“山竹”台风影响下的防波堤损毁与应急修复研究

张慈珩，张崇伟，郭泉，耿宝磊，胡克

（1.交通运输部天津水运工程科学研究院，港口水工建筑技术国家工程实验室，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072；3.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023；4.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

近年来沿海地区不断遭遇强台风袭击，沿岸部分防波堤设计年限已久且抗风浪等级较低，在遭遇强台风袭击时往往受到不同程度的损坏，对台损的防波堤进行修复并提高其设计等级十分必要[1]。目前国内针对防波堤台损修复的研究并不多，蒋美娇[2]、华茂明[3]曾考虑强台风对工程海区风浪的影响，通过规范计算与模型试验相结合的方式，确定了防波堤堤顶高程、护面块体质量及断面的布置方案；王亚东[4]、邓振洲[5]针对防波堤被台风引起的大浪破坏的情况，提出了防波堤修复方案，并通过物模试验验证了其修复方案；黄建阳[6]结合福建鸿山热电厂煤码头及引堤工程的案例，浅析台风造成防波堤损毁的原因，并提出了减少施工期风损的建议；胡曦光[7]则对比新、老防波堤规范关于深水防波堤不同的要求，分析了在台风“布拉万”影响下某深水防波堤的破损机理；而《海港工程设计手册》[8]则汇集了一些国内外的防波堤破坏实例，并对破坏原因进行了分析与总结，给出了防治建议。

本文依托的盐田港东作业区东大堤因遭受超强台风“山竹”的袭击，大堤护面块石被卷走，堤顶被完全破坏，已严重威胁大堤的安全稳定，需对台风袭击后损毁的大堤进行应急修复。本文借鉴以往一些类似工程的台损应急修复研究成果，通过进行波浪断面物理模型试验，验证不同修复方案的块体稳定性，并测量上水越浪情况，分析不同设计方案试验结果，最终为相关应急修复工程方案合理选择提供依据。

1 试验条件

1.1 试验水位

本文所述试验的水位条件为：极端高水位+3.56 m（重现期50 a），设计高水位+2.26 m（高潮累积频率为10%），设计低水位+0.22 m（低潮累积频率90%）。

1.2 波浪条件

本文的试验波要素由委托单位提供见表1。

表1 试验波要素Table 1 Wave element of test

1.3 试验断面

北段初步设计方案断面图见图1，粗虚线表示台损之后的现状剖面。北段采用半直立式结构，工程设计方案遵照相关设计规范要求。台损前大堤的顶高程为+6.5 m，原堤身顶部相当范围的块石体已被冲走并堆积于外海侧，根据试验观察发现堆积于外海侧的块石会随着波浪向岸爬升，且最终形成一种相对稳定的剖面形态。

图1 北段半直立式结构断面图Fig.1 Sectional view of north semi-vertical structure

本段堤身修复工程，依据试验所得平衡剖面结果并考虑原堤身宽度的限制，将胸墙中轴线选定在剖面变化相对较小的位置，即在“深圳2018岸线”后侧18 m处；对波浪打击区范围的台损现状堤身进行适当开挖，开挖以下部分保留原堤身块石作为垫层，并在高程+1.0 m处设置1 m厚的抛石基床，其上为混凝土胸墙，胸墙顶高程为+8.5 m，在挡浪墙背海侧及抛石基床之上适当回填10～100 kg的块石以保证挡浪墙结构的稳定；大堤顶部则以1:1.5的坡度铺设1层500～800 kg垫层块石，厚度为1.35 m，并在垫层外侧规则安放1层2.215 m厚的10 t扭王字块体作为大堤外坡的防浪结构，坡脚处以45°斜面与台损后剖面连接，其余部分棱体维持台损后的状态。

2 模型设计及制作

2.1 相似准则与模型比尺

依据本试验的目的及要求，结合试验场地和设备，将模型按重力相似准则设计，结构断面尺寸满足几何相似，确定模型几何比尺为34，时间比尺为5.83，力比尺为39 304。

2.2 断面制作

依据JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》中的要求，将断面中的扭王字块体采用原子灰加铁粉配制，使得重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程的要求；断面模型中各种块石按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内；另外由于模型试验采用的是淡水，而实际工程中为海水，受淡水与海水的密度差影响，故在模型中考虑这种影响，取用海水与淡水密度比值为1.025。

3 试验设备与方法

3.1 试验设备

模型试验在交通运输部天津水运工程科学研究院的波浪试验大厅水槽中进行，水槽长65 m，宽1 m，高1.3 m；水池两端配备给排水系统，模型波浪由电机伺服驱动推板吸收式造波机产生，另外模型高程用水准仪控制，长度用钢尺测量，水位通过测针测量，在试验过程中采用摄像机记录波面过程以及上水、越浪等试验现象；另外波高采用三维浪高仪，并通过日本开发的多方向波测量系统对波高进行采集分析。

3.2 试验方法

1）波浪模拟。试验采用不规则波，频谱采用JONSWAP谱。

2）越浪量统计。在测量点用接水装置接取越浪水体，通过测量重量或体积得到模型的越浪量。对于不规则波接取一个完整波列的总越浪水体作为相应历时的总越浪量，然后计算单宽平均越浪量；最后按照相似准则，将模型的越浪量换算成原体的越浪量。本试验仅对北段半直立式结构断面进行越浪量统计。

3）护面块体稳定性。每组试验至少重复3次，当3次试验现象差别较大时，增加重复次数；每次试验，护面块体均需重新摆放。对于是否保持稳定，主要依据试验时观察到的位移情况进行判断；试验中当累积位移超过块体最大几何尺度一半、块体滑落或跳出时，即判断为失稳。失稳的断面要进行重复试验，重复试验也失稳的，判断为断面失稳；重复试验不失稳，加大重复试验次数，分析失稳原因，综合分析给出稳定性结论。

4）护底块石稳定性。在波浪累计作用下观察护底块石表面是否发生明显变形、是否失去护底功能。对于块石护底表面明显变形的判断为失稳，对其形状有所改变但不失去其护面功能的则判定为临界稳定。

4 试验结果与分析

4.1 现状损坏坡面稳定性试验

该段大堤在损毁之后有大量原堤身块石被搬运至堤前水域，在极端波浪环境作用下，堆积的块石会再次被波浪搬运至堤身，故借鉴沙滩平衡剖面理论，首先对已损坏现状剖面的稳定性进行研究，确定出本段堤身剖面的相对稳定位置。

试验采用重现期50 a、累计频率为13%的波浪要素（见表1），分别对极端高水位和设计低水位两种水位条件进行模拟；对于不同工况，现状损坏剖面在波浪作用6 h后均可保持稳定，此时视稳定下的剖面为块石堆积和搬离所能达到的平衡剖面；试验结果见图2。

根据现状剖面的稳定性试验结果可知，剖面变化范围随水位的变化而变化，其中设计低水位剖面变化范围基本在-90～-30 m之间，-90 m以上保持稳定；极端高水位剖面变化范围基本在-110～-40 m之间，-110 m以上保持稳定；剖面变化的幅度也随波高变化而变化，在极端高水位时剖面堆高达到最大，可至+11 m左右。故根据平衡剖面试验结果将胸墙结构设置在剖面变化较小的区域，并在墙前布置简单的防冲刷结构，以减少工程前期清理工作、降低投资规模并缩短工期。另外由于原堤身宽度条件的限制，将后续修复方案的胸墙中轴线固定于坐标-91.27 m处，具体位置见图1。

图2 现状剖面逐时变化Fig.2 Hourly variation of current profile

4.2 初步设计方案

由试验现象可知在极端高水位重现期50 a的波浪作用下，结构物前块石在波浪作用下向胸墙推移，在作用3 h后墙前块石堆高基本与胸墙上沿齐平，块体被搬运来的块石掩埋，此外由于顶高程较低，在大浪作用下块石会随越浪过堤，到达胸墙后方。

图3 试验图片Fig.3 Photos of the experiment

试验图片见图3。

4.3 优化方案

针对初步方案块石越堤和越浪量过大的现象，在初步设计高程+8.5 m基础上，加高至+10.5 m，根据试验观察发现随着堤顶高程的增加，越浪量和块石越堤现象逐渐减小，在顶高程为+10.5 m条件下，已基本无块石越堤。此时对方案进行优化，由初步设计方案试验结果可知，胸墙前块体最终会被掩埋于块石以下，故取消掉胸墙前的块体斜坡，仅在直立墙前布置4排块体平台，胸墙顶高程采用+10.5 m来验证此时的越浪量和块体过堤情况，模型摆放照片见图4。根据试验观察，在顶高程为+10.5 m条件下，已基本无块石越堤，此时胸墙依旧保持稳定，块体掩埋在块石下保持稳定。可知此结果与胸墙前铺设块体斜坡的结果相同，故可在类似条件的实际工程中简化胸墙前块体的布置形式和数量，降低工程造价。

图4 优化方案的断面结构及模型摆放Fig.4 The optimization program section structure and model placement

4.4 越浪量试验结果

对初步设计方案和优化方案分别进行越浪量测量，由试验结果可知在极端高水位重现期为50 a的波浪作用下，断面有部分越浪现象发生，而在其它水位条件下，仅有略微溅浪现象，并无成片的水体越堤，故本文仅给出了极端高水位作用下的试验结果见表2，其中越浪率为1个波列中越浪波个数与波列中总波个数的百分比。

表2 不同方案下极端高水位重现期50 a的越浪量结果表Table 2 The result table of overtopping of extreme high water level with return period of 50 a under different schemes

综合上述试验可知，由于修复结构前块石堆体较大，块石在波浪作用下会向胸墙前堆积；在波浪连续作用下，块石会将墙前斜坡块体掩埋，并出现块石越堤现象，在试验中将胸墙顶高程加高至+10.5 m，块石越堤现象才基本消失；各方案胸墙迎浪侧前被上壅块石掩护，基本不受波浪作用，胸墙可保持稳定；当胸墙顶高程为+10.5 m时，优化方案越浪量已仅为12.1 L/（m·s），且此方案前期清理工作小、工程投资少，可作为该段防波堤修复的优选方案。

5 结语

本文通过波浪断面物理模型试验，对盐田港东作业区北段防波堤修复方案中块体的稳定性及越浪情况进行了分析，根据试验结果，在日后进行防波堤台损修复时需重点关注以下问题：

1）对于台损后原大堤残留的块体结构，应充分利用，可进行现状损坏剖面的稳定性试验，得出块石输移堆积的相对平衡剖面，根据现场情况和工程需要将修复结构的胸墙布置于剖面变化较小的区域，并在墙前布置简单的防冲刷结构，以此减少台损修复方案的前期清理工作、降低工程造价并节省工期。

2）损坏块石上的波浪爬高、破碎等现象会影响结构的安全性，这些仅通过断面物理模型无法完全进行模拟，针对此类应急修复问题，建议通过局部整体模型做进一步研究。

本次试验对南段斜坡式结构也进行了试验分析[9]。

总之，防波堤修复与加固比新建更复杂，应详细分析其损坏的主要原因，结合工程实际情况，同时要考虑施工的可能性、便利性、工程造价等因素，选择合适且经济的修复加固方案。