運營多年的港口護岸防護技術探討

李福新

(滄州黃驊港礦石港務有限公司，滄州 061113)

隨著我國港口建設發展，海岸線得到大量開發利用。近年來沿海地區不斷遭遇強臺風襲擊，沿岸部分防波堤使用年限已久且抗風浪等級低，在遭遇強臺風襲擊時往往受到不同程度的損壞，對損壞的防波堤進行修復并提高其防護等級十分必要。周延東等[1]在涌浪基本理論研究綜述中指出涌浪傳播到淺水域近岸時，形成的拍岸浪對岸邊構筑物破壞力很大；白靜等[2]在大型港區港內波浪條件分析研究中提出對于護堤越浪應考慮越浪產生的堤后次生波對港內碼頭波浪條件的影響；吳永強等[3]在防波堤研究進展及損壞原因淺析中提出沿堤流下的護岸蛇形破壞；楊火其等[4]研究錢塘江河口九溪岸段涌潮越堤造成災害影響；張卓立等[5]通過斜坡堤胸墻及柵欄板上波浪力試驗研究指出強大沖擊力是斜坡堤破壞的主要原因。以往修復手段多為加強防護、重新修筑等，近年來更多采用擋墻加高，或將擋墻設置成大弧型式或鷹嘴型式的方案。

運營多年的港口護岸工程存在護岸垮塌、擋浪墻損壞、坡面變形、護面塊體移位、鏤空護面塊體空隙淤塞失效等問題，尤其是垮塌損害，可能造成更大的連鎖破壞。20世紀60年代以來國外遇到的護岸破壞問題較多，主要采用人工預制護面體加固防護，在損壞處重新建造，地基基礎的處理是置換、改良、局部灌漿固化等。關于此問題的修復和研究，張洪慶等[6]在海岸防護工程中的應用一文中也有論述。

本文擬研究解決的問題是用較低的成本完成護岸修復，兼顧長期規劃中對護岸薄弱段的改造提升。

1 港口護岸現狀及存在問題

1.1 港口護岸現狀

港口地處渤海新區，堆場外護岸擋墻內側原基礎為碎石土，未經過特殊處理。裸露土地因多年來被雨、海水侵蝕，長1 km的護岸內卻出現了60余處坑坑洼洼，擋浪墻漿砌基礎也出現損壞，個別部位的滑移風險很大。后方堆場使用率高，有通信、電纜管線等既有基礎設施。目前，緊鄰堆場(1#)自東端起向西700 m范圍內，礦料堆載作用于岸坡失穩的大滑動面上，在常年的風暴潮侵害下岸坡坡面已改變，碼頭前沿線向岸側100 m范圍內現狀坡面線如圖1所示。

圖1 岸坡設計與現狀斷面對比圖

該區域自建設至今，風暴時期上水不斷，除了氣候異常外，與該區域所處位置有關。工程位于航道最東端，正在運營的兩個泊位東側預留工程未施工，最東端的引橋也未建設，現有護岸東段地處開放水域。擋浪墻基礎原設計為土石料、倒濾料、二片石、塊石，風暴沖擊掏空區域，反復受潮汐影響，土、塊石易淘失、塌落，影響護岸穩定，存在安全隱患。

1.2 港口護岸存在問題

護岸坡面已非設計狀態，修復比新建更加復雜，分析其損壞的主要原因并結合工程實際，修復工程設備和施工中增加的荷載，極易造成護岸下部掏空區域地基承載力突破極限，導致安全風險。考慮到后方生產的形勢和保護岸坡結構的安全，須進行處置。

場區東北角風暴損壞已維修加固多次，考慮到二期工程建設，該區域曾采用護岸加固和防護加強(碼放多層大型柵欄板)的方案臨時修復。能破浪卻不能阻擋海水倒灌，與加固部位緊鄰的西側岸坡也因沿堤水流的侵害，向西步步侵蝕，不斷摧毀擋浪墻。涌浪越墻而上，造成更大面積的海水倒灌，曾在擋浪墻陸側新建設一道混凝土墻(2.4 m)，越浪水體滯留在岸頂兩道墻裸露土區，倒灌管井，泥沙淤積。在擋浪墻上開孔泄水，土方流失失穩，還會造成泥水入海，不符合環保要求。

2 護岸破壞原因分析

2.1 調查

影響本區的災害性天氣主要為風暴潮和臺風、龍卷風。2003年10月10日—13日此海域出現過一次偏NE向的大風過程，為有記錄以來46 a內首次出現。氣象站觀測資料顯示，10月10日—13日≥7級風連續出現40 h，≥8級風連續出現27 h，≥9級風連續出現8 h，瞬時最大風速達31.9 m/s，風向為ENE。據25 km外的海上實測波浪資料記載，該區以風浪為主，涌浪為輔，常浪向為E，次之為ESE，出現頻率分別為8.64%和7.04%；強浪向為ENE，次之為NE。

港區已運營多年，原護岸擋浪墻后方建設防風網及網下圍護墻。東側開放水域掩護條件差，岸坡直接承受海浪的沖擊，破壞極大。左志剛[7]在黃驊港綜合港區深水航道水動力數值模擬研究中，對流速增大影響范圍分析，工程實施后對周圍海域的作用有變化。錄像資料顯示涌浪借助風勢上岸，水土流失、墻下淘空、基礎直立面漿砌石失穩、塊石丟失，場區、道路海水倒灌。每年因風暴潮造成北側路及附屬設施損壞很大，需反復維修。電纜、通訊井被泥沙封堵、線路損壞，對生產運營造成影響。擋浪墻在歷次風暴潮中都出現了較大損毀和越浪情況。越浪量、波浪力是直接影響岸坡穩定直接因素，減少擋浪墻上水，降低擋浪墻波浪荷載，可降低風暴破壞損失。

2.2 分析

(1)通過波高的統計，選取ENE、NE、NNE向為分析重點。

由于主航道與碼頭之間開挖的港池邊坡改變了波浪傳播方向，使波浪發生折射，形成了局部波能集中現象。

航道底高程為-18.3 m，在 ENE向浪作用下，波向與航道走向夾角為8°航道以南為迎浪側，受航道折射影響，航道以南形成一定范圍的大浪區，波浪斜向作用于航道南側圍堰。在NE向浪作用下，波向與航道夾角為15°，在航道以南，波浪向港內傳播，在港池邊坡發生折射，在港池拐角處形成波能集中。在NNE向浪作用下，波向與航道夾角為37°，由于角度偏大，雖折射影響不如NE向明顯，但沿航道傳播的波浪仍會在港池邊坡附近再次發生折射，由于夾角較大，一部分波浪在慣性作用下繼續向港池方向前進，另一部分波浪方向發生改變，沿港池邊坡向碼頭端部傳播，與沿圍堰的行進波發生疊加，在港池邊坡交角處形成波能集中(圖2)。

圖2 波浪在港池及航道附近傳播方向示意圖

(2)越浪破壞分析。

由于港池開挖，自然水深與港池水深存在明顯差異，港池邊坡與主航道有30°的夾角，波浪遇港池開挖邊坡后發生折射，在邊坡附近形成大浪，會越過護岸，造成毗鄰結構破壞。波浪在港池邊坡的折射，在港池拐角處的波能集中，ENE向浪對頂高程為+6.4 m的擋浪墻沖擊很大，造成擋浪墻下部被淘刷。越浪水體在擋浪墻和網下墻之間聚集，短時間內無法排出，對后續水體形成頂托作用，再次越過網下墻。即便是非天文大潮時期，在ENE向浪作用下網下墻上水也很大，若再遇較大、特大風暴必然造成上水更大。無法迅速排除的積水，增加了對基礎的滲透壓力，突破基礎漏斗形成的邊界滲透力，造成了擋浪墻下基礎脫空。

3 工程修復方案

3.1 修復原則

借鑒學者關于港口及航道護岸工程重要環節技術控制策略，遵照《防波堤與護岸設計規范》(JTS 154—2018)和《防波提與護岸施工規范》(JTS 208—2020)的相關規定，擬定原則：坡頂及擋浪墻體塌陷區域六十余處，需要立刻搶修。針對掩護條件較差，以防為主、防治結合；針對護岸上水，統籌擋、消、排方法；針對現有擋墻出現不同程度的損毀影響穩定性，以修復加固為主，加高為輔；針對泥水入海，力求杜絕。同時考慮施工的可能性、便利性、工程造價等因素，選擇合適且經濟的方案。

3.2 方案討論

(1)可行性論證。

經過對出現問題的剖析和現場實際調查，裸露區凈寬不足9 m，靠近防風網側才能最大程度保證安全。重載設備擾動大、隱患大、安全風險高，遇風暴基底脫空，增加了施工風險，施工時一旦滑入坡下，處理更為復雜。小型設備施工能力有限。擋浪墻直立面損傷嚴重部位在高潮位時孔洞處置時間長，不利于土石流失的安全問題和泥水入海環保問題的解決。

方案一：“護岸加固和防護加強”方案耗資大、工期長，暴雨、風暴潮對該區設施修復和毗鄰區保護不利；岸坡荷載增大，坡面滑塌不利于二期工程建設的邊坡開挖和碼頭沉樁，此方案不可行。

方案二：“擋浪墻加高及設置弧形迎水面”方案。裸露區建有通訊、電纜等基礎設施，被沖刷區域位于小滑動面內，無法停駐大型設備，存在安全隱患。采用“擋浪墻加高”時，臨水面需大開挖。裸露土區的基礎換填和改良、既有設施加固、臨水面圍護等配套工程工期長、造價高，此方案不經濟。

方案三：“擋浪墻改造”即開孔泄水方案。基礎墻體原樣恢復，但出現越浪，裸露土區的泥水還會流回海洋，不符合環保要求。

可行性方案：權衡進度、安全和后期維護的利弊，在技術和經濟上進行綜合比較后確定為先修復后改造。選用小型設備將基礎和岸坡擋浪墻按照原結構恢復，開挖、換填、整平工作量少，施工步序及調整靈活性強。修復孔洞和缺陷后，在裸露土上鋪濾網護底，上壓排水、耐沖刷護面，實現整體硬化。設備選用對護岸擾動最小，破損修復施工不用全面展開。清表的碎石土經過整平碾壓，強度滿足小型吊裝機械承載要求。修復后的基礎承載力滿足維保設備壓載需求，不影響對防風網、通訊、電纜等基礎設施維護。

(2)材料論證。

本方案的護底材料是加筋濾網，具備耐風化、耐腐蝕的特性。其加筋濾網的隔離性、高滲透性、高摩擦系數、高抗拉模量，抗拉扯、可縫合、不怕水泡又經久耐用特性，可以有效保護基層、延長壽命。選擇隔離功能和抗應變性能更好的編織結構，可增強地基的承載力，更有利于建造施工便道和承載力平臺。技術要求上，伸長率和經向、緯向抗拉模量應滿足規范《土工合成材料寬條拉伸試驗方法》GB/T15788—2017的規定，CBR頂破強力應滿足規范《土工合成材料靜態頂破試驗(CBR法)》GB/T14800—2010的規定，等效孔徑0.2～0.5 mm，抗紫外線能力(500 h)強力保持率應不小于90%。可以抵抗風暴潮對塊石的淘空作用，可以保護上下層的填石不被淘空。實踐中對比加筋濾網，無紡土工布雖然具有很高的滲透性，但其缺乏加筋所必須的抗拉模量，也不能快速消散積水，裸露狀態下耐久性差。土工格柵網孔太大，不能進行有效的縫合以提供持續性的加固，雖然具有良好的摩擦性和抗拉模量，能對碎石起著側向約束作用，也具有加筋功能，但卻不具備隔離功能。因此，技術上選擇扁絲加筋濾網。

本方案護面體選擇港口工程常用的混凝土結構，可以預制或現澆。混凝土板、聯鎖塊、柵欄板，耐久、耐沖刷性能也很好，承載力滿足要求。堤身透水性降低會使得波能不易被消耗，進而影響護面穩定性。選擇護面體為帶格槽的柵欄板構造，技術上可行。柵欄板的消浪格槽具有抵御風暴潮作用。柵欄板可異地預制，質量和進度可控。柵欄板可設計為小尺寸(2.2 m×1.0 m×0.2 m)，安裝方便。對柵欄板合理配筋，提高其承載力，滿足維保設備壓載需求，不影響對防風網、通訊、電纜、高桿燈等基礎設施維護。

用鋼索將柵欄板聯系起來，進一步保障安全。鋼索選用抗拉、耐久、防銹蝕的材料，如鍍鋅并覆塑低碳鋼絲(索)，即高強鋼絲繩用耐腐蝕塑膠包裹。鋼絲繩截斷端使用2號鋰錫脂浸泡涂滿鋼絲繩頭，再使用三元乙丙橡膠對接頭進行熱塑處理，做到全密封鋼絲繩，能有效避免外露鋼絲銹蝕。

(3)功能論證。

方案1：在頂高程+6.4 m擋浪墻(第1道)和頂高程+7.0 m網下墻(第2道)間， 設置9 m寬現澆混凝土。當水位較低時，上水較少。僅表現為第1道墻直接受浪沖擊，較大可能出現護岸下部脫空，時間越久破壞越嚴重。尤其是后方貫通后，現澆面不易被察覺，隱患大。當水位較高時，風暴潮遇擋墻反射一躍而起，第1道墻越浪較大，成層狀水體越過，難以發揮擋浪作用。現澆板不能消浪，第2道墻為迎浪面，越浪水體經硬化面未經削弱會直沖墻體，易產生二次越浪，且越浪量大。

方案2：兩道墻間設置滿鋪聯鎖塊。為保證硬化效果，基層采用水穩硬化。遇強風暴影響時，下部脫空，塊體下沉，防護失去作用。風暴潮時間若長，硬化結構會完全失效。當水位較高時此結構面和現澆混凝土結構無異，即越浪水體經硬化面未經削弱直沖第2道墻體，易產生二次越浪，且越浪量大。

方案3：兩道墻間設置“加筋濾網+柵欄板”組合結構，滿鋪加筋濾網后上壓柵欄板。柵欄板(尺寸為2.2 m×1.0 m×0.2 m、孔隙率30.3%)空隙部分可以削弱風暴潮的破壞力。遇ENE、NE、NNE向浪作用下的較大風暴潮，出現波能集中現象，柵欄板可以起到消浪，加筋濾網可以滲水。第1道墻開200 mm@2 m排水口，兼顧消浪和排水。第2道墻上水經柵欄板消減后明顯被削弱。越浪水體在擋浪墻之間聚集對后續上水也難形成頂托作用，第2道墻上水范圍小，依靠第2道墻的頂標高提高，防浪效果更加明顯。

方案4：即方案3的優化方案，兩墻間組合結構設置外高內低(南高北低)，讓越浪水舌有一個爬坡過程，增加阻力利于消浪。柵欄版每塊重量760 kg，每塊設置4個吊環，可作為鋼索連接點，通過鋼絲繩將相鄰塊體聯系起來，形成聯體排，即便下部出現不明顯的板底脫空也不會造成硬化層損毀。

3.3 結論

根據以上論證，航道與碼頭之間的港池因邊坡開挖改變了波浪的傳播方向，遇風暴潮時折射波浪與沿圍堰的行進波發生疊加，形成局部波能集中，產生局部大浪區，使第1道擋墻東部岸段上水較大。但越浪水體經過組合結構消減后，可較快消散。

當水位較高時，越浪趁勢越過第1道擋墻，柵欄板可消減越浪能量；當水位很高時，擋墻位于水下，風暴潮上水成層狀水體越過，護底柵欄板仍能消減層浪，遇到第2道墻后沖擊力已經消減；當水位較低時，不易發生二次越浪，風浪沖擊擋浪墻直立面，即便因波浪累積作用使得基礎下部掏空，在加筋濾網+柵欄板的組合作用下不會造成結構塌陷，具備防護功能。

通過在護岸頂面采取“加筋濾網+柵欄板”組合消減越浪，從根本上解決了風暴潮對墻體的過度沖擊。一消一排共同消減，減少對護岸、北側路及附屬結構的損壞，因此“兩道防護墻+加筋濾網+小型柵欄板”技術改造有效。此方案利用柵欄板能消浪的特點，加筋濾網又不怕水、強度高、密度大，穩定性和耐久性(已被驗證是良好的耐鹽堿、潮濕環境材料)好的優勢，解決了常年受潮水及風暴的侵害，徹底扭轉了護岸嚴重損壞和對陸側造成的影響。此技術施工周期短，可全面解決修復、加固和環保問題。

4 工程實施及效果

“兩道防護墻+加筋濾網+柵欄板”工程方案實施按序進行，預制柵欄板、修復和加固外側擋浪墻、修復加高內側墻、修復破潰基礎并壓實、鋪設加筋濾網、安裝柵欄板、鋼索連接實現整體防護。

施工工期短，2018年完成施工。2019年遇臺風“利奇馬”，監控顯示風暴上水嚴重，持續時間長，經查相關氣象數據，當時的瞬時風力達37.7 m/s，綜合破壞力超出設計，擋墻結構未遭破壞。只出現了海水倒灌，未出現長時間越浪積水，證明該方案較好地解決了雨季和風暴潮時期的泥沙入海標準問題。

5 結語

“加筋濾網+柵欄板” 實現隔離水土、水壓力快速消散，防止地基土體過大沉降。選用小尺寸柵欄板，重量小、結構簡單、制作方便，利于質量和進度控制；可替換性好，易維護；工程設備易選擇，比常規維修節省成本，施工工期短，能快速投入使用。柵欄板連接后整體性強、穩定性好，實用性和耐久性大大增加。能有效避免頻繁維修，減少停運、停產。順應環保提升理念，達到了環保提出的禁止泥水溢流入海的要求。

本文為護岸修復和改造提出了優質方案，為碼頭岸坡穩定和后方堆場及道路提供了安全保障。修復加固方案實施減少了直接損失，延長了設施使用壽命，解決了長期受水患侵襲的技術安全難題。對新建護岸防護設計提供了借鑒經驗，為后期運營節約了大量維修成本，為其他港口護岸加固和防護施工提供了可行的經驗。