西非某深水斜坡式防波堤设计要点分析

许建武

摘 要：為了优化复杂地质条件下强涌浪海域的斜坡式防波堤设计，确保工程质量与施工安全，提出了西非某深水斜坡式防波堤工程的初步设计方案，并进行了物模试验验证。在现场勘查的基础上，研究了不同水位和波浪组合情况下断面的护面块体、护脚、胸墙、低堤顶的混凝土路面的稳定性，测量了越浪量以及堤后波高，对腐木段地质处理以及防波堤分期建设等提出了针对性的施工建议。结果表明，1）5 t与8 t中国扭王块在西非10～16 s涌浪环境下是适用的;2）涌浪对于护面块体的稳定有明显的影响，近岸段需增加压脚块石，以确保护面块体的局部稳定;3）越浪量标准可分级为运营工况（q≤0.5 L/（s·m））和校核工况（q≤20 L/（s·m））;4）腐木地质强度随着木质结构的腐烂程度而逐渐减弱，可使用开山砂和风化岩作为换填料来处理;5）对于低堤顶的混凝土路面的设计，要优先考虑越浪对结构稳定性的影响，同时在运营期间限定人员车辆可作业的波高。研究成果较好地解决了复杂地质条件下防波堤易出现的稳定性及沉降等问题，对类似海岸涌浪环境下的工程建设具有参考价值。

关键词：港口工程;防波堤;涌浪;允许越浪量;腐木地质;路面

中图分类号：U642 文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04011

文章编号：1008-1534（2020）04-0280-06

Abstract：In order to optimize the design of rubble mound breakwaters in sea areas with surging wave under complicated geological conditions and to ensure the engineering quality and construction safety， a tentative design proposal for a deepwater mound breakwater project in West Africa was presented， and the physical model test was made to verify the proposal. On the basis of site investigation， the stability of armor block of the cross section， toe， crown wall and concrete pavement at the low embankment top were studied under different combinations of water levels and wave heights. Meanwhile， the wave overtopping and wave height behind breakwater were measured and some suggestions regarding the geological structure of rotten wood and phased construction were put forward accordingly. The results show that： 1） 5 t and 8 t accropode blocks are used in swells of 10～16 s in West Africa successfully. 2） Swells have a significant effect on the stability of the armor block， so the toe rock is added to ensure the local stability in the nearshore section. 3） The standard of overtopping criteria can be divided into operation condition（ q≤0.5 L/（s·m） ） and check condition（q≤20 L/（s·m））. 4） The geological strength of rotten wood gradually weakens with the decay of the wooden structure， which should be filled with sand rock and mantle rock. 5） For the design of concrete pavement at the low embankment top， it is necessary to give priority to the influence of overtopping on the structural stability， and to limit working wave height for personnel and vehicles during the operation. The results have solved the issues of stability and settlement of breakwaters easily occurred in complicated geological conditions， which can be used as a reference for the construction under similar surging wave circumstances.

Keywords：port engineering; breakwater; swell ; tolerable overtopping limit; rotten wood geology; pavement

防波堤具有抵御海上波浪及掩護后方水域港口安全等功能，是海岸工程中重要的水工建筑物之一，其安全性对于后方工程至关重要。随着“一带一路”倡议的提出，中国企业承建的海外港口码头项目逐年增多[1-2]，

尤其是强涌浪复杂地质条件下的防波堤码头项目，其设计及施工的安全性引起了广泛关注[3-5]。笔者以西非某深水斜坡式防波堤工程为研究对象，通过现场勘查，结合防波堤物模试验，总结了复杂地质条件下强涌浪海域的斜坡式防波堤设计及施工安全要点。

1 工程概况

笔者研究的防波堤工程位于非洲西海岸，工程区直面大西洋的几内亚湾，湾内盛行长周期涌浪，条件相对恶劣;其地层为非洲大陆普遍分布的前寒武系片麻岩及片麻混合岩岩层，但在深水段存在地质突变和有软基段，这些都增加了施工难度。

1.1 建设规模

某深水港项目一期工程于2015年建成，共建设2个7万吨级集装箱泊位及一条长为1 355 m，水深-14 m的防波堤。二期工程将扩建10万吨级集装箱，泊位延长675 m，防波堤延长715 m。工程平面图如图1所示。

1.2 自然条件

工程位置的现场周年观测风玫瑰图如图2所示，极端风速可达到25 m/s。该海域潮流属于不规则半日性质，是流向为偏南或偏北的沿岸流，最大流速为0.5 m/s。工程区设计高水位为+1.9 m，低水位为+0.3 m。工程区波浪既包含周期较短的风浪，也包含周期较长的涌浪，其设计以涌浪控制为主。深水波向以S-SW方向为主，风浪波高为0.5～2 m，周期在6 s以内;涌浪来自于南大西洋，年平均波高在1.5 m左右，周期较长，为10～16 s。波浪在从深水到浅水的传播过程中，主波向逐渐向西偏转，到防波堤头附近时，主波向已变为WSW方向，堤头附近的波玫瑰图如图3所示。

针对工程海域以涌浪为主，同时存在风浪和可能出现飑线浪的特点，丹麦水利研究院（Danish hydraulics institute， DHI）的研究在波浪数模中考虑了这3种波浪的作用，工程结构设计的波浪参数如表1所示。

防波堤区原泥面标高为+1～-14 m，根据钻探资料显示， 主体地层的性质从上到下可描述如下：

1）中细砂（②1） 灰色，松散，局部含少量角砾，平均层厚为0.78 m。

2）粉质黏土（④1） 深灰色，坚硬—极坚硬（N<50），夹少量薄层粉砂，局部粉砂呈轻度胶结状，层厚为1.5～4.8 m。

3）粉质黏土（④2） 深灰色，极坚硬，夹薄层粉细砂，局部呈中度胶结砂层状，层厚为1.6～4 m。该层与上层黏性土（④1）无太大区别，只是标贯击数远高于上层黏性土。

5～10 m深度处有强风化混合岩（⑥2），在 -13 m 深水段，地质存在突变，发现有软基段。

1.3 典型结构断面

防波堤为斜坡式结构，斜坡坡度为1∶1.5，堤心为0～500 kg开山石;垫层为400～800 kg块石;堤身护面为5 t扭王块，堤头护面为8 t扭王块。

防波堤典型断面主要有2种结构形式：一种是内侧为港池的防波堤断面，如图4所示，按允许越浪设计;另一种是内侧为陆域的防波堤断面，如图5所示，按基本不越浪设计，结构形式类似护岸。

2 工程设计要点分析

2.1 防波堤平面布置

近海海底等深线总体上平行于海岸线走向，经过方案比选，码头泊位布置在-6 m等深线处。一期防波堤利用海岸的岬角作为起点，采用单环抱式布置。深水段轴线位置主要考虑掩护全年内出现频率最高的WSW方向的波浪，沿SSE—NNW方向布置，在-13.3 m处转向，延伸至陆域，总长为1 355 m。堤内掩护水域可兼顾船舶作业和未来发展需要。

防波堤的长度决定了泊位的掩护效果，在涌浪作用下，为分析波浪引起的不可作业时间，进行了专题研究[6]。结合波浪数模、船舶系泊的物理与数值模型试验，得到的结论为年不可作业时间小于0.1%，且波浪对船舶装卸作业产生的影响很小。工程区近岸底质以沙为主，波浪动力下的沿岸输沙以北向为主，总输沙能力约为10万m3/a。通过对岸滩演变分析，认为防波堤使用年限内无需担心沿岸输沙绕过堤头进入港池。

为达到与一期同样的掩护效果，二期防波堤相应延长了715 m，在实际应用中导致了一期航道作废。重新规划后的航道距离延长后堤头为110 m，走向与一期保持一致，为NW方向。经过对波浪数模的研究，一期航道遗留的局部-16 m深槽地形对波浪传播影响较小。

2.2 护面块体稳定质量的确定

本项目施工中执行中国行业规范，2012年对一期防波堤设计时，将图6所示国内常用的扭王块推广至西非海域防波堤项目设计中，参照JTS154-1—2011《防波堤设计与施工规范》[7]规定，按Hudson公式计算，扭王块计算稳定质量为2.2 t。但对于坦波，规范规定块体重量应进行物理模型试验验证。通过防波堤断面及三维整体物理模型试验，确定堤身采用5 t扭王块，堤头采用8 t扭王块，相比计算值质量加大了1.2倍。这与2018年颁布的JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》[8]设计理念相吻合，即出现坦波时块体质量应适当加强。从一期建成至今，出现了几次较大的波浪，实践证明，防波堤经受住了考验。这也证明了中国的扭王块材料在西非长周期波环境下是适用的。二期防波堤的水深、波浪要素与一期末端基本接近，故沿用同样质量的扭王块。

为了比较波浪周期对护面块体的稳定性影响，对其进行敏感性分析，周期从6 s每次累加2 s至16 s，试验结果显示，涌浪对于护面块体有明显的影响，特别是在波浪破碎区，相对于短周期风浪，涌浪产生的冲刷作用大，如不设置压脚块石，则会有个别坡脚扭王块体滚落，为此，工程设计时在近岸段防波堤增加1～2 t的压脚块石，以支撑坡脚与坡面上的护面块体，防止其下滑，确保扭王块的局部稳定。

2.3 越浪量标准分级

内侧为港池的防波堤断面如图4所示，按允许越浪设计。笔者认为应结合断面物理模型试验结果进行设计，越浪后防波堤结构是稳定的，且形成的港内波高不影响船舶的作业。

内侧为陆域的防波堤断面如图5所示，按基本不越浪设计。本工程堤后主要用于工作车辆和人员行走，一期设计时参考EurOtop规范[9]、CEM规范[10]以及其他海外工程设计经验，分成2级控制，区别对待运营工况和校核工况，给出允许平均越浪量标准：

1）运营工况 考虑工作车辆和人员行走，五年一遇波浪与设计高水位的组合条件下，越浪量q≤0.5 L/（s·m）。

2）校核工况 考虑结构安全，五十年一遇波浪与五十年一遇高潮位的组合条件下，越浪量q≤20 L/（s·m）。

这与JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》的斜坡式护岸允许平均越浪量数值接近。

模型试验表明，该断面在运营工况条件下，胸墙顶无越浪;在校核工况条件下，胸墙顶的平均越浪量为7.5 L/（s·m），满足上述标准。

2.4 腐木段地质处理

在一期防波堤-13 m深水段，地质层突变，发现有软基段，经钻孔加密后显示，该软基分布面积较大并且连续，总长约600 m。软弱土层为腐木（泥炭质土），分布于表层，厚度达2～7 m，下卧层为④1或④2坚硬粉质黏土。泥炭质土在表观性状上是以腐烂和半腐烂状态的木质材料为主，混有30%左右的黏性土。在钻取的土芯中有褐色半腐烂状态的腐木碎块，偶尔可见腐烂程度较低的黄白色木质碎块，均具有强烈的腐臭味。泥炭、泥炭质土压缩性极高，强度随着木质结构的腐烂而逐渐减弱，具有长期的不稳定性，因此一般不用作建筑物地基。

笔者提出开挖换填和挤淤2种方案。通过与施工单位沟通，考虑到挤淤后需钻孔检测，为规避事后检测不达标的风险，最终采用开挖换填的方式，处理深度为3～8 m，并现场进行土质检测，确保完全清除腐木。同时为节省工程投资，设计采用开山砂或疏浚的风化岩作为换填料，经泥驳运输至开挖区进行抛填。施工后工后沉降很小，达到了较为满意的效果。

3 工程结构设计的主要内容

3.1 施工期的临时防护

强涌浪对防波堤的设计和季风期各项水上施工活动影响显著。工程区域常年风浪较大，大浪来袭时，少则持续2～3 d，多则持续10 d以上，对施工中的防波堤安全构成了威胁，需暂停现场施工并对其采取保护措施。

一期设计时，试验模拟了护面尚未施工时的断面，只有400～800 kg垫层块石，设计工况为高、低水位与五年一遇的施工期频遇波浪H 13% =2.5 m组合[6]。试验1 h后，外坡静水位以上块石几乎全部滚落，因此笔者提出，施工中应及时护面，并严格控制防波堤的暴露长度。临时施工通道的堤顶未护面时，可在通道外侧加摆大块石或扭王字块。

在推填过程中施工期防波堤暴露的堤芯石在没有垫层大块石保护时，局部有几次被大浪摧毁。为此，根据涌浪随季节变化的规律和特点，结合波浪预报，对堤心石段的暴露长度进行严格控制，边推进边防护。在每次大浪来袭之前，对于堤心石段，采用500～1 000 kg大块石进行全包围护面防护;对于已安装侧扭王块的断面，在靠海侧的堤顶2 m范围内，增加500～1 000 kg大块石临时防护，减少越浪冲刷，这些措施有效地解决了防波堤施工期的安全问题。

3.2 一二期防波堤的衔接

2014年一期防波堤施工临近尾声，此时防波堤内外护面已经安装完成，即将开始堤顶扭王块的安装，业主提出了一个重大变更，要求在图4断面基础上实现行人行车功能，即在堤顶做混凝土路面。

为兼顾后续二期施工的陆上推进需要，设计经评估，一期堤顶暂时不浇筑路面，但在一二期衔接期间，对未成形的防波堤段，应采取必要的临时防护措施，如图7所示。二期扩建时，再在堤顶上方直接浇筑路面，从而达到无缝衔接，避免重复建设。堤头仍采用8 t扭王块护面，二期施工时可将8 t扭王块吊起，再推填堤心石。

断面试验显示，在极端高水位，十年一遇波浪作用下，1～2 t护面块石失稳率仅为0.87%，满足规范要求，且断面其他各部分均稳定。越浪量为102 L/（s·m） ，越堤水体跌落距离为10.61 m，次生波高为0.39 m。断面试验验证了本方案在十年一遇的波浪作用下是稳定的，且堤顶高程降低为 +4.83 m ，越浪形成的港内波高不影响港口的运营。此外，一期工程运营期间，业主应开展气象观测预报，如有大浪等异常天气来临，须采取必要的防护措施。

3.3 低堤顶的混凝土路面设计

二期设计时，业主对堤顶路面的宽度做了比选，选择了半路面方案，見图8。该方案的主要风险点在于堤顶高程是按允许越浪设计的，而越浪水体对堤顶混合结构及堤后块体的稳定性影响大。设计中将路面直接现浇在堤顶大块石上方，用水泥浆填充大块石缝隙，取消了常规的碎石整平层，规避了碎石层被波浪淘刷的风险，既增加了路面的自重，又提高了路面与抛石之间的摩擦系数。物理模型试验实测五十年一遇最大平均越浪量为49.8 L/（s·m）;越堤水体跌落最大距离为17.60 m，次生波高为0.63 m;路面结构受到最大浮托力为168.83 kN/m。堤顶混合结构在各工况下是稳定的。

扭王块与路面的连接处是个薄弱部位，为此模拟运营期维护不到位且堤顶海侧只保留单个扭王块（前或后）的工况情况，试验显示堤顶混合结构依然是稳定的。最终堤身处路面采用宽4.6 m×厚0.8 m规格的大板;堤头处采用加重宽8.0 m×厚1.0 m规格的大板，两侧通过加趾的措施来增加其稳定性。

业主欲进一步将该防波堤打造成为当地的观光景点，要求对堤顶的使用性进行评估。防波堤是按允许越浪设计的，基于施工图断面的高程，考虑游人和车辆的通行安全要求，越浪量标准按EurOtop规范[9]设计，行车取值≤0.02 L/（s·m），行人取值≤0.1 L/（s·m）。

对由波浪引起的防波堤不可通行时间进行评估，利用短期实测和长期后报的波高与周期联合分布，结合断面模型试验实测的越浪量，与陈国平等[11]及EurOtop规范[9]里的公式数值拟合，得到年不可通行时间为1.8%，如图9所示。为便于港口管理，简单按波高进行控制，即防波堤外实测有效波高不大于1.2 m时，游人和车辆可安全通行。

4 结 语

针对非洲西海岸某深水防波堤进行研究，结果表明：1）5 t与8 t中国扭王块在西非10～16 s涌浪环境下是适用的;2）涌浪对于护面块体的稳定有明显的影响，特别是在波浪破碎区，相对于短周期风浪，涌浪产生的冲刷作用大，强涌浪对防波堤的设计和季风期各项水上施工活动影响显著;

3）越浪量标准可分两级区别对待，运营工况考虑人员和工作车辆行走，校核工况考虑结构安全;

4）腐木地质强度随着木质结构的腐烂而逐渐减弱，具有长期的不稳定性，应采取清除措施。开挖换填后，沉降小，处理效果好;

5）低堤顶的混凝土路面设计，需重点评估越浪对结构稳定性的影响，同时在运营期间应限定人员车辆可作业的波高。

目前，长周期涌浪的研究，在国际上是个公认的焦点，后续设计可重点关注长周期涌浪在斜坡式防波堤中的透浪性能对港内船舶的系泊和运动量的影响，以及施工船舶在此类海况下的适应性。

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