廣東沿海斜坡式防波堤臺風破壞特征及其應對措施

施 斌，施騰源，馬慶濱

(1. 廣州航海學院，廣東 廣州 510725；2. 中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；3. 廣州正和工程檢測有限公司，廣東 廣州 510470)

斜坡式防波堤是防波堤主要型式之一，在廣東沿海的水運工程、水利工程中廣泛用作港口防波堤、海岸護岸。近幾年來，超強臺風、強臺風每年都登陸廣東沿海，一些在建和已建斜坡式防波堤受到臺風破壞，影響了港區正常使用并帶來重大經濟損失。對于斜坡式防波堤受臺風破壞問題，一些工程技術專家針對具體案例做了分析研究，王亞東等人[1]對茂名港博賀港區在建斜坡式防波堤臺風破壞后修復斷面穩定性進行了斷面模型試驗研究，選取了不同設計水位、不同斷面方案進行穩定性試驗，提出在迎浪面設置戧臺、堤頂護面塊體全掩護的修復方案。羅大方等人[2]針對茂名港博賀港區在建斜坡式防波堤臺風破壞形態，認為巨浪爬上外坡后以巨大動能與勢能沖刷堤頂，沖垮堤頂內側，導致堤身接連坍塌。李江峰等人[3]根據某核電廠島礁附近防波堤整體模型試驗，認為島礁附近的防波堤外側波能聚集，對防波堤堤頂穩定性影響大，提出提高堤頂高程和增大護面塊體的方法。這些研究一定程度上揭示了臺風對斜坡式防波堤產生破壞的特征，但對波浪作用于防波堤的特性、臺風期水文條件沒有綜合研究。對已建防波堤臺風破壞現象，目前也鮮有研究。本文在前人研究成果基礎上并結合廣東另外二例在建和已建防波堤臺風破壞問題作進一步研究，供同類工程設計、施工參考。

1 廣東沿海防波堤工程的水文氣象條件

1.1 熱帶氣旋

廣東直面南海，西太平洋上生成的熱帶氣旋每年都影響或登陸廣東沿海，2014—2018年平均每年在廣東登陸的熱帶氣旋達4次，其中有超強臺風1次，強臺風6次，廣東沿海各地每年都會受到2個以上熱帶氣旋的影響。熱帶氣旋一般出現在6—10月。

1.2 暴雨

廣東熱帶氣旋經過的地區都是狂風暴雨天氣，一般能產生150～300 mm降雨量，少數熱帶氣旋能產生 1 000 mm以上的特大暴雨，引發洪水。

1.3 風暴潮

臺風臨近和登陸時，臺風影響范圍內沿岸都將產生風暴潮。2018年山竹臺風登陸廣東省臺山市，珠江口至陽江沿海產生110～280 cm風暴增水，茂名至雷州半島東岸沿海產生80～120 cm風暴增水。2016年海馬臺風登陸廣東汕尾鲘門鎮，深圳至饒平一帶沿海，風暴增水80～180 cm。臺風如在湛江地區沿海登陸，湛江港、雷州半島東岸沿海風暴增水值更大。

1.4 波浪

臺風登陸時，風作用于海面，產生巨大波浪，直接影響防波堤、護岸建筑物。臺風為波浪輸入能量，使波浪成長、傳播；波浪向海岸傳播時，海底地形則對波浪傳播起到摩擦、消耗能量作用，隨著水深變淺，這種能量消耗作用越明顯，使波高明顯減少。同一位置不同設計水位，由于水深不同，波浪要素各不相同。

因此，斜坡式防波堤設計和施工時，不僅要考慮不同重現期的波高問題，計算水位、計算波高還要考慮到設計水位和臺風期風暴潮增水問題。

2 臺風破壞某斜坡式防波堤工程實例

2.1 臺風對某在建防波堤的損壞

粵東某在建防波堤100年一遇高潮位+2.54 m，極端高水位(50年一遇高潮位)2.39 m，設計高水位+1.39 m。防波堤采取陸上推進施工，從堤根向堤頭方向進行。典型斷面堤心石底高程-6.82 m，堤心石頂高程+5.72 m。防波堤分2層施工，第1層堤心石從陸上開始推填至+3.5 m，隨后進行墊層塊石拋理、安裝扭王字塊至+3.0 m；第2層堤心石推填至+5.72 m，隨即墊層塊石拋理、安裝扭王字塊至設計堤頂高程。

2016年進行防波堤第1層陸上推進分段流水施工，堤心石推填、塊石墊層拋填理坡、安裝扭王字塊工序流水步距50 m。2016年第4號臺風“妮妲”在深圳大鵬灣登陸，最大風力14級，防波堤里程+300～+350 m堤段，已安裝42t扭王字塊至+3.0 m，堤心石填至+3.5 m，波浪將堤頂堤心石淘低、推落至港內側，外側+3.0 m處扭王字塊部分倒落淘低的堤頂(見圖1所示)；防波堤里程+350～+400 m堤端段，堤心石填至+3.5 m，未安裝扭王字塊，波浪將堤頂大部分堤心石推落至港內側。2016年第22號臺風“海馬”在汕尾市海豐縣鮜門鎮登陸，最大風力14級，臺風來臨前，堤頭部分堤心石推填至+3.5 m，為防臺，堤身段海側防波堤推填堤心石至+5.0 m，并理坡墊層施工、安裝扭王字塊，港側防波堤推填至+4.0 m，并理坡墊層施工；堤頭部分加拋大塊石至+5.0 m；臺風對未安裝扭王字塊的堤頭損壞嚴重，堤頭堤心石被推落到港內側，與堤頭相接的部分堤身，波浪將堤頂堤心石向內推移，淘低堤頂，外側扭王字塊向內推移，部分倒落淘低的堤頂(見圖2所示)。

圖2 臺風“海馬”損壞的某在建防波堤示意

2.2 臺風對某已建防波堤的破壞

粵東某已建防波堤，堤頭為直立沉箱結構，堤身段為拋石斜坡式結構。堤身主體采用拋填 1～1 000 kg 塊石，堤外側采用扭王字塊護面，與堤頭連接段內側采用扭王字塊護面，其余段內側采用柵欄板護面，堤頂作通道設置L型擋墻，擋墻在堤頂內側。2018年“山竹”臺風在江門市臺山海宴鎮登陸，最大風力15級。受臺風生成的波浪影響，與堤頭相接的80 m連接段，堤身外側原可視部分扭王字塊、墊層塊石滾落海中，其中與堤頭相接的50 m段，堤頂部分堤心石淘空，堤頂通道板斷裂傾斜；連接段以內230 m長堤段，堤外側部分扭王字塊、塊石推移到堤頂通道，部分扭王字塊、塊石滾落海中(見圖3所示)。

圖3 臺風“山竹”損壞的某防波堤示意

3 波浪破壞斜坡式防波堤的原因分析

斜坡式防波堤港外側、港內側一般均為斜坡，也有港內側為直立式兼作碼頭使用。對于港外、港內側均為斜坡的防波堤，其斷面組成由內向外為堤心石、墊層、護面層，堤頂為護面層或為胸墻和通行道。護面層(堤身兩側)是斜面，護面塊體間空隙大；墊層也是斜面，施工質量良好時斜面較平整，墊層大塊石間由小塊石填充，但墊層塊石間仍有空隙；堤心石也有空隙。

廣東沿海臺風期，常存在臺風、天文大潮、臺風帶來的暴雨疊加現象，與正常潮汐比較，有風暴潮增水現象，臺風登陸或受臺風影響時的實際高水位已經高于設計高水位，接近極端高水位。根據斜坡式防波堤結構型式、防波堤施工期和使用期臺風破壞實例分析，對于允許越浪的防波堤或者施工期分層施工的防波堤，外海波浪向近岸傳播時，受斜坡式防波堤的阻擋，波浪的波峰部分沖擊護面層并穿透護面層，大部分沿墊層向上爬坡，還有小部分穿透墊層進入堤心層；爬坡的波峰對護面塊體、墊層塊石產生斜向向上的沖擊力，特別是對堤頂附近護面塊體、墊層塊石(尤其是施工期未安裝護面層時)產生沖擊、頂托、向內側推移作用；施工期堤頂施工未完成時，爬坡的波舌越浪沖刷堤頂質量較小的堤心石，使堤心石滾動、沖落到堤內側，堤頂形成凹坑，誘發堤外側墊層塊石、護面塊體滑落凹坑。當堤外側波浪的波峰越過后，此時波浪進入波谷狀態，爬坡水體沿墊層斜面回落，水體回落和波谷狀態的波浪對護面塊體、墊石塊石產生向下沖刷和下吸力，對護面塊體、墊層塊石(施工期未安裝護面層時)產生下拉、滑動、滾動作用。波浪對堤外側的反復作用，使塊體和塊石松動、滾動脫落，導致防波堤損壞。

4 斜坡堤工程防臺建議與措施

4.1 施工階段斜坡堤工程防臺建議與措施

由臺風引起的在建斜坡式防波堤損壞在廣東沿海防波堤施工中時有發生，臺風來臨或登陸時，海上水深越大波高越大，波浪越大對防波堤的損壞越大。斜坡堤施工必須合理安排施工期，盡量在臺風前完成施工；或者臺風頻發期進行近岸段(水深淺，波浪小)施工，非臺風頻發期進行堤頭深水段施工。臺風期施工時，要縮短流水施工步距，臺風來臨前，盡量完成成形段外側理坡、墊層施工和安裝護面塊體，形成對堤身的保護，減少裸露堤心石的長度。

由臺風產生的某斜坡式防波堤損壞現象可見，在建防波堤的損壞主要是波浪沖刷未受防護的堤心石引起。按防波堤設計與施工規范[4]中堤心石構造要求，堤心石可采用10～100 kg，深水斜坡堤最大顆粒重量可采用800 kg，由此可見，大部分堤心石重力輕，在波浪力作用下易掀起、移動。因此，在臺風引起的波浪力作用下堤心石的穩定是防止臺風損壞在建防波堤的關鍵。文獻[2]介紹了茂名博賀港區防波堤施工中，針對多次受臺風影響，堤外側波浪順外坡爬坡至堤頂，沖刷堤頂處堤心石，導致堤身接連坍塌問題，采取在堤頂灌砌大塊石使堤頂塊石連成整體(灌砌的大塊石應使塊石尖角露出混凝土面，以保證與其上墊層、現澆混凝土胸墻保持摩擦力，并設豎向排水孔)的措施，有效抵御臺風期波浪沖刷。因此，建議在同類工程施工中，為防止臺風對在建防波堤影響，在臺風來臨前，對未受護面塊體護面的堤心石、墊層等采用大塊石壓面或混凝土灌砌大塊石護面。此外，沿防波堤縱向分條施工，加大海側堤心石推填高程，及時進行海側墊層塊石施工和安裝護面塊體，可有效減少波浪爬坡后對堤頂堤心石的沖刷破壞。

斜坡堤的施工質量對防波堤的防浪能力也有較大影響，斜坡堤海側坡腳處塊石棱體、肩臺的施工質量，墊層塊石的重量與坡度，護面塊體的安放等直接影響擋浪能力，必須嚴格按照規范和設計要求施工。

4.2 防波堤防臺設計優化建議

防波堤設計與施工規范中斜坡堤計算規定：短暫狀況，對未成型的斜坡堤進行施工期復核時，計算水位可采用設計高水位和設計低水位，波高的重現期可采用2～5 a。臺風在廣東沿海登陸時，都會在臺風影響區域內產生風暴潮，高潮位疊加風暴潮增水，受影響區域內水位接近甚至達到極端高水位，因此，斜坡堤進行施工期復核計算和波浪模型試驗時，建議也應按極端高水位和對應的波高條件進行。

當斜坡堤堤頂作通道時，規范提出宜在堤頂設置胸墻，胸墻的型式可采用L型、反L型和弧形，胸墻位置沒有規定在海側還是港側，但在斜坡堤斷面型式圖中胸墻位于海側。斜坡堤設計實踐中，某些防波堤胸墻設置在港側，這樣布置，當斜坡堤受到臺風襲擊時，海側護面塊體、塊石在波浪斜向沖擊作用下，堤頂通道板高度不能有效阻擋波浪對護面塊體、塊石的頂托、向內推移作用，導致部分護面塊體、塊石被沖上堤頂，部分塊體滾落海中，斜坡堤逐步破壞(見圖3)。因此，胸墻應設置在海側。

防波堤堤頭和近堤頭段通常是水深大、流速大、波浪大，如果堤頭采用直立式而堤身采用斜坡式，在其結合部，由于波浪對直立式和斜坡式的作用形態不同，波浪對結合部防波堤的作用更為復雜，當波浪正向作用于直立式堤頭時，直立式和斜坡式連接處的護面塊體、墊層塊石最容易失穩，從而導致連接段斜坡堤破壞。因此，斜坡堤堤頭慎用直立式，防波堤如近岸段采用斜坡式、離岸段采用直立式，直立式和斜坡式連接處宜設在波浪較小處。

5 結語

波浪對斜坡堤的影響以及產生影響的條件、因素很復雜，但主要與波浪大小、波浪方向、水位、斜坡堤材料(堤心石、墊層塊石、護面塊體)重力等有直接關系。同樣等級的臺風，水位高(水深大)臺風產生的波高大，對斜坡堤堤頂的破壞作用大，斜坡堤設計要考慮到臺風引起的風暴潮因素；堤頭處水深大、風浪大，堤頭結構型式應與深水段堤身一致；堤頂設置胸墻時，胸墻應設置在堤頂海側。斜坡堤施工過程中遇到臺風影響，施工單位必須根據施工現場的自然條件及施工現狀，制定有效防臺措施，可采取對堤心石、墊層等用大塊石壓面或混凝土灌砌大塊石護面、加大海側堤心石推填高程并及時進行墊層施工和安裝護面塊體等措施。