趙雁飛，楊文斌

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

近年來，我國沿海地區(qū)大部分護(hù)岸建設(shè)年限已久且設(shè)計(jì)抗風(fēng)浪等級(jí)偏低，每次遭遇臺(tái)風(fēng)襲擊時(shí)，都會(huì)遭受不同程度的損壞，直接威脅后方陸域的安全。本文以我國東南沿海某護(hù)岸受臺(tái)風(fēng)損毀修復(fù)工程為依托，通過研究，確定合理的修復(fù)方案，可為類似護(hù)岸修復(fù)工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

依托項(xiàng)目位于我國東南沿海，該護(hù)岸原設(shè)計(jì)為寬肩臺(tái)拋石斜坡式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)頂高程5.5 m，設(shè)計(jì)堤頂寬度約12.5～20 m，堤頂里側(cè)設(shè)有高1.5 m的子堰。堤身外坡采用300～900 kg大塊石護(hù)面，內(nèi)坡拋填開山石渣，作為堤身后方吹填料的倒濾結(jié)構(gòu)層。

因遭受2018年9月16日超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”的襲擊，護(hù)岸損毀嚴(yán)重、護(hù)面塊石被卷走，堤頂被完全破壞，嚴(yán)重威脅堤身安全穩(wěn)定，需對(duì)其進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)，修復(fù)總長約1 300 m。

本工程設(shè)計(jì)高水位2.26 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫峦?，設(shè)計(jì)低水位0.22 m，極端高水位3.56 m，極端低水位-0.48 m。工程海域所在海區(qū)常浪向SE向，頻率34.22 %；次常浪向ESE向及SSE向，頻率分別為10.66 %和9.46 %；無浪頻率11.4 %；強(qiáng)浪向SE向。

1.2 護(hù)岸堤身破壞情況

護(hù)岸在該次臺(tái)風(fēng)危害中，頂面損毀嚴(yán)重，迎浪側(cè)基本被摧毀，中部區(qū)域損毀最為嚴(yán)重，其中有長度約666 m 區(qū)段，形成一條寬約13 m 的碎石帶，堤身頂面下降約2.5～3 m。在此過程中，部分塊石也被帶入臺(tái)風(fēng)上水區(qū)。護(hù)岸頂部設(shè)置的防護(hù)網(wǎng)及簡易道路被完全摧毀。

堤底多波束水下地貌圖顯示，雖然護(hù)岸坡度對(duì)原設(shè)計(jì)斷面坡度明顯放緩，但是護(hù)岸坡底線整體仍呈直線，護(hù)面塊石呈規(guī)律分布；發(fā)現(xiàn)潰堤區(qū)域有三處，潰堤區(qū)域呈扇狀，發(fā)散分布。以潰堤A 區(qū)為例，共分為4 個(gè)突出點(diǎn)，長度約137.8 m，總面積約2 438 m2，最遠(yuǎn)擴(kuò)散至 26.1 m，塊石大小不一，粒徑從1.16×0.61 m～2.77×1.83 m，塊石重量0.56～4.56 t。

1.3 損毀原因分析

護(hù)岸建成已十余年，曾數(shù)次遭受臺(tái)風(fēng)、大浪的沖擊出現(xiàn)過不同程度的損壞，幾經(jīng)修復(fù)效果仍不明顯。根據(jù)現(xiàn)場測量、檢測和有關(guān)研究成果，初步分析堤身損毀有以下原因：

1）護(hù)岸原設(shè)計(jì)作為納泥塘圍堰使用，圍堰外側(cè)規(guī)劃建設(shè)碼頭或岸壁等永久性結(jié)構(gòu)；原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為三級(jí)，設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期采用的是二十五年一遇，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)波高及周期分別為H1/3=2.8 m，T=6.0 s。由于形勢(shì)的發(fā)展和規(guī)劃的改變，圍堰外側(cè)未進(jìn)行永久結(jié)構(gòu)的建設(shè)，多年來圍堰一直作為護(hù)岸結(jié)構(gòu)使用，則設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于護(hù)岸結(jié)構(gòu)偏低，設(shè)計(jì)波浪要素取值也偏小，導(dǎo)致遭遇極端工況時(shí)，護(hù)岸堤身很容易發(fā)生破損。

2）護(hù)岸原設(shè)計(jì)采用寬肩臺(tái)式拋石斜波堤結(jié)構(gòu)，作為臨時(shí)圍堰使用基本可行，但若將其作為永久護(hù)岸使用時(shí)，則斷面尺度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在明顯不妥之處。護(hù)岸原設(shè)計(jì)斷面及受損后斷面見圖1。寬肩臺(tái)結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是容許外側(cè)堤身斷面在波浪作用下發(fā)生變形，直至外坡形成一種動(dòng)態(tài)平衡。由于構(gòu)成寬肩臺(tái)的護(hù)面塊石空隙較大，當(dāng)波浪通過寬肩臺(tái)時(shí)，將產(chǎn)生較大的能量損失，其能量也是導(dǎo)致護(hù)面塊石松動(dòng)變位的主要原因。

圖1 護(hù)岸原設(shè)計(jì)斷面及受損后輪廓示意圖

2 難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

1）遭受臺(tái)風(fēng)“山竹”襲擊后，護(hù)岸受損嚴(yán)重，局部點(diǎn)位出現(xiàn)潰堤現(xiàn)象。在此之前，歷年來每次臺(tái)風(fēng)過境后，堤身均有不同程度破損，業(yè)主自行拋填大塊石進(jìn)行修護(hù)，導(dǎo)致堤身結(jié)構(gòu)情況非常復(fù)雜；

2）修復(fù)方案依托現(xiàn)狀堤身，根據(jù)用海政策，修復(fù)工程施工不得超過當(dāng)?shù)?018 年批復(fù)岸線及現(xiàn)有海域使用權(quán)證范圍，而當(dāng)?shù)?018 年批復(fù)岸線及現(xiàn)有海域使用權(quán)證邊線均距離護(hù)岸軸線很近，為了形成更大面積可供使用的后方陸域，導(dǎo)致護(hù)岸邊坡坡度很陡，不得不突破規(guī)范條文“護(hù)岸的邊坡坡度可采用1:1.5～1：3.5”中的最小值；

3）本工程設(shè)計(jì)波浪要素平均周期13.1 s，規(guī)范中雖對(duì)堤身外坡護(hù)面塊體重量給出了計(jì)算公式，但仍有表述“對(duì)于設(shè)計(jì)波浪平均周期大于10 s或設(shè)計(jì)波高與設(shè)計(jì)波長之比小于1/30 的坦波，塊體重量應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)并需進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證”，護(hù)面塊體穩(wěn)定重量需進(jìn)一步研究；

4）本工程修復(fù)方案基于臺(tái)風(fēng)損毀后的現(xiàn)狀堤身，水下拋石棱體盡量利用現(xiàn)狀大塊石，受陸域邊線及海側(cè)紅線之間寬度制約，棱體頂面高程很難滿足規(guī)范中“不宜高于設(shè)計(jì)低水位以下 1.0倍設(shè)計(jì)波高值”，部分區(qū)段的寬度也難以滿足深水堤不宜小于5 m 的建議值，拋石棱體的穩(wěn)定無法保證，需通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)構(gòu)修復(fù)設(shè)計(jì)思路

本次修復(fù)工程的設(shè)計(jì)中適當(dāng)提高了原護(hù)岸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)的永久護(hù)岸結(jié)構(gòu)考慮，按照50 年一遇波浪設(shè)計(jì)。

1）臺(tái)風(fēng)襲擊后，護(hù)岸頂部基本不存在護(hù)面結(jié)構(gòu)。如仍按寬肩臺(tái)結(jié)構(gòu)考慮，根據(jù)重新推算的設(shè)計(jì)波浪核算，堤頂塊石重量嚴(yán)重不滿足規(guī)范要求，若再遭遇極端天氣，堤頂可能出現(xiàn)更嚴(yán)重破壞。

2）本次設(shè)計(jì)堤身外坡護(hù)面塊體擬采用扭王字塊體，由于波高和周期均增大明顯，設(shè)計(jì)波浪平均周期13.1 s 大于10 s，超出了規(guī)范公式的建議適用范圍，護(hù)面塊體重量需通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證后確定。

3）適當(dāng)增加堤頂高程，設(shè)置胸墻結(jié)構(gòu)，減少堤頂越浪對(duì)護(hù)岸后方陸域的影響。按照基本不越浪的標(biāo)準(zhǔn)，保證擋浪墻計(jì)算穩(wěn)定，并考慮盡量減少越浪量，將堤頂高程由根據(jù)規(guī)范波浪爬高公式計(jì)算確定的7.5 m 提高到9.5 m，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

4）受限于用海和環(huán)保政策，為形成更大面積的后方陸域，大部分結(jié)構(gòu)段外坡坡度采用1:1.25，為規(guī)范中安放人工塊體斜坡式防波堤邊坡坡度的最大值。

5）修復(fù)方案基于臺(tái)風(fēng)損毀后的現(xiàn)狀堤身，水下拋石棱體利用現(xiàn)狀大塊石。棱體的頂面高程設(shè)置在-1.0～-5.0 m，難以滿足規(guī)范中不高于設(shè)計(jì)低水位以下1.0 倍設(shè)計(jì)波高值的要求，且塊體坡腳前平臺(tái)最窄處寬度為3.7 m，小于規(guī)范中5 m的建議值，其穩(wěn)定性均需通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

6）初步修復(fù)方案利用現(xiàn)狀堤身下部堆積的大塊石，將位于波浪打擊區(qū)范圍現(xiàn)狀堤身上部開挖后利用現(xiàn)狀堤身大塊石作為墊層，對(duì)于現(xiàn)狀堤身上部則在適當(dāng)回填堤心石并理坡后鋪設(shè)一層500～800 kg 塊石墊層，根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算，選用10 t 扭王字塊體護(hù)面。利用現(xiàn)狀堤身下部堆積的大塊石作為波浪打擊范圍以外的棱體塊石。堤身頂部設(shè)混凝土擋浪墻。

7）通過斷面物理模型試驗(yàn)，研究扭王字塊體和水下拋石棱體的穩(wěn)定性、護(hù)岸上水及越浪情況，形成合理可行的修復(fù)設(shè)計(jì)方案。

4 模型試驗(yàn)成果及優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)斷面物理模型試驗(yàn)成果，在極端高水位重現(xiàn)期50 年不規(guī)則波浪作用下，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)胸墻穩(wěn)定，迎浪側(cè)10 t 規(guī)則擺放扭王字塊體出現(xiàn)失穩(wěn)，坡腳2排塊體向海側(cè)滾落滑移，坡面塊體在波浪作用下出現(xiàn)大面積擺動(dòng)，坡肩處塊體出現(xiàn)較大縫隙。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用13 t 規(guī)則擺放扭王字塊，墊層塊石規(guī)格調(diào)整為650～1 300 kg塊石，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)斷面見圖2。同時(shí)將塊體坡腳前棱體頂面平臺(tái)寬度改為最不利的3.7 m 進(jìn)行模型試驗(yàn)。

在極端高水位重現(xiàn)期50 年不規(guī)則波浪作用下，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)胸墻穩(wěn)定，迎浪側(cè)13 t 規(guī)則擺放扭王字塊體出現(xiàn)失穩(wěn)，坡腳2 排塊體向海側(cè)滾落滑移，坡面塊體在波浪作用下出現(xiàn)大面積擺動(dòng)，坡肩處塊體出現(xiàn)較大縫隙，試驗(yàn)照片見圖3。

圖3 波浪作用下護(hù)面塊體失穩(wěn)

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，將設(shè)計(jì)低水位以下塊體改為隨機(jī)安放，以上仍采用規(guī)則擺放。試驗(yàn)4 h 后，坡腳處塊體出現(xiàn)滾動(dòng)，試驗(yàn)照片見圖4。

圖4 波浪作用下坡腳塊體滾落

分析護(hù)面塊體失穩(wěn)原因：規(guī)則擺放塊體間整體性較好，在波浪作用下所受波浪力較大；且坡面上塊體較多（13 排），對(duì)下部坡腳支撐要求較高；斷面所在位置實(shí)際水深為-12 m，塊體坡腳底高程為-5 m，恰處于波浪作用較強(qiáng)位置，波浪破碎沖擊較大。

在優(yōu)化方案一的模型試驗(yàn)中，護(hù)面坡腳前棱體頂面平臺(tái)寬度約為3.7 m，不滿足規(guī)范不小于5 m的要求，此外坡腳前平臺(tái)寬度對(duì)波浪破碎也有一定影響，因此優(yōu)化方案二中，對(duì)不同坡腳前平臺(tái)寬度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證寬度分別為5 m 和7.5 m。

坡腳塊體前平臺(tái)寬度為5 m 時(shí)，在不同水位重現(xiàn)期為50 年波浪作用下，坡面處塊體有輕微晃動(dòng)，坡腳處最外側(cè)塊體有擺動(dòng)，但擺動(dòng)幅度未超過0.5倍塊體尺寸，也未出現(xiàn)明顯位移，可認(rèn)為臨界穩(wěn)定。坡腳塊體前平臺(tái)寬度為7.5 m 時(shí)，在不同水位重現(xiàn)期為50 年波浪作用下，坡面處塊體有輕微晃動(dòng)，坡腳處最外側(cè)塊體穩(wěn)定。試驗(yàn)后照片見圖5，坡腳塊體前拋石棱體寬度不小于5 m 時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，優(yōu)化方案二可行。

圖5 優(yōu)化方案二試驗(yàn)后照片

在優(yōu)化方案一中，波浪恰在-5 m 平臺(tái)處破碎，對(duì)坡腳塊體沖擊較大，故優(yōu)化方案三將坡腳塊體替換為水泥擋塊。試驗(yàn)中分別對(duì)坡腳擋塊前平段寬度5 m、設(shè)計(jì)低水位以下坡面處護(hù)面塊體隨機(jī)安放和擋塊前平段寬度3.7 m、坡面處護(hù)面塊體規(guī)則擺放兩種情況進(jìn)行模擬。

坡腳水泥擋塊前平臺(tái)寬度為5 m、下部塊體隨機(jī)安放條件下，在不同水位重現(xiàn)期為50 年波浪作用下，坡面處塊體有輕微晃動(dòng)，坡腳處水泥擋塊穩(wěn)定。坡腳水泥擋塊前平臺(tái)寬度為3.7 m、塊體規(guī)則擺放條件下，坡面處塊體出現(xiàn)大面積擺動(dòng)，盡管在波浪連續(xù)作用4 h 后，未出現(xiàn)塊體脫出等現(xiàn)象，但存在較大危險(xiǎn)性。究其原因主要是規(guī)則擺放塊體整體性較好，受波浪荷載較大，且規(guī)則擺放勾連效果好，在波浪作用下易出現(xiàn)大面積運(yùn)動(dòng)，因此最終修復(fù)方案將設(shè)計(jì)低水位以下塊體改為隨機(jī)安放形式，坡腳塊體前棱體平臺(tái)寬度不足5 m 的區(qū)段坡腳塊體均改為尺寸更小的水泥擋塊，保證拋石棱體平臺(tái)寬度不小于5 m。

5 結(jié)論

1）修復(fù)方案斜坡堤墊層塊石及拋石棱體利用現(xiàn)狀300～900 kg 大塊石，極大的降低了工程造價(jià)。突破規(guī)范并經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，采用1:1.25的陡坡設(shè)計(jì)，既體現(xiàn)了集約型使用海域的要求，又增大了陸域使用面積，尤其在土地資源稀缺的大城市港口，其經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

2）本工程設(shè)計(jì)波浪要素平均周期13.1 s，底高程約為-12.0 m，根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算的人工護(hù)面塊體重量為 10 t。修復(fù)方案坡腳處底高程為-1.0～-5 m，由于修復(fù)結(jié)構(gòu)前有塊石堆坡，造成結(jié)構(gòu)前水深波高均較大，波浪破碎現(xiàn)象明顯，而修復(fù)結(jié)構(gòu)整體恰處于破碎波浪作用較強(qiáng)位置，受破波沖擊較大，導(dǎo)致破浪作用范圍內(nèi)根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算的10 t 重的人工塊體出現(xiàn)失穩(wěn)滑移，經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證后將護(hù)面塊體重量增大至13 t 方可滿足穩(wěn)定要求。本工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也驗(yàn)證了在大于10 s 的較長周期波浪作用下，按規(guī)范公式計(jì)算所得的塊體重量應(yīng)予適當(dāng)增大，并進(jìn)行物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

3）坡腳處塊體在最不利損壞剖面條件下，在坡腳塊體前平臺(tái)寬度為5 m 時(shí)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，在坡腳塊體前平臺(tái)寬度為7.5 m 時(shí)基本穩(wěn)定，但出于工程安全考慮迎浪側(cè)拋石棱體平臺(tái)寬度不足時(shí)，坡腳塊體采用尺寸更小重量更大的水泥擋塊，且在擋塊前或塊體前平臺(tái)寬度均不宜小于5 m。

4）護(hù)面塊體采用規(guī)則擺放方式，勾連效果好，塊體整體性較好，但透水性劣于隨機(jī)安放，在波浪作用下若塊體重量不足易出現(xiàn)大面積連鎖運(yùn)動(dòng)，且在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角、坡肩等位置擺放較困難，采用隨機(jī)安放的形式抗浪效果更好。修復(fù)方案在設(shè)計(jì)低水位以上采用規(guī)則擺放，整體性好且外形美觀，設(shè)計(jì)低水位以下采用隨機(jī)安放，穩(wěn)定性好且易于施工。目前我國沿海很多港口存在退港還民，異地搬遷等需求，本工程護(hù)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)有美觀性需求的沿海城市海堤、護(hù)岸等項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了一種可以借鑒的護(hù)面塊體擺放形式。