台风受损防波堤修复设计简析

丘小标，覃 杰，陈良志

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230)

引言

防波堤是抵御外海波浪入侵，形成内侧掩护水域所需要的水工建筑物，是人工掩护沿海港口码头的重要组成部分。近年来，受强台风影响，不少沿海地区防波堤受到不同程度的破坏，为继续实现防波堤掩护内侧水域的功能，需对受损防波堤进行修复。

本文结合广东某台风受损防波堤修复项目的设计经验，提出台风受损防波堤的修复设计思路，为类似项目的设计提供参考。

1 防波堤堤头原结构方案

防波堤堤头段长100 m，采用斜坡式结构。堤心石为1～1 000 kg 块石，内、外坡度均为1：1.5。堤顶及内外坡均采用扭王字块护面，护面块体为25 t 扭王字块体，厚3 000 mm，护面垫层为厚1 740 mm 的1.5～2 t 块石；堤头顶标高为+7.74 m，顶宽12 m，可布置4 块25 t 扭王字块体护面。护脚水平段扭王字块顶标高-3.84 m，宽度7.2 m，布置3 块25 t 扭王字块。护底块石采用1.5～2 t 块石，宽10 m，顶标高-6.0 m，堤头水域原泥面标高在-7.5～-9.5 m 左右，防波堤原结构方案断面图1。

图1 防波堤原结构断面示意图

2 防波堤堤头受损现状

2018 年9 月7 日20 时，台风“山竹”在西北太平洋洋面上生成，9 月15 日，台风"山竹"从菲律宾北部登陆，16 日17 时在广东台山海宴镇登陆，登陆时中心附近最大风力14 级，中心最低气压955 百帕，中心附近最大最大风速50 m/s，为强台风。10 级风速半径为250 km（SE），12 级风速半径为80 km。

尽管台风中心离工程较远，但该台风风速强，大风范围大，在9 月16 日9 时在粤东海域27 m 水深点出现最大波浪，最大有效波高为6.8m，平均周期13.9 s，波向SE，风速20 m/s，风向E。

台风“山竹”为在本海区产生第十三大波浪的台风，但该波浪平均周期为前十三个台风最大波浪中周期最大者，同时有效波高大于5.0 m 的持续时间达15 小时。台风“山竹”过后经过现场勘查，防波堤堤头水上部分有明显破坏。

从现场情况看，水上部分破坏主要有：堤头扭王字块向下滑移，凌乱不紧凑，局部空缺部分可见堤心石。

图2 堤头破坏现状

3 防波堤修复思路

3.1 更新设计波浪条件

通过收集分析近年来本工程区域各大台风后报和频率，根据1949 年～2008 年台风后报计算深水区S、SSE 向50 年一遇有效波高分别为6.4 m、7.4 m，1949 年～2018 年台风后报计算深水区S、SSE 向50 年一遇有效波高分别为8.07 m、9.05 m。

深水波要素1949 年～2018 年比1949 年～2008 年台风后报计算结果大约20 %，根据附近工程深水波向浅水传播的计算结果，传到近岸10 m水深处波要素大约10 %。原设计和更新后的50 年一遇设计波浪要素设计波浪条件见表1。

表1 设计波浪要素对比

3.2 根据现行规范对防波堤结构进行复核

根据原设计采用的规范《防波堤设计与施工规范（JTS 154-1-2011）》[1](以下简称“11 版规范”)和现行规范《防波堤与护岸设计规范（JTS 154-2018）》[2]（以下简称“18 版规范”），对防波堤采用扭王字块护面的稳定重量计算区别见表2。

表2 护面块体稳定重量计算的区别

单个块体的稳定重量计算公式为：

式中：

W—单个块体的稳定重量(t)；

γb—块体材料的重度(kN/m3)；

H—设计波高(m)；

KD—块体稳定系数；

α—斜坡与水平面的夹角(°)；

γ—水的重度(kN/m3)。

计算结果见表3。

表3 护面块体稳定重量计算结果

根据以上计算结果可知，按11 版规范和旧设计波浪要素考虑时，防波堤原设计方案可以满足当时的规范要求；按18 版规范和新设计波浪要素考虑时，原防波堤设计方案已不能满足现行规范要求，需对防波堤断面进行升级改造。升级改造后的护面块体采用38 t 扭王字块体，厚3 320 mm，护面垫层采用厚2 100 mm 的1.9～3.8 t 块石。升级改造后防波堤断面见图3：

图3 升级改造后防波堤断面图

3.3 修复效果分析

1）按升级改造后设计方案修复

按升级改造后设计方案进行修复时，需将防波堤原护底块石、垫层块石和扭王字块拆除，再铺设1.9～3.8 t 垫层块石、38 t 扭王字块和1.9～3.8 t 护底块石，考虑工期、造价及施工难度等因素，本项目建设单位要求仅按原设计方案进行修复。

2）按原设计方案修复

按原设计方案修复时，防波堤水上部分可通过肉眼观测，可知防波堤需修复位置及范围；而水下部分需通过专业水下测量，摸清防波堤水下部分受损位置及范围。本项目水下测量先通过侧扫声呐测量进行前期勘探，再进行三维声呐测量，通过数据处理，可以获得各扭王块位置以及实际塌陷区域。如图4、图5。

图4 防波堤北侧坍塌测量图

图5 防波堤南侧坍塌测量图

根据测量结果显示，防波堤堤头段水下部分扭王字块塌陷位置较多，并且坡脚水平安放的扭王字块丢失严重。修复方案为：在防波堤扭王字块塌陷区域，从上往下逐件拆除扭王字块，拆除时需注意保证范围外扭王字块不发生塌落；修补整平垫层块石，垫层块石理坡按原设计断面尺寸要求，垫层块石理坡完后再重新从坡脚往坡顶方向安装扭王字块，新安装的扭王字块与已安装的扭王字块应平顺过渡，确保扭王字块间相互咬合紧密；坡脚采用高压水枪进行清淤，并补填护底块石。

4 结语

1）修复台风受损防波堤前，应收集工程区域近几年的台风气象报告，通过分析及计算，更新工程区域设计波浪条件；

2）根据现行规范对防波堤结构进行复核，对设计方案进行升级改造，并按升级改造后的设计方案进行修复；

3）按原设计方案修复时，可采用侧扫声呐测量和三维声呐测量，测出防波堤水下受损位置，再通过拆除扭王字块、垫层块石理坡、重新安装扭王字块、补填护底块石等修复工程，可以对防波堤受损区域进行精准修复，减少工程造价和缩短工期。