關于防波堤工程總體設計方案的研究

李 濤

（福建省港航勘察設計研究院，福州 350002）

防波堤是一種常見的港口工程建筑物， 主要作用是防浪，也有防砂、防冰入侵等作用。 防波堤總體布置需要考慮港內水域布置、 口門航道進出港安全和港內掩護效果，并最大限度地減少工程對海洋環境的影響。防波堤的結構形式直接影響防波堤的投資、施工工期和質量，具體設計時，需深入結合當地石材供應情況及自然條件，從經濟合理，結構科學的角度選擇最優的斷面形式。

本文在現有的防波堤研究成果基礎上， 以福建某沿海防波堤工程實例為基礎， 對防波堤的總平面布置和結構形式進行分析研究， 為今后防波堤工程總體設計提供借鑒和參考。

1 工程概況

本工程位于福建某沿海， 在原有防波堤一期的基礎上新建防波堤二期，二期防波堤總長度約2.3km，堤身為南北向布置，工程位置見圖1。

2 設計條件

2.1 荷載

（1）結構自重。

（2）波流荷載：按《港口與航道水文規范》有關規定進行計算。

（3）均布荷載：10kN/m2。

圖1 防波堤二期工程位置圖

（4）汽車荷載：30t 自卸車、60t 自卸車。

（5）地震荷載：本地區地震烈度為7 度，按《水運工程抗震設計規范》的規定進行計算。

2.2 自然條件

（1）設計水位(見表1)

表1 設計水位（基準面為當地理論最低潮面）

（2）設計波浪

根據外海設計波浪要素和工程區重現期風速， 采用波浪折射繞射淺水變形的數學模型對擬建工程區域波浪場進行模擬，

推算擬建防波堤附近波浪要素。其中ESE-ENE 向外海波浪對工程影響較為顯著，波浪設計要素見表2。

表2 波浪設計要素

（3）潮流

根據實測潮流分析， 擬建工程海域的可能最大潮流為1.2m/s。

（4）地形、地貌

本工程區以北沿岸是以砂質海岸為主， 以南沿岸是以基巖海岸為主。

（5）泥沙

根據氣象、地貌特征、沉積物分布、水文、泥沙及水下地形變化等綜合因素分析， 灣內泥沙來源主要以周邊沿岸沖蝕入海泥沙及岬角、島礁受風浪侵蝕入海泥沙為主?？傮w上，工程區域地形基本穩定，水體含沙量小，工程后港池內無沿岸輸沙影響。

（6）本工程勘探深度范圍內揭露的巖、土層主要為第四紀全新世與晚更新世松散堆積層和燕山早期侵入的晚侏羅世的火山巖風化層。 巖土層的主要設計參數推薦值見表3。

表3 巖土層的主要設計參數推薦值

3 總平面布置

3.1 總平面布置基本原則

（1） 防波堤工程布置必須符合港區總體規劃和作業區規劃布局的要求。

（2）防波堤工程布置應與港區發展規劃相協調，并考慮港區發展的需求。

（3）盡量提高港內水域掩護效果，以利于港內開發建設和泊穩條件改善。

（4）防波堤平面布置與航道工程有機結合，方便船舶航行、調頭、進出港作業和通航管理，有利于大型船舶進出港作業安全，為港區可持續發展提供有力保證。

（5）遵循國家有關環境保護的規范、規定的要求，采取有效措施減少對周圍的環境影響和污染。

3.2 總平面布置方案分析

本工程防波堤北端起于某島南側，防波堤主體結構與該島相連，在防波堤南端設堤頭結構。本工程防波堤總長2364 m。 防波堤南端堤頭處設置警示燈。

防波堤平面布置主要從實施后潮流場影響、 港區掩護效果等方面因素進行比較分析。

（1）潮流動力因素

該工程防波堤平面方案實施后， 整體水流流態基本與工程前保持一致，大范圍水域潮流仍呈往復流運動，工程后可引起水流變化僅集中在工程區局部水域 （見圖2）。

（2）波浪因素

采用整體波浪物理模型試驗， 測定二期防波堤建成前、后工程海域波高分布的變化情況，測出港區附近波浪場分布， 并對規劃三期防波堤建成后港內波高進行了研究。

①期防波堤建成后

根據波浪整體物理模型研究成果， 在二期防波堤建成后， 二期防波堤對偏東北方向的波浪有較好的掩護作用，已建的0#～3# 泊位的泊穩條件發生明顯的改善，包括一期防波堤內側（擬建的港口支持系統區域）水域的波浪狀況比較平穩。 在主要方向波浪影響下港內波高分布見圖3～圖4。

圖2 局部海域流場

從研究成果來看， 二期防波堤對作業區偏東及東南向波浪的掩護區域是有限的，無法覆蓋整個港區，需建設三期防波堤。

圖3 50 年一遇E 向港內有效波高分布（設計高水位）

圖4 50 年一遇ESE 向港內有效波高分布（設計高水位）

②規劃三期防波堤建成后

在規劃三期方波堤建成后港內北部區域的情況與二期建成后相類似，已建的0#～3# 泊位、擬建的港口支持系統區域波高較小；同時因為有了二、三期防波堤的共同作用，港內泊穩條件總體進一步得到改善，但不同方向的掩護區域則有所不同， 對于偏東北波浪港內泊位前沿波高均較小， 對于偏東南方向的波浪對12#～13# 泊穩有較好的掩護作用，而擬建4#～7# 泊位前沿的波高仍然較大；三期防波堤建設港灣形成環抱型防波堤掩護， 防波堤對港內波能減弱作用較大；而正東向波浪正對10#～12# 泊位，設計高潮位時2 年一遇的H4%波高在1.9m，在碼頭設計中對此需考慮。 港內波高分布見圖5～6。

（3）沿岸輸沙和泥沙淤積因素

圖5 50 年一遇E 向港內有效波高分布（設計高水位）

圖6 50 年一遇ESE 向港內有效波高分布（設計高水位）

根據《潮流泥沙數模研究報告》,工程區附近是以由北向南的沿岸輸沙為主，而一期波堤的建設，將徹底攔截北向來沙， 由北向南的沿岸輸沙對本工程港池及航道淤積的影響將不復存在。 本港區泥沙淤積將以懸沙落淤為主。本工程建成后泥沙淤積具有以下特點：口門段航道平均淤強為0.08m/a； 碼頭航道及調頭區平均淤強均為0.07m/a，泊位平均淤強為0.09m/a；淤積強度都小于0.2m/a，工程后也不存在驟淤的影響，屬輕淤港范疇，因此防波堤平面布置方案可行。

4 結構選型

防波堤堤身結構型式決定了工程造價的高低， 故防波堤工程的實施必須結合當地的建筑材料、 地形地質和施工條件考慮其結構型式，使之符合取材簡便、施工工藝合理和經濟可行等方面的要求。

對于地基較差或石料來源豐富的情況可選擇斜坡堤；對于水深較深和地基較好的情況可選擇直立堤；對于石料缺乏或有特殊要求的情況可選擇透空式等防波堤結構型式。根據工程區域的水文地質條件，考慮石料來源較為豐富，防波堤結構型式采用拋石斜坡堤。

4.1 結構方案設計

斜坡式防波堤主要斷面形式主要分為塊石或人工塊體護面斜坡堤、砌石護面斜坡堤、拋填方塊斜坡堤、堤頂設胸墻的斜坡堤、寬肩臺斜坡堤等。綜合考慮本工程自然環境、原材料供應、工程造價等因素，對寬肩臺拋石斜坡堤和人工塊體護面拋石斜坡堤進行對比分析。

（1）寬肩臺拋石斜坡堤結構

堤頂高程為14.1m，路面寬度為10m，外坡（東坡）堤頂護面肩寬7m，內坡（西坡）堤頂護面肩寬4m。 堤心為10～500kg 塊石，外坡護面塊石重量為2～7t，內坡護面塊石取為0.2～1t。 外坡的寬肩臺位于高程9.0m 處，肩臺寬度為14m。 肩臺與護底塊石之間的護面坡度為1∶1.5，高程9.0m～14.1m 之間的護面坡度為1∶2。 外坡護底塊石重量為100～200kg。內坡的寬肩臺位于高程9.0m 處，肩臺寬度為9m。 肩臺與護底塊石之間的護面坡度為1∶1.5，高程9.0m～14.1m 之間的護面坡度為1∶2。 內坡護底塊石重量為100～200kg。 斷面結構見圖7。

（2）扭王塊護面拋石斜坡堤結構

堤頂高程11.0m，堤頂寬度12m。堤心為10～500kg 塊石，內、外坡坡度均為1∶1.5，護面采用18t 扭王字塊一層，護面層下為900～1800kg 塊石墊層。 堤腳設置拋石棱體，外側拋石棱體采用3～5t 塊石， 內側拋石棱體采用500～1000kg 塊石， 拋石棱體在局部淤泥較厚處進行清淤，護底采用100～200kg 塊石。 斷面結構見圖8。

（3）結構方案比選

這兩種防波堤結構方案優缺點見表4。

考慮工程所用石料需與后方疏港公路項目協調，人工塊體護面拋石斜坡堤用石料較少， 且石料規格要求較低，工期和施工期安全均容易得到保證，堤身結構與堤頭結構便于銜接，海域使用范圍較小，工程造價較低，本工程采用人工塊體護面拋石斜坡堤。

圖7 寬肩臺拋石斜坡堤結構

圖8 扭王塊護面拋石斜坡堤結構

表4 結構方案優缺點比較表

4.2 波浪斷面物模試驗

在波浪數模計算的基礎上， 利用波浪物理模型試驗結果表明： 在50 年一遇高潮位8.32m 和相應的H1%規則波組合作用下，波浪作用于前坡和平臺拐角處，并有大量水體越過堤頂，堤頂水舌高度約為2.8m，18t 扭王字塊體、護腳拋石棱體及護底塊石均穩定，僅外側坡面的上坡段有個別塊體在大波作用下發生微幅震動。 在該水位和相應的不規則波組合作用下，堤頂越浪明顯，最大水舌高度可達3.5m。 堤頂平臺的扭王字塊體的消浪作用也較為明顯，經波浪累積作用一個風暴過程（相當于原型3.0h）后，護面18t 扭王字塊、護腳拋石棱體及護底塊石未發生移位、滾落等不穩定現象，堤身斷面模型見圖9。

圖9 堤身斷面模型

5 結語

本文結合工程實例， 分析了防波堤平面布置應考慮因素和遵守的原則以及防波堤結構選型相關要求以及試驗，為今后類似工程提供參考。