某丁字坝工程受台风“圆规”影响损毁原因分析

詹坤豫 中交四航局港湾工程设计院有限公司

近年来，随着全球气候的变化，强等级台风出现的频次越来越高，造成的破坏性也越来越严重，许多上世纪或本世纪初设计及建设的海工建筑物在这些强台风或超强台风的作用下，因原工程采用较低的设计标准，原结构无法抵御超设计等级台风作用，造成结构失稳，进而形成不同程度的破坏，不仅失去了建筑物本身的工程作用，同时还造成了公共财产的损失。本文依托粤东某海域海岸带综合整治与修复项目丁字坝工程项目受台风”圆规”影响损毁事件，结合工程相关专题研究报告和建设过程记录资料，按现行行业标准、规范，对该工程受损丁字坝原设计建设方案进行结构安全性、耐久性计算复核，分析造成结构损毁的原因，提出修复意见与建议，同时为类似工程提供相关借鉴经验。

1.工程概况

本工程原为海岸带综合整治与修复项目，为整治岸滩因潮流运动淘刷侵蚀而建。在该海岸带侵蚀岸段布置5组垂岸丁字坝，间距约400m，自岸边起向海侧伸出。5组丁字坝（含堤头段）总长度为531m。其中一号、二号、三号、四号、五号丁字坝长分别为80m、80m、115m、106m、150m，堤顶高程均为2.5m。

堤身采用斜坡式结构方案，内外侧坡度均为1:1.5，堤心采用10～100k g 块石，堤顶与两侧坡面采用安放800 mm 厚2 t 四脚空心方块护面，块体下设置800 mm 厚100～200kg块石垫层，堤身两侧坡脚均采用W>300kg的块石棱体。坡脚两侧均设置顶宽5m 厚600 mm重60～150kg的护底块石，下方设置300mm的碎石垫层。

堤头段均采用斜坡式扭王字块护面结构型式，内外侧坡度均为1:1.5，堤心采用10～100kg块石，堤顶与两侧坡面采用安放1540mm厚的3t扭王块护面，块体下设置900mm 厚的50～300kg块石垫层，堤身两侧坡脚均采用W>300kg的块石棱体。坡脚两侧均设置顶宽为10m，厚600mm，重60～150kg的护底块石，下方设置300mm的碎石垫层。

2.丁坝损毁情况

受“圆规”台风的影响，五座丁字坝结构均有不同程度的损毁，根据检测结果，5组丁字坝的堤头基本坍塌，扭王字块散乱、稀疏，甚至部分或全部缺失，表明受损均较为严重，海床面存在部分散落的块石。靠近堤头段的堤身损坏较为严重，护面块2t四脚空心方块散乱、稀疏，部分缺失、移位。堤根、堤身中段损坏程度不大，护面块2t四角空心方块分布相对平顺，线条较为平顺，个别区域存在塌陷、松散，堤身两侧护面块存在滑落、堆积，海床有散落块石等现象。

综上，丁坝主体堤身结构虽损坏程度不大，但已失去抵抗原设计风浪的能力，特别是再次遭遇与“圆规”同等级甚至更高级别的台风时，整个主体结构也将遭受更为严重的破坏，给人民公共财产带来巨大损失。因此，需要从所在海区风浪条件入手，全面分析研究原设计波浪因素以及“圆规”台风要素、结合行业规范及标准，验算丁坝堤身结构，开展必要的波浪数学模型、断面物理模型、整体物理模型试验研究，为修复加固提供基础依据，进而为提出符合行业规范标准要求、安全稳妥、实施方便、经济合理的修复加固设计方案提供理论基础。

图1 堤身典型断面

图2 堤头典型断面

3.丁坝设计波浪要素分析[1]

3.1 原设计条件

根据原设计报告，本项目设计水位如下：

极端高水位:3.58m；设计高水位:1.80m；设计低水位:0.20m；极端低水位:-0.49m。

3.2 设计波浪要素分析

基于本项目周边的岸线与波浪方向，波浪推算组合为S、SE、E、NE方向，对应波浪要素与潮位为50年一遇极端高水位组合，其中四个方向波浪要素由本报告外海浪重现期推算结果给定，平均周期按照《港口与航道水文规范》（JTS145——2015）求取。选取丁字坝上5个波浪要素代表点，见图3。

图3 丁字坝上波浪推算代表点

根据小区域波浪推算结果，在四个不同方向波高到丁字坝前均有最大值，选取四个方向之中的最大值作为设计推荐值，按照《海港水文规范JTS 145-2-2013》中不同H13%/d与HF%/H13%的关系图换算得到各水位下丁字坝代表点波浪要素，见表1、表2。

表1 堤头段各代表点各向入射波浪重现期波浪推荐值

表2 堤身段设计高水位各代表点波高

4.主体结构复核[2]

4.1 护面块体结构复核

根据《防波堤与护岸设计规范》（JTS 154——2018）第4.3.7条，护面块体的稳定重量按下式进行计算：

式中：W为单个块体的稳定重量（t），γb为块体材料重度（kN/m3），扭王字块γb=24k N/m3；H为设计波高，取极端高水位下H13%的波高（H13%=4.57m）；KD为块体稳定系数，四角空心方块KD=14，扭王字块KD=16；γ为水的重度（kN/m3）；α为斜坡与水平面的夹角（°），扭王字块护面ctgα=1.5。

本次复核分别根据原设计波要素及数模报告推荐波要素进行复核，复核结果如表3所示。

表3 护面块体稳定重量计算复核（原设计文件波浪参数）

表4 护面块体稳定重量计算（数模报告推荐波浪参数）

根据《防波堤与护岸设计规范》（JTS154——2018）第4.3.7条，对于设计波浪平均周期大于10s的情况，块体重量应适当加强并需进行模型试验验证。根据本工程数模报告推荐的波浪资料，堤头段波浪平均周期大于10s，因此，应适当加强并宜进行模型试验对设计方案加以验证。

4.2 堤前护底块石的稳定重量和厚度

根据《防波堤与护岸设计规范》（JTS 154——2018）第4.3.22条，按如下公式计算堤前最大波浪底流速，结果见表5。

表5 堤前最大波浪底流速复核

根据《防波堤设计与施工规范》JTS154-1-2011中堤前护底块石的稳定重量表查得堤前护底块石的稳定重量为60～150kg。堤前护底块石的厚度按如下公式计算，结果见表6。

表6 护底块石厚度复核

5.受损原因分析

5.1 台风“圆规”影响因素

台风“圆规”实测资料如下：①最大风速为33.6米/每秒（12级），出现时段为12日19时（龟岛站）。②最高潮位为2.83m（黄海基准面），转换成当地理论最低潮面，其最高潮位为3.55m；出现时段为12日17时20分（惠来站）。③最大波高 4.8m。

原设计资料如下：①极端高水位：3.58m；（当地理论最低潮面）；②设计波高：H13%=3.21m。

经对比，台风“圆规”引起的工程区波浪超过了原设计的采用的波浪标准，台风引起的潮位基本与设计极端高水位持平，大波高叠加高水位，对水工结构安全造成了较大的风险，直接导致了丁字坝堤头的损毁及堤身的局部损坏。

5.2 结构因素

工程区波浪基本为长周期波，平均波长90 m 左右，5座丁坝总长分别为80m、80m、110m、106m、150m，短的不到1倍波长，长的也仅1.5倍波长，堤身区甚至堤头区水深较浅，易于出现破碎波。专题研究成果表明：采用“T”字型的堤身、堤头平面布置较常规“一”字型布置的丁坝，对海岸的保护范围及效果相对更好，但堤身、堤头间采用凹弯形式过渡，结构上不太顺直，易于产生波能集中和紊流，对坝体两侧护面块体的抗浪能力以及护底结构的防冲刷能力要求会更高。

6.结语

（1）台风“圆规”引起的工程区波浪超过了原设计的采用的波浪标准，且大波高叠加高水位，对水工结构安全造成了较大的风险，直接导致了丁字坝堤头的损毁及堤身的局部损坏，因此，台风因素是本次丁字坝受损主要原因。

（2）原丁字坝设计波浪等级偏低，近年来受强台风影响，粤东地区防波堤及护岸经常有损坏情况发生，应适当提高设计波浪等级。

（3）建议提高设计标准，更新水文资料、水深地形测量资料重新开展波浪数模推算，并引入近几年的台风资料，重新确定设计波要素，并根据设计波要素确定修复方案。

（4）加强堤头及堤身结构设计，适当增加堤头长度及堤头护面块体规格，另外，靠近堤头段的堤身深水条件与堤头基本一致，波、流条件相近，宜采用与堤头相同的设计波要素。

（5）做好堤头与堤身衔接段的过渡处理，避免堤头、堤身间采用凹弯形式过渡，以免产生波能集中和紊流，对坝体两侧护面块体以及护底结构造成不利影响。

（6）加强护脚及护底结构设计，防波堤经常由于棱体块石抗浪、流能力不足而导致局部失稳，继而导致护面块失去足够的支撑而失稳、滑落。因此，丁字坝两侧棱体顶面高程应避开波浪破碎带或提高块石规格。