恶劣海况下低窄防波堤防台技术与实践

刘轩源

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

关键字：防波堤；低窄断面；防台；堤头和堤身防护

0 引言

近年来，随着我国沿海工程的不断发展，深水环境下的防波堤建设项目日益增多，其中新建防波堤在施工过程中受到台风破坏的情况不断出现。国内学者对这一领域也作出了研究，王君辉等人［1-4］对防波堤堤顶高程设计标准、水文特性分析、设计及施工技术方面进行了分析，得出防波堤堤顶设计高程、施工工艺、船机设备、堤头防护方案的选用原则。李炎保等人［5-7］综述了国内外在防波堤损坏这一领域研究的历史与最新进展，在此基础上对防波堤损坏的原因进行了初步探讨，并列举了若干防波堤破坏典型案例。高万国等人［8-10］对防波堤在施工期暴露在外海条件下，针对台风特点，提出了相应的堤顶和内坡防护措施。

防波堤的破坏是一个复杂的整体过程，具有显著的地域性，本文针对海南三亚沿海工程特定环境和特殊要求，通过复核防波堤在施工期间相关参数的防台能力，确定防波堤防台布置，对堤身、堤头等重点部位进行部署，有效避免了施工期内的防波堤破坏，从而提高工程质量，减少工程损失，确保工程工期，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

海南三亚某防波堤工程堤长2 572 m，堤顶平均高程为+7.3 m，采用斜坡式结构，内、外坡安放扭王字块护面，堤身外坡坡度为1∶1.5，内坡坡度为3∶4，堤心石工程量为810 678 m³。

该防波堤堤身窄（8 m）、堤顶低（+2.5 m），所处海域风浪大、季风明显、台风频发，作业受天气影响大，可作业天数少，施工期间，每年对项目影响的台风多达5～8个。

2 结构防台设计原则

根据设计文件及相关规范标准要求，结合设计图纸对结构形式进行施工防台设计与计算。结构防台应符合以下原则：

2.1 可实施原则

防台防护结构需有基本满足永久性结构的防护功能，结构的施工规模具有防台决策作出后短时期内能够完成的特征，否则无实际意义。

2.2 减灾防护原则

在设计计算波高冲击下，未成型的防护堤基本完好，无较大返工损失，台风过后能在短时间内恢复生产。在设计波高以上可预见的更高一些的波浪冲击下，未成型防护堤不致遭受重大破坏。

3 防台结构设计参数

根据《防波堤设计与施工规范：JTS 154-1-2011》、《水工设计说明》及《海港水文规范：JTS 145-2-2013》，确定防台结构设计参数。

3.1 设防标准

根据《海港水文规范：JTS 145-2-2013》相关规定：

⑴ 设计波浪的标准应包括设计波浪的重现期和波列累计频率。

⑵ 在进行一般斜坡式建筑物的强度和稳定性计算时，设计波浪的重现期应采用50年。

⑶ 在进行斜坡式建筑物的强度和稳定性计算时，设计波高的波列累计频率标准应按表1采用。

表1 防波堤极端高水位设计波要素Tab.1 Design Wave Elements for Extreme High Water Level of Breakwater

3.2 防台设计潮位及波高

综合现有波浪水文资料，防台期间结构防台对应水位为极端水位，波要素如表2所示。

表2 防波堤极端水位设计波要素Tab.2 Design Wave Elements for Extreme Water Level of Breakwater

4 防台防护结构设计

4.1 需防护长度

结合本工程台风情况，及现场实际施工，要求防波堤施工期内，在堤顶高程3.5 m 处，两侧安装扭王字块护面块体的条件下，均具备防台能力，故防护长度为施工期间防波堤的长度。

4.2 防护块体重量计算及类型比选

根据《防波堤设计与施工规范：JTS 154-1-2011》式⑴和式⑵计算：

式中：W为单个块体的稳定重量（t）；γb为块体材料的重度（kN/m³），扭王字块体γb=23 kN/m³，块石γb=26.5 kN/m³；H为设计波高（m）；KD为块体稳定系数，安放一层块石时，KD取5.5；安放一层扭王字块体时，KD取18；α为斜坡与水平面的夹角（º），cotα=m；γ为海水的重度（kN/m³），γ=10.15 kN/m³。

按防波堤内外侧均以块石作为护面块体，外侧坡度取1∶1.5，内侧坡度取3∶4，进行设计。防波堤防面块体重量计算（块石）如表3所示。

表3 防波堤护面块体重量计算（块石）Tab.3 Weight Calculation of Breakwater Armour Rock（Crushed Rock）

计算结果所需要的护面块体重量10.44～42.95 t，实际施工过程中石料基本为1～3 t，结合设计护面块体设计为1～2 t，仅靠护块石作为护面块体的设计不可行，需要加设扭王字块防护。

按防波堤内外侧均安装扭王字块作为护面块体，外侧坡度取1∶1.5，内侧坡度取3∶4，进行设计。防波堤防面块体重量计算（扭王字块）如表4所示。

表4 防波堤护面块体重量计算（扭王字块）Tab.4 Weight Calculation of Breakwater Protection Block（Accropode Block）

结合该防波堤的设计，防台结构护面采用1～2 t块石+28 t 扭王字块作为护面，若有施工段1～2 t 块石护面未安装理坡，可直接用扭王字块作为护面，在台风过后适时拆除扭王字块重新进行块石护面的安装和理坡工序。

4.3 防护块体厚度计算

根据《防波堤设计与施工规范：JTS 154-1-2011》护面层厚度：

式中：h为护面层厚度（m）；n'为护面块体层数，n'=1；C为块体形状系数，按表5取值。

经计算，1～2 t块石护面厚度如表6所示。

表5 块体形状系数CTab.5 Block Shape Coefficient C

表6 防波堤护面块体厚度计算（扭王字块）Tab.6 Thickness Calculation of Breakwater Protection Block（Accropode Block）

结合该防波堤的设计，防台结构护面1～2 t块石的厚度取1.8 m，28 t扭王字块护面厚度取3 m（即1层）。

4.4 防台典型断面

根据上述计算设计，防波堤防台典型断面表现为：1.8 m 厚 1～2 t 块石+1 层 28 t 扭王字块作为护面，1～2 t块石作为压脚棱体，防台期间堤顶高程3.5 m，其典型断面如图1所示。

图1 防波堤防台典型断面Fig.1 Typical Section Drawing of Breakwater

5 堤身及堤头防台部署

5.1 堤头防护

推填后自然坡比约为1∶1.5，进入防台状态后先在堤前抛填1 500～2 000 kg 块石至-8.0 m 作为压脚棱体石兼作扭王字块的支撑平台；抛理一层1.8 m 厚的1 000～2 000 kg 块石、28 t 的扭王字块护面，堤顶标高3.5 m；在堤头坡面扭王字块安装后，堤顶部分加装扭王字块，以加强对堤头的防护。

5.2 堤身段防护

先在堤前抛填 1 500～2 000 kg 块石至-8.0 m 作为压脚棱体石兼作扭王字块支撑平台；外坡按设计1∶1.5的坡比安装1 000～2 000 kg 块石作为护面，理坡完成后立即安排起重船安装扭王字块至标高3.5 m 以上；外坡按设计 3∶4 的坡比安装 1 000～2 000 kg 块石作为护面，理坡完成后立即安排起重船安装扭王字块至标高3.5 m以上。

5.3 流水节拍

进入台风季节时，缩短堤头裸露段的长度，施工流水节拍按照20 m➝20 m➝20 m控制，即两侧未理坡堤心石裸露长度控制在20 m左右，未理坡垫层块石裸露长度控制在20 m 左右和未安装扭王字块体护面堤面控制在20 m 左右（见图2）。当启动防台预案后（台风预警72 h），立即停止堤心石推填工作。

图2 防波堤防台流水施工图Fig.2 Construction Flow Drawing of Breakwater

6 结语

⑴ 根据设计文件及相关规范标准要求，结合设计图纸确定结构防台的设计原则：结构的施工规模具有防台决策作出后短时期内能够完成的特征，台风过后能在短时间内恢复生产。

⑵ 结合结构设计参数进行防护结构设计，防波堤防台典型断面表现为：1.8 m 厚 1～2 t 块石+1 层 28 t扭王字块作为护面，1～2 t 块石作为压脚棱体，防台期间堤顶高程为3.5 m。

⑶ 对堤顶和堤身进行施工流水节拍控制，按照20 m➝20 m➝20 m的步距：将两侧未理坡堤心石裸露长度控制在20 m左右，未理坡垫层块石裸露长度控制在20 m左右，未安装扭王字块体护面堤面控制在20 m左右。

工程实践证明，对于所处海域风浪大、季风明显、台风频发的低窄防波堤，通过对防波堤进行结构防台设计计算，复核其在施工期间相关参数的防台能力，确定防波堤防台布置，对堤身、堤头等重点部位进行部署，可有效避免施工期内的防波堤破坏，既减少了施工期间因台风袭击遭受的损失，又保障了工程施工的安全及工期，可为后续类似工程提供参考。