运营多年的港口护岸防护技术探讨

李福新

(沧州黄骅港矿石港务有限公司，沧州 061113)

随着我国港口建设发展，海岸线得到大量开发利用。近年来沿海地区不断遭遇强台风袭击，沿岸部分防波堤使用年限已久且抗风浪等级低，在遭遇强台风袭击时往往受到不同程度的损坏，对损坏的防波堤进行修复并提高其防护等级十分必要。周延东等[1]在涌浪基本理论研究综述中指出涌浪传播到浅水域近岸时，形成的拍岸浪对岸边构筑物破坏力很大；白静等[2]在大型港区港内波浪条件分析研究中提出对于护堤越浪应考虑越浪产生的堤后次生波对港内码头波浪条件的影响；吴永强等[3]在防波堤研究进展及损坏原因浅析中提出沿堤流下的护岸蛇形破坏；杨火其等[4]研究钱塘江河口九溪岸段涌潮越堤造成灾害影响；张卓立等[5]通过斜坡堤胸墙及栅栏板上波浪力试验研究指出强大冲击力是斜坡堤破坏的主要原因。以往修复手段多为加强防护、重新修筑等，近年来更多采用挡墙加高，或将挡墙设置成大弧型式或鹰嘴型式的方案。

运营多年的港口护岸工程存在护岸垮塌、挡浪墙损坏、坡面变形、护面块体移位、镂空护面块体空隙淤塞失效等问题，尤其是垮塌损害，可能造成更大的连锁破坏。20世纪60年代以来国外遇到的护岸破坏问题较多，主要采用人工预制护面体加固防护，在损坏处重新建造，地基基础的处理是置换、改良、局部灌浆固化等。关于此问题的修复和研究，张洪庆等[6]在海岸防护工程中的应用一文中也有论述。

本文拟研究解决的问题是用较低的成本完成护岸修复，兼顾长期规划中对护岸薄弱段的改造提升。

1 港口护岸现状及存在问题

1.1 港口护岸现状

港口地处渤海新区，堆场外护岸挡墙内侧原基础为碎石土，未经过特殊处理。裸露土地因多年来被雨、海水侵蚀，长1 km的护岸内却出现了60余处坑坑洼洼，挡浪墙浆砌基础也出现损坏，个别部位的滑移风险很大。后方堆场使用率高，有通信、电缆管线等既有基础设施。目前，紧邻堆场(1#)自东端起向西700 m范围内，矿料堆载作用于岸坡失稳的大滑动面上，在常年的风暴潮侵害下岸坡坡面已改变，码头前沿线向岸侧100 m范围内现状坡面线如图1所示。

图1 岸坡设计与现状断面对比图

该区域自建设至今，风暴时期上水不断，除了气候异常外，与该区域所处位置有关。工程位于航道最东端，正在运营的两个泊位东侧预留工程未施工，最东端的引桥也未建设，现有护岸东段地处开放水域。挡浪墙基础原设计为土石料、倒滤料、二片石、块石，风暴冲击掏空区域，反复受潮汐影响，土、块石易淘失、塌落，影响护岸稳定，存在安全隐患。

1.2 港口护岸存在问题

护岸坡面已非设计状态，修复比新建更加复杂，分析其损坏的主要原因并结合工程实际，修复工程设备和施工中增加的荷载，极易造成护岸下部掏空区域地基承载力突破极限，导致安全风险。考虑到后方生产的形势和保护岸坡结构的安全，须进行处置。

场区东北角风暴损坏已维修加固多次，考虑到二期工程建设，该区域曾采用护岸加固和防护加强(码放多层大型栅栏板)的方案临时修复。能破浪却不能阻挡海水倒灌，与加固部位紧邻的西侧岸坡也因沿堤水流的侵害，向西步步侵蚀，不断摧毁挡浪墙。涌浪越墙而上，造成更大面积的海水倒灌，曾在挡浪墙陆侧新建设一道混凝土墙(2.4 m)，越浪水体滞留在岸顶两道墙裸露土区，倒灌管井，泥沙淤积。在挡浪墙上开孔泄水，土方流失失稳，还会造成泥水入海，不符合环保要求。

2 护岸破坏原因分析

2.1 调查

影响本区的灾害性天气主要为风暴潮和台风、龙卷风。2003年10月10日—13日此海域出现过一次偏NE向的大风过程，为有记录以来46 a内首次出现。气象站观测资料显示，10月10日—13日≥7级风连续出现40 h，≥8级风连续出现27 h，≥9级风连续出现8 h，瞬时最大风速达31.9 m/s，风向为ENE。据25 km外的海上实测波浪资料记载，该区以风浪为主，涌浪为辅，常浪向为E，次之为ESE，出现频率分别为8.64%和7.04%；强浪向为ENE，次之为NE。

港区已运营多年，原护岸挡浪墙后方建设防风网及网下围护墙。东侧开放水域掩护条件差，岸坡直接承受海浪的冲击，破坏极大。左志刚[7]在黄骅港综合港区深水航道水动力数值模拟研究中，对流速增大影响范围分析，工程实施后对周围海域的作用有变化。录像资料显示涌浪借助风势上岸，水土流失、墙下淘空、基础直立面浆砌石失稳、块石丢失，场区、道路海水倒灌。每年因风暴潮造成北侧路及附属设施损坏很大，需反复维修。电缆、通讯井被泥沙封堵、线路损坏，对生产运营造成影响。挡浪墙在历次风暴潮中都出现了较大损毁和越浪情况。越浪量、波浪力是直接影响岸坡稳定直接因素，减少挡浪墙上水，降低挡浪墙波浪荷载，可降低风暴破坏损失。

2.2 分析

(1)通过波高的统计，选取ENE、NE、NNE向为分析重点。

由于主航道与码头之间开挖的港池边坡改变了波浪传播方向，使波浪发生折射，形成了局部波能集中现象。

航道底高程为-18.3 m，在 ENE向浪作用下，波向与航道走向夹角为8°航道以南为迎浪侧，受航道折射影响，航道以南形成一定范围的大浪区，波浪斜向作用于航道南侧围堰。在NE向浪作用下，波向与航道夹角为15°，在航道以南，波浪向港内传播，在港池边坡发生折射，在港池拐角处形成波能集中。在NNE向浪作用下，波向与航道夹角为37°，由于角度偏大，虽折射影响不如NE向明显，但沿航道传播的波浪仍会在港池边坡附近再次发生折射，由于夹角较大，一部分波浪在惯性作用下继续向港池方向前进，另一部分波浪方向发生改变，沿港池边坡向码头端部传播，与沿围堰的行进波发生叠加，在港池边坡交角处形成波能集中(图2)。

图2 波浪在港池及航道附近传播方向示意图

(2)越浪破坏分析。

由于港池开挖，自然水深与港池水深存在明显差异，港池边坡与主航道有30°的夹角，波浪遇港池开挖边坡后发生折射，在边坡附近形成大浪，会越过护岸，造成毗邻结构破坏。波浪在港池边坡的折射，在港池拐角处的波能集中，ENE向浪对顶高程为+6.4 m的挡浪墙冲击很大，造成挡浪墙下部被淘刷。越浪水体在挡浪墙和网下墙之间聚集，短时间内无法排出，对后续水体形成顶托作用，再次越过网下墙。即便是非天文大潮时期，在ENE向浪作用下网下墙上水也很大，若再遇较大、特大风暴必然造成上水更大。无法迅速排除的积水，增加了对基础的渗透压力，突破基础漏斗形成的边界渗透力，造成了挡浪墙下基础脱空。

3 工程修复方案

3.1 修复原则

借鉴学者关于港口及航道护岸工程重要环节技术控制策略，遵照《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154—2018)和《防波提与护岸施工规范》(JTS 208—2020)的相关规定，拟定原则：坡顶及挡浪墙体塌陷区域六十余处，需要立刻抢修。针对掩护条件较差，以防为主、防治结合；针对护岸上水，统筹挡、消、排方法；针对现有挡墙出现不同程度的损毁影响稳定性，以修复加固为主，加高为辅；针对泥水入海，力求杜绝。同时考虑施工的可能性、便利性、工程造价等因素，选择合适且经济的方案。

3.2 方案讨论

(1)可行性论证。

经过对出现问题的剖析和现场实际调查，裸露区净宽不足9 m，靠近防风网侧才能最大程度保证安全。重载设备扰动大、隐患大、安全风险高，遇风暴基底脱空，增加了施工风险，施工时一旦滑入坡下，处理更为复杂。小型设备施工能力有限。挡浪墙直立面损伤严重部位在高潮位时孔洞处置时间长，不利于土石流失的安全问题和泥水入海环保问题的解决。

方案一：“护岸加固和防护加强”方案耗资大、工期长，暴雨、风暴潮对该区设施修复和毗邻区保护不利；岸坡荷载增大，坡面滑塌不利于二期工程建设的边坡开挖和码头沉桩，此方案不可行。

方案二：“挡浪墙加高及设置弧形迎水面”方案。裸露区建有通讯、电缆等基础设施，被冲刷区域位于小滑动面内，无法停驻大型设备，存在安全隐患。采用“挡浪墙加高”时，临水面需大开挖。裸露土区的基础换填和改良、既有设施加固、临水面围护等配套工程工期长、造价高，此方案不经济。

方案三：“挡浪墙改造”即开孔泄水方案。基础墙体原样恢复，但出现越浪，裸露土区的泥水还会流回海洋，不符合环保要求。

可行性方案：权衡进度、安全和后期维护的利弊，在技术和经济上进行综合比较后确定为先修复后改造。选用小型设备将基础和岸坡挡浪墙按照原结构恢复，开挖、换填、整平工作量少，施工步序及调整灵活性强。修复孔洞和缺陷后，在裸露土上铺滤网护底，上压排水、耐冲刷护面，实现整体硬化。设备选用对护岸扰动最小，破损修复施工不用全面展开。清表的碎石土经过整平碾压，强度满足小型吊装机械承载要求。修复后的基础承载力满足维保设备压载需求，不影响对防风网、通讯、电缆等基础设施维护。

(2)材料论证。

本方案的护底材料是加筋滤网，具备耐风化、耐腐蚀的特性。其加筋滤网的隔离性、高渗透性、高摩擦系数、高抗拉模量，抗拉扯、可缝合、不怕水泡又经久耐用特性，可以有效保护基层、延长寿命。选择隔离功能和抗应变性能更好的编织结构，可增强地基的承载力，更有利于建造施工便道和承载力平台。技术要求上，伸长率和经向、纬向抗拉模量应满足规范《土工合成材料宽条拉伸试验方法》GB/T15788—2017的规定，CBR顶破强力应满足规范《土工合成材料静态顶破试验(CBR法)》GB/T14800—2010的规定，等效孔径0.2～0.5 mm，抗紫外线能力(500 h)强力保持率应不小于90%。可以抵抗风暴潮对块石的淘空作用，可以保护上下层的填石不被淘空。实践中对比加筋滤网，无纺土工布虽然具有很高的渗透性，但其缺乏加筋所必须的抗拉模量，也不能快速消散积水，裸露状态下耐久性差。土工格栅网孔太大，不能进行有效的缝合以提供持续性的加固，虽然具有良好的摩擦性和抗拉模量，能对碎石起着侧向约束作用，也具有加筋功能，但却不具备隔离功能。因此，技术上选择扁丝加筋滤网。

本方案护面体选择港口工程常用的混凝土结构，可以预制或现浇。混凝土板、联锁块、栅栏板，耐久、耐冲刷性能也很好，承载力满足要求。堤身透水性降低会使得波能不易被消耗，进而影响护面稳定性。选择护面体为带格槽的栅栏板构造，技术上可行。栅栏板的消浪格槽具有抵御风暴潮作用。栅栏板可异地预制，质量和进度可控。栅栏板可设计为小尺寸(2.2 m×1.0 m×0.2 m)，安装方便。对栅栏板合理配筋，提高其承载力，满足维保设备压载需求，不影响对防风网、通讯、电缆、高杆灯等基础设施维护。

用钢索将栅栏板联系起来，进一步保障安全。钢索选用抗拉、耐久、防锈蚀的材料，如镀锌并覆塑低碳钢丝(索)，即高强钢丝绳用耐腐蚀塑胶包裹。钢丝绳截断端使用2号锂锡脂浸泡涂满钢丝绳头，再使用三元乙丙橡胶对接头进行热塑处理，做到全密封钢丝绳，能有效避免外露钢丝锈蚀。

(3)功能论证。

方案1：在顶高程+6.4 m挡浪墙(第1道)和顶高程+7.0 m网下墙(第2道)间， 设置9 m宽现浇混凝土。当水位较低时，上水较少。仅表现为第1道墙直接受浪冲击，较大可能出现护岸下部脱空，时间越久破坏越严重。尤其是后方贯通后，现浇面不易被察觉，隐患大。当水位较高时，风暴潮遇挡墙反射一跃而起，第1道墙越浪较大，成层状水体越过，难以发挥挡浪作用。现浇板不能消浪，第2道墙为迎浪面，越浪水体经硬化面未经削弱会直冲墙体，易产生二次越浪，且越浪量大。

方案2：两道墙间设置满铺联锁块。为保证硬化效果，基层采用水稳硬化。遇强风暴影响时，下部脱空，块体下沉，防护失去作用。风暴潮时间若长，硬化结构会完全失效。当水位较高时此结构面和现浇混凝土结构无异，即越浪水体经硬化面未经削弱直冲第2道墙体，易产生二次越浪，且越浪量大。

方案3：两道墙间设置“加筋滤网+栅栏板”组合结构，满铺加筋滤网后上压栅栏板。栅栏板(尺寸为2.2 m×1.0 m×0.2 m、孔隙率30.3%)空隙部分可以削弱风暴潮的破坏力。遇ENE、NE、NNE向浪作用下的较大风暴潮，出现波能集中现象，栅栏板可以起到消浪，加筋滤网可以渗水。第1道墙开200 mm@2 m排水口，兼顾消浪和排水。第2道墙上水经栅栏板消减后明显被削弱。越浪水体在挡浪墙之间聚集对后续上水也难形成顶托作用，第2道墙上水范围小，依靠第2道墙的顶标高提高，防浪效果更加明显。

方案4：即方案3的优化方案，两墙间组合结构设置外高内低(南高北低)，让越浪水舌有一个爬坡过程，增加阻力利于消浪。栅栏版每块重量760 kg，每块设置4个吊环，可作为钢索连接点，通过钢丝绳将相邻块体联系起来，形成联体排，即便下部出现不明显的板底脱空也不会造成硬化层损毁。

3.3 结论

根据以上论证，航道与码头之间的港池因边坡开挖改变了波浪的传播方向，遇风暴潮时折射波浪与沿围堰的行进波发生叠加，形成局部波能集中，产生局部大浪区，使第1道挡墙东部岸段上水较大。但越浪水体经过组合结构消减后，可较快消散。

当水位较高时，越浪趁势越过第1道挡墙，栅栏板可消减越浪能量；当水位很高时，挡墙位于水下，风暴潮上水成层状水体越过，护底栅栏板仍能消减层浪，遇到第2道墙后冲击力已经消减；当水位较低时，不易发生二次越浪，风浪冲击挡浪墙直立面，即便因波浪累积作用使得基础下部掏空，在加筋滤网+栅栏板的组合作用下不会造成结构塌陷，具备防护功能。

通过在护岸顶面采取“加筋滤网+栅栏板”组合消减越浪，从根本上解决了风暴潮对墙体的过度冲击。一消一排共同消减，减少对护岸、北侧路及附属结构的损坏，因此“两道防护墙+加筋滤网+小型栅栏板”技术改造有效。此方案利用栅栏板能消浪的特点，加筋滤网又不怕水、强度高、密度大，稳定性和耐久性(已被验证是良好的耐盐碱、潮湿环境材料)好的优势，解决了常年受潮水及风暴的侵害，彻底扭转了护岸严重损坏和对陆侧造成的影响。此技术施工周期短，可全面解决修复、加固和环保问题。

4 工程实施及效果

“两道防护墙+加筋滤网+栅栏板”工程方案实施按序进行，预制栅栏板、修复和加固外侧挡浪墙、修复加高内侧墙、修复破溃基础并压实、铺设加筋滤网、安装栅栏板、钢索连接实现整体防护。

施工工期短，2018年完成施工。2019年遇台风“利奇马”，监控显示风暴上水严重，持续时间长，经查相关气象数据，当时的瞬时风力达37.7 m/s，综合破坏力超出设计，挡墙结构未遭破坏。只出现了海水倒灌，未出现长时间越浪积水，证明该方案较好地解决了雨季和风暴潮时期的泥沙入海标准问题。

5 结语

“加筋滤网+栅栏板” 实现隔离水土、水压力快速消散，防止地基土体过大沉降。选用小尺寸栅栏板，重量小、结构简单、制作方便，利于质量和进度控制；可替换性好，易维护；工程设备易选择，比常规维修节省成本，施工工期短，能快速投入使用。栅栏板连接后整体性强、稳定性好，实用性和耐久性大大增加。能有效避免频繁维修，减少停运、停产。顺应环保提升理念，达到了环保提出的禁止泥水溢流入海的要求。

本文为护岸修复和改造提出了优质方案，为码头岸坡稳定和后方堆场及道路提供了安全保障。修复加固方案实施减少了直接损失，延长了设施使用寿命，解决了长期受水患侵袭的技术安全难题。对新建护岸防护设计提供了借鉴经验，为后期运营节约了大量维修成本，为其他港口护岸加固和防护施工提供了可行的经验。