臺風受損防波堤修復設計簡析

丘小標，覃 杰，陳良志

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230)

引言

防波堤是抵御外海波浪入侵，形成內側掩護水域所需要的水工建筑物，是人工掩護沿海港口碼頭的重要組成部分。近年來，受強臺風影響，不少沿海地區防波堤受到不同程度的破壞，為繼續實現防波堤掩護內側水域的功能，需對受損防波堤進行修復。

本文結合廣東某臺風受損防波堤修復項目的設計經驗，提出臺風受損防波堤的修復設計思路，為類似項目的設計提供參考。

1 防波堤堤頭原結構方案

防波堤堤頭段長100 m，采用斜坡式結構。堤心石為1～1 000 kg 塊石，內、外坡度均為1：1.5。堤頂及內外坡均采用扭王字塊護面，護面塊體為25 t 扭王字塊體，厚3 000 mm，護面墊層為厚1 740 mm 的1.5～2 t 塊石；堤頭頂標高為+7.74 m，頂寬12 m，可布置4 塊25 t 扭王字塊體護面。護腳水平段扭王字塊頂標高-3.84 m，寬度7.2 m，布置3 塊25 t 扭王字塊。護底塊石采用1.5～2 t 塊石，寬10 m，頂標高-6.0 m，堤頭水域原泥面標高在-7.5～-9.5 m 左右，防波堤原結構方案斷面圖1。

圖1 防波堤原結構斷面示意圖

2 防波堤堤頭受損現狀

2018 年9 月7 日20 時，臺風“山竹”在西北太平洋洋面上生成，9 月15 日，臺風"山竹"從菲律賓北部登陸，16 日17 時在廣東臺山海宴鎮登陸，登陸時中心附近最大風力14 級，中心最低氣壓955 百帕，中心附近最大最大風速50 m/s，為強臺風。10 級風速半徑為250 km（SE），12 級風速半徑為80 km。

盡管臺風中心離工程較遠，但該臺風風速強，大風范圍大，在9 月16 日9 時在粵東海域27 m 水深點出現最大波浪，最大有效波高為6.8m，平均周期13.9 s，波向SE，風速20 m/s，風向E。

臺風“山竹”為在本海區產生第十三大波浪的臺風，但該波浪平均周期為前十三個臺風最大波浪中周期最大者，同時有效波高大于5.0 m 的持續時間達15 小時。臺風“山竹”過后經過現場勘查，防波堤堤頭水上部分有明顯破壞。

從現場情況看，水上部分破壞主要有：堤頭扭王字塊向下滑移，凌亂不緊湊，局部空缺部分可見堤心石。

圖2 堤頭破壞現狀

3 防波堤修復思路

3.1 更新設計波浪條件

通過收集分析近年來本工程區域各大臺風后報和頻率，根據1949 年～2008 年臺風后報計算深水區S、SSE 向50 年一遇有效波高分別為6.4 m、7.4 m，1949 年～2018 年臺風后報計算深水區S、SSE 向50 年一遇有效波高分別為8.07 m、9.05 m。

深水波要素1949 年～2018 年比1949 年～2008 年臺風后報計算結果大約20 %，根據附近工程深水波向淺水傳播的計算結果，傳到近岸10 m水深處波要素大約10 %。原設計和更新后的50 年一遇設計波浪要素設計波浪條件見表1。

表1 設計波浪要素對比

3.2 根據現行規范對防波堤結構進行復核

根據原設計采用的規范《防波堤設計與施工規范（JTS 154-1-2011）》[1](以下簡稱“11 版規范”)和現行規范《防波堤與護岸設計規范（JTS 154-2018）》[2]（以下簡稱“18 版規范”），對防波堤采用扭王字塊護面的穩定重量計算區別見表2。

表2 護面塊體穩定重量計算的區別

單個塊體的穩定重量計算公式為：

式中：

W—單個塊體的穩定重量(t)；

γb—塊體材料的重度(kN/m3)；

H—設計波高(m)；

KD—塊體穩定系數；

α—斜坡與水平面的夾角(°)；

γ—水的重度(kN/m3)。

計算結果見表3。

表3 護面塊體穩定重量計算結果

根據以上計算結果可知，按11 版規范和舊設計波浪要素考慮時，防波堤原設計方案可以滿足當時的規范要求；按18 版規范和新設計波浪要素考慮時，原防波堤設計方案已不能滿足現行規范要求，需對防波堤斷面進行升級改造。升級改造后的護面塊體采用38 t 扭王字塊體，厚3 320 mm，護面墊層采用厚2 100 mm 的1.9～3.8 t 塊石。升級改造后防波堤斷面見圖3：

圖3 升級改造后防波堤斷面圖

3.3 修復效果分析

1）按升級改造后設計方案修復

按升級改造后設計方案進行修復時，需將防波堤原護底塊石、墊層塊石和扭王字塊拆除，再鋪設1.9～3.8 t 墊層塊石、38 t 扭王字塊和1.9～3.8 t 護底塊石，考慮工期、造價及施工難度等因素，本項目建設單位要求僅按原設計方案進行修復。

2）按原設計方案修復

按原設計方案修復時，防波堤水上部分可通過肉眼觀測，可知防波堤需修復位置及范圍；而水下部分需通過專業水下測量，摸清防波堤水下部分受損位置及范圍。本項目水下測量先通過側掃聲吶測量進行前期勘探，再進行三維聲吶測量，通過數據處理，可以獲得各扭王塊位置以及實際塌陷區域。如圖4、圖5。

圖4 防波堤北側坍塌測量圖

圖5 防波堤南側坍塌測量圖

根據測量結果顯示，防波堤堤頭段水下部分扭王字塊塌陷位置較多，并且坡腳水平安放的扭王字塊丟失嚴重。修復方案為：在防波堤扭王字塊塌陷區域，從上往下逐件拆除扭王字塊，拆除時需注意保證范圍外扭王字塊不發生塌落；修補整平墊層塊石，墊層塊石理坡按原設計斷面尺寸要求，墊層塊石理坡完后再重新從坡腳往坡頂方向安裝扭王字塊，新安裝的扭王字塊與已安裝的扭王字塊應平順過渡，確保扭王字塊間相互咬合緊密；坡腳采用高壓水槍進行清淤，并補填護底塊石。

4 結語

1）修復臺風受損防波堤前，應收集工程區域近幾年的臺風氣象報告，通過分析及計算，更新工程區域設計波浪條件；

2）根據現行規范對防波堤結構進行復核，對設計方案進行升級改造，并按升級改造后的設計方案進行修復；

3）按原設計方案修復時，可采用側掃聲吶測量和三維聲吶測量，測出防波堤水下受損位置，再通過拆除扭王字塊、墊層塊石理坡、重新安裝扭王字塊、補填護底塊石等修復工程，可以對防波堤受損區域進行精準修復，減少工程造價和縮短工期。