防波堤损坏特点、成因和应对措施

冯根地

摘要：在本文中，笔者将会以防波堤损坏特点为切入方向，结合国内外行业相关学者对各类典型损坏案例的具体分析内容，针对防波堤损坏的成因关系进行初步探讨，并提出针对性的应对措施，希望借此可对我国海洋工程学等领域发展起到一定推动作用。

关键词：防波堤损坏，防波堤损坏特点，防波堤损坏成因，防波堤受损应对措施

引言：防波堤是现代港口建设工作的重要建筑之一，但随着近年极端天气出现的次数增多和不规律性，港口建设向深水、大浪和条件更恶劣的区域发展，防波堤损坏的可能性逐渐增大。分析防波堤损坏的具体特点与机理，行业科研人员可对海浪与防波堤之间的作用效果有更明确的认知与了解，以此为基础，不断完善防波堤建筑的设计与施工技术方案，削减防波堤损坏的可能性。

1、防波堤的作用

防波堤一般是建港于区外侧、防御外海波浪入侵的水工建筑物，降低港池内的波浪作用，形成满足船舶在港口靠泊和装卸作用条件的掩蔽水域。对于部分港口，防波堤有着防止泥沙和冰凌的入侵，防止淤积的作用。因此，防波堤一般建于港区波浪冲击最大的方位，是最容易遭受极端天气破坏的港口构筑物。

2、防波堤损坏特点

2.1、防波堤损坏的平面形态

依照行业数据分析，并对比防波堤平面形态各部位实际所承受的冲击力，防波堤堤头与凹角位置波能集中区域是最为常见的两处损坏位置，而其损坏特征又可归结为蛇行破坏，并且会在突堤集中出现。

实验表明，防波堤损坏程度会伴随着波高的不同而有所不同，并与防波堤结构部位息息相关。分析防波堤整体结构，其堤头与凹角周围很容易出现波高突然增大的现象，这是由于防波堤凹角与堤头位置通常会同时受到不同方向的波浪冲击，而这些波浪效应相互叠加，最终导致凹角与堤头位置的堤前波高突然增大，并造成其损坏。

此外，防波堤损坏发生后，其损坏位置往往不会集中在一处，而是沿堤大范围分布，虽然不同位置的损坏程度各不相同，但是，其整体呈现周期性变化规律。如果防波堤损坏时，其堤前沉箱出现滑移现象，也呈现出蛇行破坏特征。

2.2、防波堤损坏的断面形态

不同结构的防波堤在断面形态上也各不相同，而断面形态也将直接影响防波堤自身的冲击承受能力，因此，防波堤损坏形态与深度也会随着断面形态的变化与变化。其中，防波堤损坏后的断面形态可分为三种基础类型，分别为：消波与护面块散乱、基床散乱与海床冲刷。依照相关数据调查显示，防波堤损坏现象发生时，直墙结构问题占全部问题48%左右，其中，直墙滑移现象约为25%，直墙损坏约为10%，而直墙沉陷或倾斜约为13%;上部结构问题占全部问题的31%左右，其中上部结构滑移现象约为12.4%，上部结构损坏约为10.8%，上部结构沉陷或倾斜约为9.7%;而海床冲刷问题约为25.9%。此外，防波堤损坏的断面结构中，出现护面块体散乱现象的比例约为61.3%，而出现消浪棱体散乱现象的比例约为94.6%。

根据防波堤模型试验，一般在高水位上下一倍波高范围内护面块体受到的波浪作用最大，而从以上数据也可以看出，防波堤结构中，单体工作的消波护面、护面护体以及护面基床位置被损坏的可能性最高，并且，不同结构类型的防波堤在断面损坏形态上也有着很大差异。综合分析可以看出，防波堤损坏时，其断面损坏的集中部位与损坏方式将会随着不同区域受力特征的不同而变化。

2.3、断面损坏与防波堤损坏关系的分析

日本地质学家曾对防波堤断面损坏与防波堤损坏之间的关系进行全面细致调查，并给出相对可靠的定义：如果防波堤堤身及上部胸墙位置出现沉降、倾斜或滑移现象，那么其实际的沉降量或滑移量占堤身高度或宽度的比例，将是判断断面损坏程度的核心标准;对于那些倾斜结构或水平混合式防波堤而言，可通过观察其实际损坏范围来衡量防波堤断面损坏与防波堤损坏直接影响。

参照以上定义，并综合分析当前行业所拥有的调查数据，防波堤平面或断面的受损程度通常会随着波浪高度增加而放大，如果波浪高度超出防波堤设计范围，那么波浪的实际超出值越大，防波堤的平面损坏与断面损坏程度也将越深，并且，平面损坏与断面损坏之间也会呈现出正向相关的影响关系。

3、防波堤损坏特点与具体成因之间的關系

3.1、防波堤结构设计不合理，设计调查与后续保障作业不到位

通常情况下，防波堤结构设计不合理、亦或是施工过程的作业条件不满足防波堤建设需求、防波堤连续段处理不恰当等，是导致防波堤出现损坏的首要因素，例如：我国某港口防波堤建设过程中，其推算的设计波浪与实际状况不符，防波堤建设完成后，海浪对沉箱造成的冲击效应没有得到有效削减，进而导致沉箱结构出现断裂。此外，越浪条件以及防波堤堤墙前水域深度等条件，也是影响防波堤结构稳定性的重要因素，因此，对于设计人员而言，需要全面考量防波堤的具体工作环境与各项结构要求，并针对性实施相关工程保障作业，避免防波堤投入使用后遭受严重损害。

3.2、波群与海床长期冲刷的影响

海浪能量分布虽然带有很强的随机性，但堤前波浪形态与动力特性将会直接影响波浪与防波堤之间的作用力大小，尤其是斜坡堤结构，其最终的损坏程度与波浪动力特性直接关联。国外某港口的防波堤曾出现大范围扭工字块脱落或断裂现象，后续调查显示，设计人员对波群与海床冲刷层面的考量不深是导致这一问题的首要因素。近些年，国际航洋工程界也在不断加大对波群以及海床冲刷特征的分析，而大量科研人员在分析防波堤损坏具体形态后，也在不断改进其设计理念。现如今，海洋波浪预警的准确性得到明显提高，防波堤的设计工作也正在走向正规，可靠度设计理念已成为行业共识，波浪设计标准偏低现象所导致的防波堤损坏问题已得到初步控制，但是，防波堤设计人员所实施的水域波浪特性调查依旧存在诸多漏洞，其所考量的应用特性与实际工程场景之间有着很大差距。

3.3、地基承载能力不足

对于防波堤而言，地基结构是否稳固将会直接影响其安全性，分析当前现有的防波堤损坏案例可以发现，防波堤地基沉降或失稳问题所导致的防波堤结构破坏在所有案例中占据很高比重，因此，避免防波堤在波浪作用下出现地基液化现象，也是当前深水防波堤设计与建设工作所必须面对的全新课题。防波堤需长期承受海浪冲刷，而防波堤地基底部的砂土結构很容易受水体影响而出现液化问题，进而导致防波堤整体出现塌陷。例如，我国行业科研人员在对某防波堤塌陷问题分析后发现，该防波堤软土层在波浪动荷载作用下，其实际的结构强度下降三分之二作用。此外，防波堤地基沉降不是连续性质，而是会伴随着风暴潮以及大浪的出现而间歇性跳跃式发展，而这种特征，更容易引发防波堤出现突发性严重损坏，甚至会因此对城市与港口带来严重的经济损失。防波堤建设过程无法避免海浪的影响，而防波堤断面对海浪的抵抗能力也要等待建设完成后才可显现，这就导致施工过程出现大量的薄弱环节，加之工程现场条件极为不利，工程建设周期很长，各类突发性不可控因素影响巨大，如台风天气等，这些要素都需要海洋工程学者予以充分关注。因此，对于防波堤建设单位而言，应重点加强对施工方案的组织与协调，强化风险预防思想，设立合理的保障机制，如对沉箱等大体积结构设置必要的固定结构，并在施工前加强波浪试验模拟，确定不同波浪条件下的实际填料量。

3.4、综合因素分析

防波堤损害现象通常是多种不同因素综合作用下的结果，如防波堤堤前波浪高度超出设计标准、设计人员对于水域波群特性认知不足、防波堤各项保障作业手段未能全面落实、防波堤设计的堤心石透水性严重不足等等。此外，港池波浪对防波堤造成的损坏形式也会随着外界条件的变化与呈现多种形式，但是，防波堤损坏的最高频率形式通常为堤头损坏或沿堤水流损坏以及蛇行破坏等等。因此，防波堤设计与建设过程中，设计人员与工程作业人员应注重对综合因素的全面分析，加强对波浪水动力特性的把控，针对地基的类型不同而实施具体建设。

4、应对措施

4.1、选择最优的位置和平面布置方案

防波堤作为港区的公共防护设施，为码头靠泊和装卸作业提供掩护条件，并防止港池淤积和波浪冲蚀岸线的作用，是港区的重要组成部分。防波堤的布置应考虑以下几个方面：

一是防波堤的布置应从港口总体布局出发，在充分分析当地的风、浪、流、泥沙、地质、地形等自然条件的基础上，充分考虑港口规模、布局和作业条件等因素，综合布置，在单突堤、双突堤、岛堤等方案中选择最合理的布置方式。

二是防波堤的布置应在沿岸潮流和泥沙运动模拟分析的基础上布置，避免堤身基础和后方产生严重的淤积或冲刷。

三是防波堤的位置应尽量利用天然港湾的自然掩护条件和港池的水深建设，尽量降低防波堤护面层遭受的波浪冲击和基础遭受的淘刷作用，减小结构断面，降低投资。

4.2、做好前期模型论证工作

根据《防波堤与护岸设计规范》，防波堤作为边界条件复杂和重要性较高的工程，目前计算理论尚有不完善之处，在设计时应进行波浪模型试验验证。物理模型试验验证按不规则博作用为主的原则进行，主要验证结构部位的稳定性、上不挡浪墙的波压力分布、越浪情况及堤后再生波的波高。

在模型试验的过程中，不断调整模型，选择最优布置和结构断面。加强护面块体重量可以增加堤身结构的稳定性，减小波浪对的破坏作用;加宽戗台的宽度可以有效降低堤顶面的越浪量，降低堤后的再生泊;对于在试验模型中可能产生的波能集中区域，是防波堤最可能收到破坏的地方，要做好局部加强措施。

4.3、做好施工期质量管理

防波堤施工期应做好质量管理，建立专业施工队伍，做好建设材料质量保障，极端天气做好防护，保障防波堤的建设质量。

4.4、堤身受损后及时修复

防波堤堤身受损后，将形成破坏面，再次遭遇极端天气时破坏面将不断像周围蔓延，在堤后的设施造成破坏。防波堤受损后应及时修复，堤身补抛块石和灌浆加强处理，破坏的面层块体及时抛理补充，挡墙及时加高浇筑。

结束语：

综上所述，防波堤损坏的因素有多个方面，包括设计推算波浪与实际不符、设计结构不合理、使用期的长期波浪淘刷和地基失稳等是导致结构整体失稳的主要问题。应从总体布局、结构设计、物模试验、提高施工质量和及时维护等方面做好工作，保障防波堤的结构稳定性，为后方码头靠泊和装卸作业提供掩护条件。

参考文献

[1]徐云俊.防波堤损坏特点与其成因的关系[J].中国水运（下半月），2014，14（08）：309-310.

[2]罗浩斌.防波堤损坏特点与其成因的关系[J].城市建筑，2014（04）：338.

[3]李炎保，蒋学炼，刘任.防波堤损坏特点与其成因的关系[J].海洋工程，2006（02）：130-138.