广东沿海斜坡式防波堤台风破坏特征及其应对措施

施 斌，施腾源，马庆滨

(1. 广州航海学院，广东 广州 510725；2. 中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300；3. 广州正和工程检测有限公司，广东 广州 510470)

斜坡式防波堤是防波堤主要型式之一，在广东沿海的水运工程、水利工程中广泛用作港口防波堤、海岸护岸。近几年来，超强台风、强台风每年都登陆广东沿海，一些在建和已建斜坡式防波堤受到台风破坏，影响了港区正常使用并带来重大经济损失。对于斜坡式防波堤受台风破坏问题，一些工程技术专家针对具体案例做了分析研究，王亚东等人[1]对茂名港博贺港区在建斜坡式防波堤台风破坏后修复断面稳定性进行了断面模型试验研究，选取了不同设计水位、不同断面方案进行稳定性试验，提出在迎浪面设置戗台、堤顶护面块体全掩护的修复方案。罗大方等人[2]针对茂名港博贺港区在建斜坡式防波堤台风破坏形态，认为巨浪爬上外坡后以巨大动能与势能冲刷堤顶，冲垮堤顶内侧，导致堤身接连坍塌。李江峰等人[3]根据某核电厂岛礁附近防波堤整体模型试验，认为岛礁附近的防波堤外侧波能聚集，对防波堤堤顶稳定性影响大，提出提高堤顶高程和增大护面块体的方法。这些研究一定程度上揭示了台风对斜坡式防波堤产生破坏的特征，但对波浪作用于防波堤的特性、台风期水文条件没有综合研究。对已建防波堤台风破坏现象，目前也鲜有研究。本文在前人研究成果基础上并结合广东另外二例在建和已建防波堤台风破坏问题作进一步研究，供同类工程设计、施工参考。

1 广东沿海防波堤工程的水文气象条件

1.1 热带气旋

广东直面南海，西太平洋上生成的热带气旋每年都影响或登陆广东沿海，2014—2018年平均每年在广东登陆的热带气旋达4次，其中有超强台风1次，强台风6次，广东沿海各地每年都会受到2个以上热带气旋的影响。热带气旋一般出现在6—10月。

1.2 暴雨

广东热带气旋经过的地区都是狂风暴雨天气，一般能产生150～300 mm降雨量，少数热带气旋能产生 1 000 mm以上的特大暴雨，引发洪水。

1.3 风暴潮

台风临近和登陆时，台风影响范围内沿岸都将产生风暴潮。2018年山竹台风登陆广东省台山市，珠江口至阳江沿海产生110～280 cm风暴增水，茂名至雷州半岛东岸沿海产生80～120 cm风暴增水。2016年海马台风登陆广东汕尾鲘门镇，深圳至饶平一带沿海，风暴增水80～180 cm。台风如在湛江地区沿海登陆，湛江港、雷州半岛东岸沿海风暴增水值更大。

1.4 波浪

台风登陆时，风作用于海面，产生巨大波浪，直接影响防波堤、护岸建筑物。台风为波浪输入能量，使波浪成长、传播；波浪向海岸传播时，海底地形则对波浪传播起到摩擦、消耗能量作用，随着水深变浅，这种能量消耗作用越明显，使波高明显减少。同一位置不同设计水位，由于水深不同，波浪要素各不相同。

因此，斜坡式防波堤设计和施工时，不仅要考虑不同重现期的波高问题，计算水位、计算波高还要考虑到设计水位和台风期风暴潮增水问题。

2 台风破坏某斜坡式防波堤工程实例

2.1 台风对某在建防波堤的损坏

粤东某在建防波堤100年一遇高潮位+2.54 m，极端高水位(50年一遇高潮位)2.39 m，设计高水位+1.39 m。防波堤采取陆上推进施工，从堤根向堤头方向进行。典型断面堤心石底高程-6.82 m，堤心石顶高程+5.72 m。防波堤分2层施工，第1层堤心石从陆上开始推填至+3.5 m，随后进行垫层块石抛理、安装扭王字块至+3.0 m；第2层堤心石推填至+5.72 m，随即垫层块石抛理、安装扭王字块至设计堤顶高程。

2016年进行防波堤第1层陆上推进分段流水施工，堤心石推填、块石垫层抛填理坡、安装扭王字块工序流水步距50 m。2016年第4号台风“妮妲”在深圳大鹏湾登陆，最大风力14级，防波堤里程+300～+350 m堤段，已安装42t扭王字块至+3.0 m，堤心石填至+3.5 m，波浪将堤顶堤心石淘低、推落至港内侧，外侧+3.0 m处扭王字块部分倒落淘低的堤顶(见图1所示)；防波堤里程+350～+400 m堤端段，堤心石填至+3.5 m，未安装扭王字块，波浪将堤顶大部分堤心石推落至港内侧。2016年第22号台风“海马”在汕尾市海丰县鮜门镇登陆，最大风力14级，台风来临前，堤头部分堤心石推填至+3.5 m，为防台，堤身段海侧防波堤推填堤心石至+5.0 m，并理坡垫层施工、安装扭王字块，港侧防波堤推填至+4.0 m，并理坡垫层施工；堤头部分加抛大块石至+5.0 m；台风对未安装扭王字块的堤头损坏严重，堤头堤心石被推落到港内侧，与堤头相接的部分堤身，波浪将堤顶堤心石向内推移，淘低堤顶，外侧扭王字块向内推移，部分倒落淘低的堤顶(见图2所示)。

图2 台风“海马”损坏的某在建防波堤示意

2.2 台风对某已建防波堤的破坏

粤东某已建防波堤，堤头为直立沉箱结构，堤身段为抛石斜坡式结构。堤身主体采用抛填 1～1 000 kg 块石，堤外侧采用扭王字块护面，与堤头连接段内侧采用扭王字块护面，其余段内侧采用栅栏板护面，堤顶作通道设置L型挡墙，挡墙在堤顶内侧。2018年“山竹”台风在江门市台山海宴镇登陆，最大风力15级。受台风生成的波浪影响，与堤头相接的80 m连接段，堤身外侧原可视部分扭王字块、垫层块石滚落海中，其中与堤头相接的50 m段，堤顶部分堤心石淘空，堤顶通道板断裂倾斜；连接段以内230 m长堤段，堤外侧部分扭王字块、块石推移到堤顶通道，部分扭王字块、块石滚落海中(见图3所示)。

图3 台风“山竹”损坏的某防波堤示意

3 波浪破坏斜坡式防波堤的原因分析

斜坡式防波堤港外侧、港内侧一般均为斜坡，也有港内侧为直立式兼作码头使用。对于港外、港内侧均为斜坡的防波堤，其断面组成由内向外为堤心石、垫层、护面层，堤顶为护面层或为胸墙和通行道。护面层(堤身两侧)是斜面，护面块体间空隙大；垫层也是斜面，施工质量良好时斜面较平整，垫层大块石间由小块石填充，但垫层块石间仍有空隙；堤心石也有空隙。

广东沿海台风期，常存在台风、天文大潮、台风带来的暴雨叠加现象，与正常潮汐比较，有风暴潮增水现象，台风登陆或受台风影响时的实际高水位已经高于设计高水位，接近极端高水位。根据斜坡式防波堤结构型式、防波堤施工期和使用期台风破坏实例分析，对于允许越浪的防波堤或者施工期分层施工的防波堤，外海波浪向近岸传播时，受斜坡式防波堤的阻挡，波浪的波峰部分冲击护面层并穿透护面层，大部分沿垫层向上爬坡，还有小部分穿透垫层进入堤心层；爬坡的波峰对护面块体、垫层块石产生斜向向上的冲击力，特别是对堤顶附近护面块体、垫层块石(尤其是施工期未安装护面层时)产生冲击、顶托、向内侧推移作用；施工期堤顶施工未完成时，爬坡的波舌越浪冲刷堤顶质量较小的堤心石，使堤心石滚动、冲落到堤内侧，堤顶形成凹坑，诱发堤外侧垫层块石、护面块体滑落凹坑。当堤外侧波浪的波峰越过后，此时波浪进入波谷状态，爬坡水体沿垫层斜面回落，水体回落和波谷状态的波浪对护面块体、垫石块石产生向下冲刷和下吸力，对护面块体、垫层块石(施工期未安装护面层时)产生下拉、滑动、滚动作用。波浪对堤外侧的反复作用，使块体和块石松动、滚动脱落，导致防波堤损坏。

4 斜坡堤工程防台建议与措施

4.1 施工阶段斜坡堤工程防台建议与措施

由台风引起的在建斜坡式防波堤损坏在广东沿海防波堤施工中时有发生，台风来临或登陆时，海上水深越大波高越大，波浪越大对防波堤的损坏越大。斜坡堤施工必须合理安排施工期，尽量在台风前完成施工；或者台风频发期进行近岸段(水深浅，波浪小)施工，非台风频发期进行堤头深水段施工。台风期施工时，要缩短流水施工步距，台风来临前，尽量完成成形段外侧理坡、垫层施工和安装护面块体，形成对堤身的保护，减少裸露堤心石的长度。

由台风产生的某斜坡式防波堤损坏现象可见，在建防波堤的损坏主要是波浪冲刷未受防护的堤心石引起。按防波堤设计与施工规范[4]中堤心石构造要求，堤心石可采用10～100 kg，深水斜坡堤最大颗粒重量可采用800 kg，由此可见，大部分堤心石重力轻，在波浪力作用下易掀起、移动。因此，在台风引起的波浪力作用下堤心石的稳定是防止台风损坏在建防波堤的关键。文献[2]介绍了茂名博贺港区防波堤施工中，针对多次受台风影响，堤外侧波浪顺外坡爬坡至堤顶，冲刷堤顶处堤心石，导致堤身接连坍塌问题，采取在堤顶灌砌大块石使堤顶块石连成整体(灌砌的大块石应使块石尖角露出混凝土面，以保证与其上垫层、现浇混凝土胸墙保持摩擦力，并设竖向排水孔)的措施，有效抵御台风期波浪冲刷。因此，建议在同类工程施工中，为防止台风对在建防波堤影响，在台风来临前，对未受护面块体护面的堤心石、垫层等采用大块石压面或混凝土灌砌大块石护面。此外，沿防波堤纵向分条施工，加大海侧堤心石推填高程，及时进行海侧垫层块石施工和安装护面块体，可有效减少波浪爬坡后对堤顶堤心石的冲刷破坏。

斜坡堤的施工质量对防波堤的防浪能力也有较大影响，斜坡堤海侧坡脚处块石棱体、肩台的施工质量，垫层块石的重量与坡度，护面块体的安放等直接影响挡浪能力，必须严格按照规范和设计要求施工。

4.2 防波堤防台设计优化建议

防波堤设计与施工规范中斜坡堤计算规定：短暂状况，对未成型的斜坡堤进行施工期复核时，计算水位可采用设计高水位和设计低水位，波高的重现期可采用2～5 a。台风在广东沿海登陆时，都会在台风影响区域内产生风暴潮，高潮位叠加风暴潮增水，受影响区域内水位接近甚至达到极端高水位，因此，斜坡堤进行施工期复核计算和波浪模型试验时，建议也应按极端高水位和对应的波高条件进行。

当斜坡堤堤顶作通道时，规范提出宜在堤顶设置胸墙，胸墙的型式可采用L型、反L型和弧形，胸墙位置没有规定在海侧还是港侧，但在斜坡堤断面型式图中胸墙位于海侧。斜坡堤设计实践中，某些防波堤胸墙设置在港侧，这样布置，当斜坡堤受到台风袭击时，海侧护面块体、块石在波浪斜向冲击作用下，堤顶通道板高度不能有效阻挡波浪对护面块体、块石的顶托、向内推移作用，导致部分护面块体、块石被冲上堤顶，部分块体滚落海中，斜坡堤逐步破坏(见图3)。因此，胸墙应设置在海侧。

防波堤堤头和近堤头段通常是水深大、流速大、波浪大，如果堤头采用直立式而堤身采用斜坡式，在其结合部，由于波浪对直立式和斜坡式的作用形态不同，波浪对结合部防波堤的作用更为复杂，当波浪正向作用于直立式堤头时，直立式和斜坡式连接处的护面块体、垫层块石最容易失稳，从而导致连接段斜坡堤破坏。因此，斜坡堤堤头慎用直立式，防波堤如近岸段采用斜坡式、离岸段采用直立式，直立式和斜坡式连接处宜设在波浪较小处。

5 结语

波浪对斜坡堤的影响以及产生影响的条件、因素很复杂，但主要与波浪大小、波浪方向、水位、斜坡堤材料(堤心石、垫层块石、护面块体)重力等有直接关系。同样等级的台风，水位高(水深大)台风产生的波高大，对斜坡堤堤顶的破坏作用大，斜坡堤设计要考虑到台风引起的风暴潮因素；堤头处水深大、风浪大，堤头结构型式应与深水段堤身一致；堤顶设置胸墙时，胸墙应设置在堤顶海侧。斜坡堤施工过程中遇到台风影响，施工单位必须根据施工现场的自然条件及施工现状，制定有效防台措施，可采取对堤心石、垫层等用大块石压面或混凝土灌砌大块石护面、加大海侧堤心石推填高程并及时进行垫层施工和安装护面块体等措施。