深水斜坡堤破坏致因分析及修复方案研究*1

胡曦光，于定勇

(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，山东 青岛 266071)

深水斜坡堤破坏致因分析及修复方案研究*1

胡曦光1,2，于定勇1

(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，山东 青岛 266071)

以沿海某船厂防波堤破坏为背景，通过总结深水防波堤的设计方法，对比新、老防波堤规范关于深水防波堤不同的要求，在分析该船厂防波堤破坏原因的基础上，提出修复设计方案，并通过物理模型试验验证，对该方案进行优化。

深水斜坡堤；破坏；致因分析

山东某船厂防波堤兼码头外侧防波堤在2012年第0006号台风“布拉万”影响下，发生严重破坏，造成多处挡浪墙坍塌，护面块体失稳，码头面破碎、淘刷悬空等问题。事故带来了巨大的经济损失，并严重影响了船厂舾装码头的生产作业。

由于此处防波堤水深约20 m，属深水斜坡堤。它的断面设计和结构构造均与浅水堤存在差异，应引起足够重视。这次破坏的一个重要原因就是未能全面考虑深水斜坡堤的特点。

1 深水堤与浅水堤的异同分析

1.1 深水斜坡堤设计

目前，海岸工程界普遍认为深水斜坡堤在波浪作用机理上与浅水斜坡堤没有本质的不同，而不同之处在于工程环境发生变化，工程地点浪大水深，施工控制难度成倍增加，导致其断面型式、结构尺度、构造措施、施工方法等都与浅水堤有较大的差别。总结一些关于深水堤设计的建议如下：

1.1.1 护面块体的型式

深水斜坡堤的迎浪面不宜采用四脚空心方块和栅栏板等规则型人工块体[1]，因为规则块体主要依靠自身重量来稳定，在外海大浪作用下个别失稳往往导致局部大面积失稳。所以应尽量考虑采用有互相嵌固、钩连的人工块体型式，常见的有扭工字块体、扭王字块体。另外，根据欧洲某研究机构关于世界众多使用扭王字块护面块体的工程研究发现，不设肩台斜坡面上的人工块体个数不应超过18块。

1.1.2 构造要求

传统防波堤堤心石一般采用10～100 kg块石，对深水斜坡堤堤心石可采用1～800 kg开山石[2]。另外，由于深水斜坡堤断面尺度大、水深大、施工难度也大，因此，相对一般斜坡堤原来构造要求的尺度均应加大，如堤身、堤头的护底范围、坡脚棱体的厚度和宽度等。

1.1.3 关键计算方法

1)肩台高程

理论和试验研究表明[3]，波浪的能量大部分集中在水体的表层，在静水面以下2倍与3倍波高的水层厚度内分别集中了90%和98%的波能。因此，深水斜坡堤肩台顶高程不宜高于计算水位以下1.0倍波高。相关的试验研究表明，相同的人工块体在平面上以及平面与坡面相接处稳定性较差。

2)护面块体稳定重量

在波浪正向作用，并且波浪不发生破碎的情况下，防波堤肩台上、下护面块体的稳定重量仍可按Hadson公式计算，但根据不同情况，稳定系数取值应有所不同。

1.2 新、旧《防波堤设计与施工规范》中深水防波堤的叙述

随着港口建设向水深、浪大、自然条件更为恶劣地区发展，大型深水斜坡堤工程实践越来越多，JTS154-1-2011 《防波堤设计与施工规范》[4]专门增加了针对深水斜坡堤的规范条款。根据2011版[4]、1998版[5]防波堤规范内容的对比，说明以下方面在设计中应有别于一般防波堤，详见表1。

表1 新版防波堤规范增加的深水斜坡堤内容汇总表Table 1 Aspects of deepwater mount breakwater added in the new version of breakwater specifications

注：空白处无内容

2 山东某船厂防波堤原设计方案及破坏情况

2.1 原设计概况

1)设计条件

表2 设计条件汇总表Table 2 Summary of the designing conditions

注：空白处无内容

2)平面布置

山东某船厂舾装码头总长1 204 m，构成了U型港池，包括直立式岸壁、防波堤兼码头和顺岸码头。防波堤兼码头外侧防波堤为抛石斜坡式结构，防波堤总长719.34 m，包括北段和东段，其中东段在台风“布拉万”影响下发生严重破坏。

3)原水工建筑物结构

防波堤为抛石斜坡堤。堤心是10～100 kg块石，护面安放一层7 t扭王字块体。坡度为1∶1.7。在堤顶设挡浪墙，墙顶标高7.5 m。在-7.8 m处设抛石棱体，顶宽4 m，坡度1∶1.7。抛石棱体为抛填700 kg以上大块石。面层结构采用现浇C30混凝土(图1)。

图1 原设计断面图Fig.1 Sectional view of the originally designed breakwater

2.2 破坏情况

防波堤在2012年第0006号台风“布拉万”影响下，发生严重破坏。主要破坏内容：

1)防波堤护面块体(7 t扭王字块)失稳、断裂，在K0+155～K0+305、K0+405～K0+525段，护面块体全部缺失。

2)K0+100～K0+260、K0+520～K0+580段堤顶挡浪墙发生倾倒、破碎或折断，其余挡墙也不同程度发生开裂，倾斜以及沉降等显现。

3)挡浪墙后方地坪破碎塌陷面积达1 400 m2，地坪下方淘刷悬空达1 200 m2。破坏发展最宽处，至门机后轨道梁边缘(破坏现场详见图2)。

图2 防波堤破坏现场(2012-09)Fig.2 The site of the breakwater destruction (September 2012)

2.3 破坏原因分析

1)原推算波浪偏小，使护面块体重量偏小，在台风作用下失稳。并且从防波堤上可见断裂的扭王字块体推断，在波浪作用下护面块体发生了大量运动，相互碰撞导致块体断裂。

2)下部棱体顶高程较高，大块石重量较小，在波浪打击下堤脚棱体失稳，在破坏后断面测量图中该处淘刷非常明显。棱体失稳后护面块体沿坡下滑，使护面大面积失稳。

图3 破坏后断面测量图Fig.3 The cross section plotted based on the measurements after the breakwater destruction

3)当波浪在斜坡堤上破碎，会形成很强的沿堤水流，对下部抛石棱体及坡脚形成很大的冲击淘刷，从而严重影响坡脚稳定。本工程海底为裸露岩基，当岩面局部向海侧倾斜时，块石极易失稳，原设计没有设护底块石，可能是导致坡脚被淘刷的一个原因。

4)根据防波堤设计与施工规范，防波堤顶肩部应能摆放2排人工块体，但原设计图顶宽1.826 m，只能安防一排人工块体。该处很容易失稳，并导致挡浪墙前部和底部块石被淘刷。

5)挡浪墙上部抗剪承载力不足，并且施工中分层现浇砼结合不良，导致墙体破坏。

3 修复设计方案

3.1 自然条件

1)基准面：高程基准面采用当地理论最低潮面，位于1985国家高程基准以下1.23 m。

2)设计水位

设计高水位：2.30 m； 设计低水位：0.16 m；

极端高水位：3.40 m； 极端低水位：-0.87 m。

3)波浪要素(表3、表4)

表3 工程区在极端高水位(3.40 m)情况下波浪要素计算结果(波高：m 周期：s)Table 3 Calculations of waves in the engineering area at extreme water level 3.40 m(Wave height: m;Wave period: s)

表4 工程区在设计高水位(2.30 m)情况下波浪要素计算结果(波高：m 周期：s)Table 4 Calculations of waves in the engineering area at designed water level 2.30 m(Wave height: m;Wave period: s)

4)工程地质

工程区范围内自上而下分为3层。现分述如下：

(1)淤泥

灰黑色，饱和，流塑～软塑状，刀切面粗糙，无光泽，具腥臭味，污手。在工程区域零星分布，最大厚度0.70 m。

(2)细砂

灰色，饱和，呈松散状，主要为石英颗粒，分选磨圆较好，混少量淤泥、云母细片，偶有贝壳碎片，夹碎石。场区海域普遍分布，最大厚度0.30 m。

(3)强风化花岗岩

灰褐色、灰色，花岗结构，块状、条带状、片麻状构造，岩石破碎，裂隙很发育，岩芯呈碎块状，透水性良好。为硬质岩石强风化带，岩体完整程度为破碎，碎裂状结构。场区海域普遍分布。

3.2 修复加固方案

1)建筑物种类：斜坡式防波堤，50T塔式起重机轨道梁，码头面层。

2)工程结构安全等级：二级。

3)设计荷载：

(1)波浪：详见“自然条件”；

(2)舾装码头面层均布活荷载：30 kN/m2；

(3)结构自重力。

4)防波堤修复方案

将水下堆积物高出垫层坡面处的物料挖除并理坡，然后回填10～100 kg堤心块石。在防波堤最外侧抛填200～300 kg护底块石，顶高程-18.0 m。然后抛填2 t以上大块石蹬脚棱体，坡度1∶1.5，顶高程-10.0 m。护面安放一层12 t扭王字块体，在-0.7 m处设置消浪肩台一处，宽7 m，安放3排扭王字块体。护面下抛理500～700 kg块石垫层(两层)。堤顶设现浇C35F300钢筋砼挡浪墙，堤顶高程7.8 m。修复后码头面顶宽仍为25 m。

3.3 物理模型试验

1)试验内容

试验共进行了2个原始断面和1个修改断面的稳定、越浪和波压力试验。试验工况详见表5。

表5 试验工况一览表Table 5 List of test conditions

2)试验结果

试验结果详见表6。

3)试验结论

(1)各断面胸墙稳定，除波浪破碎处扭王字块体随波浪破碎运动发生晃动、抛填棱体部分出现个别大块石失稳外，各部位均稳定；

(2)各断面在极端高水位波浪作用下，越浪量较大，越浪冲击胸墙后的距离较远。

表6 稳定性和越浪情况试验结果表Table 6 Results from the stability and wave overtopping experiments

注：空白处无内容

3.4 方案优化调整

在经过物理模型试验验证后，设计断面的挡浪墙、扭王字块体、护底块石、蹬脚棱体的稳定性均满足要求，但在极端高水位、50 a一遇设计波浪条件下，越浪量较大；另外，经过调查，当地2 t以上的大块石在市场很难购买到，并且船厂现有可利用的500余块7 t扭王字块体。

针对这些情况，重新优化设计方案，调整结构型式：1)抬高消浪肩台使波浪在堤前更多破碎，以降低越浪量；2)降低蹬脚棱体顶面高程，减轻波浪对其冲击影响，以减小棱体块石规格；3)设计低水位1.0倍波高以下护面块体受力较小，适当减轻块体重量，并利用现有7 t扭王字块体；4)减少块石护底长度。

调整设计方案如下：堤身段在防波堤最外侧抛填200～300 kg护底块石，顶高程-18.0 m，宽度5 m。然后抛填700 kg以上大块石蹬脚棱体，坡度1∶1.5，顶高程-11.5 m。底部护面安放一层7 t扭王字块，共4块，顶高程-7.5 m；然后安放一层12 t扭王字块体，在1.3 m处设置消浪肩台一处，宽6.55 m，安放3排扭王字块体。护面下抛理500～700 kg块石垫层(两层)。堤顶设现浇C30F250砼挡浪墙，堤顶高程7.8 m(图4)。

优化方案经物理模型试验检验后，各个部位均满足稳定性要求。

图4 优化后最终断面图Fig.4 The final cross section after the optimization

4 结 论

对沿海某船厂防波堤破坏情况分析后，总结可能的破坏原因包括：原推算波浪偏小，使扭王字块体重量小，在台风作用下失稳破坏；下部棱体失稳后护面块体沿坡下滑，护面大面积失稳破坏；原设计没有设护底块石，导致坡脚被淘刷；原设计顶肩只能安防1排人工块体，容易导致挡浪墙前部和底部块石被淘刷。

针对破坏可能的致因，提出带肩台和蹬脚棱体，以12 t扭王字块体为护面的斜坡堤结构做为修复方案。并经断面物理模型试验验证后，优化了断面结构型式：抬高消浪肩台以使波浪在堤前更多破碎，以降低越浪量；降低蹬脚棱体顶面高程，以减小波浪和沿堤水流对其冲击影响；水下1.0倍波高以下护面块体受力较小，适当减轻块体重量，并利用现有7 t扭王字块体等。根据工程特点，还进行了越浪影响分析，在不影响舾装码头工作的情况下，适当控制挡浪墙高程，以减少工程投资。优化断面各个部位稳定性均满足规范要求。

[1]王美茹.深水防波堤设计方法初探[J].港工技术,2010,47(3):1-7.

[2]冯卫兵，金鹰，杨越，等.深水防波堤堤心石级配与沉降量对比分析试验研究[C]∥第十四届中国海洋(岸)工程学会讨论论文集(上册).北京:海洋出版社,2009:563-567.

[3]柳玉良.深水斜坡式防波堤结构形式及护面块体稳定性试验研究[J].中国港湾建设,2013(1):22-24.

[4]JTS154-1-2011 防波堤设计与施工规范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[5]JTJ298-98 防波堤设计与施工规范[S].北京:人民交通出版社,1998.

FailureCauseAnalysisandRenovatingPlanStudyonDeepwaterMoundBreakwaters

HUXi-guang1,2,YUDing-yong1

(1.OceanUniversityofChina,Qingdao 266100,China;2.TianjinPortEngineeringDesign&ConsultingCompanyLtd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLtd.,Qingdao 266071,China)

Taking breakwater destruction in a coastal shipyard as background,the method for designing the deepwater mount breakwater is summarized and the requirements of breakwater in the new and the old specifications are compared.A renovating plan is proposed for the breakwater on the basis of analyzing the causes of the breakwater damage in the shipyard and then optimized through experimental verification by using a physical model.

deepwater mound breakwater;destruction;failure cause analysis

2014-05-27

胡曦光(1983-)，男，工程师，主要从事港口航道与海岸工程咨询、设计方面工作.E-mail:huxiguang123@126.com

(杜素兰 编辑)

U656.3

A

1002-3682(2014)03-0047-08