不規則博作用為主的原則進行，主要驗證結構部位的穩定性、上不擋浪墻的波壓力分布、越浪情況及堤后再生波的波高。

在模型試驗的過程中，不斷調整模型，選擇最優布置和結構斷面。加強護面塊體重量可以增加堤身結構的穩定性，減小波浪對的破壞作用;加寬戧臺的寬度可以有效降低堤頂面的越浪量，降低堤后的再生泊;對于在試驗模型中可能產生的波能集中區域，是防波堤最可能收到破壞的地方，要做好局部加強措施。

4.3、做好施工期質量管理

防波堤施工期應做好質量管理，建立專業施工隊伍，做好建設材料質量保障，極端天氣做好防護，保障防波堤的建設質量。

4.4、堤身受損后及時修復

防波堤堤身受損后，將形成破壞面，再次遭遇極端天氣時破壞面將不斷像周圍蔓延，在堤后的設施造成破壞。防波堤受損后應及時修復，堤身補拋塊石和灌漿加強處理，破壞的面層塊體及時拋理補充，擋墻及時加高澆筑。

結束語：

綜上所述，防波堤損壞的因素有多個方面，包括設計推算波浪與實際不符、設計結構不合理、使用期的長期波浪淘刷和地基失穩等是導致結構整體失穩的主要問題。應從總體布局、結構設計、物模試驗、提高施工質量和及時維護等方面做好工作，保障防波堤的結構穩定性，為后方碼頭靠泊和裝卸作業提供掩護條件。

參考文獻

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