某丁字壩工程受臺風“圓規”影響損毀原因分析

詹坤豫 中交四航局港灣工程設計院有限公司

近年來，隨著全球氣候的變化，強等級臺風出現的頻次越來越高，造成的破壞性也越來越嚴重，許多上世紀或本世紀初設計及建設的海工建筑物在這些強臺風或超強臺風的作用下，因原工程采用較低的設計標準，原結構無法抵御超設計等級臺風作用，造成結構失穩，進而形成不同程度的破壞，不僅失去了建筑物本身的工程作用，同時還造成了公共財產的損失。本文依托粵東某海域海岸帶綜合整治與修復項目丁字壩工程項目受臺風”圓規”影響損毀事件，結合工程相關專題研究報告和建設過程記錄資料，按現行行業標準、規范，對該工程受損丁字壩原設計建設方案進行結構安全性、耐久性計算復核，分析造成結構損毀的原因，提出修復意見與建議，同時為類似工程提供相關借鑒經驗。

1.工程概況

本工程原為海岸帶綜合整治與修復項目，為整治岸灘因潮流運動淘刷侵蝕而建。在該海岸帶侵蝕岸段布置5組垂岸丁字壩，間距約400m，自岸邊起向海側伸出。5組丁字壩（含堤頭段）總長度為531m。其中一號、二號、三號、四號、五號丁字壩長分別為80m、80m、115m、106m、150m，堤頂高程均為2.5m。

堤身采用斜坡式結構方案，內外側坡度均為1:1.5，堤心采用10～100k g 塊石，堤頂與兩側坡面采用安放800 mm 厚2 t 四腳空心方塊護面，塊體下設置800 mm 厚100～200kg塊石墊層，堤身兩側坡腳均采用W>300kg的塊石棱體。坡腳兩側均設置頂寬5m 厚600 mm重60～150kg的護底塊石，下方設置300mm的碎石墊層。

堤頭段均采用斜坡式扭王字塊護面結構型式，內外側坡度均為1:1.5，堤心采用10～100kg塊石，堤頂與兩側坡面采用安放1540mm厚的3t扭王塊護面，塊體下設置900mm 厚的50～300kg塊石墊層，堤身兩側坡腳均采用W>300kg的塊石棱體。坡腳兩側均設置頂寬為10m，厚600mm，重60～150kg的護底塊石，下方設置300mm的碎石墊層。

2.丁壩損毀情況

受“圓規”臺風的影響，五座丁字壩結構均有不同程度的損毀，根據檢測結果，5組丁字壩的堤頭基本坍塌，扭王字塊散亂、稀疏，甚至部分或全部缺失，表明受損均較為嚴重，海床面存在部分散落的塊石。靠近堤頭段的堤身損壞較為嚴重，護面塊2t四腳空心方塊散亂、稀疏，部分缺失、移位。堤根、堤身中段損壞程度不大，護面塊2t四角空心方塊分布相對平順，線條較為平順，個別區域存在塌陷、松散，堤身兩側護面塊存在滑落、堆積，海床有散落塊石等現象。

綜上，丁壩主體堤身結構雖損壞程度不大，但已失去抵抗原設計風浪的能力，特別是再次遭遇與“圓規”同等級甚至更高級別的臺風時，整個主體結構也將遭受更為嚴重的破壞，給人民公共財產帶來巨大損失。因此，需要從所在海區風浪條件入手，全面分析研究原設計波浪因素以及“圓規”臺風要素、結合行業規范及標準，驗算丁壩堤身結構，開展必要的波浪數學模型、斷面物理模型、整體物理模型試驗研究，為修復加固提供基礎依據，進而為提出符合行業規范標準要求、安全穩妥、實施方便、經濟合理的修復加固設計方案提供理論基礎。

圖1 堤身典型斷面

圖2 堤頭典型斷面

3.丁壩設計波浪要素分析[1]

3.1 原設計條件

根據原設計報告，本項目設計水位如下：

極端高水位:3.58m；設計高水位:1.80m；設計低水位:0.20m；極端低水位:-0.49m。

3.2 設計波浪要素分析

基于本項目周邊的岸線與波浪方向，波浪推算組合為S、SE、E、NE方向，對應波浪要素與潮位為50年一遇極端高水位組合，其中四個方向波浪要素由本報告外海浪重現期推算結果給定，平均周期按照《港口與航道水文規范》（JTS145——2015）求取。選取丁字壩上5個波浪要素代表點，見圖3。

圖3 丁字壩上波浪推算代表點

根據小區域波浪推算結果，在四個不同方向波高到丁字壩前均有最大值，選取四個方向之中的最大值作為設計推薦值，按照《海港水文規范JTS 145-2-2013》中不同H13%/d與HF%/H13%的關系圖換算得到各水位下丁字壩代表點波浪要素，見表1、表2。

表1 堤頭段各代表點各向入射波浪重現期波浪推薦值

表2 堤身段設計高水位各代表點波高

4.主體結構復核[2]

4.1 護面塊體結構復核

根據《防波堤與護岸設計規范》（JTS 154——2018）第4.3.7條，護面塊體的穩定重量按下式進行計算：

式中：W為單個塊體的穩定重量（t），γb為塊體材料重度（kN/m3），扭王字塊γb=24k N/m3；H為設計波高，取極端高水位下H13%的波高（H13%=4.57m）；KD為塊體穩定系數，四角空心方塊KD=14，扭王字塊KD=16；γ為水的重度（kN/m3）；α為斜坡與水平面的夾角（°），扭王字塊護面ctgα=1.5。

本次復核分別根據原設計波要素及數模報告推薦波要素進行復核，復核結果如表3所示。

表3 護面塊體穩定重量計算復核（原設計文件波浪參數）

表4 護面塊體穩定重量計算（數模報告推薦波浪參數）

根據《防波堤與護岸設計規范》（JTS154——2018）第4.3.7條，對于設計波浪平均周期大于10s的情況，塊體重量應適當加強并需進行模型試驗驗證。根據本工程數模報告推薦的波浪資料，堤頭段波浪平均周期大于10s，因此，應適當加強并宜進行模型試驗對設計方案加以驗證。

4.2 堤前護底塊石的穩定重量和厚度

根據《防波堤與護岸設計規范》（JTS 154——2018）第4.3.22條，按如下公式計算堤前最大波浪底流速，結果見表5。

表5 堤前最大波浪底流速復核

根據《防波堤設計與施工規范》JTS154-1-2011中堤前護底塊石的穩定重量表查得堤前護底塊石的穩定重量為60～150kg。堤前護底塊石的厚度按如下公式計算，結果見表6。

表6 護底塊石厚度復核

5.受損原因分析

5.1 臺風“圓規”影響因素

臺風“圓規”實測資料如下：①最大風速為33.6米/每秒（12級），出現時段為12日19時（龜島站）。②最高潮位為2.83m（黃海基準面），轉換成當地理論最低潮面，其最高潮位為3.55m；出現時段為12日17時20分（惠來站）。③最大波高 4.8m。

原設計資料如下：①極端高水位：3.58m；（當地理論最低潮面）；②設計波高：H13%=3.21m。

經對比，臺風“圓規”引起的工程區波浪超過了原設計的采用的波浪標準，臺風引起的潮位基本與設計極端高水位持平，大波高疊加高水位，對水工結構安全造成了較大的風險，直接導致了丁字壩堤頭的損毀及堤身的局部損壞。

5.2 結構因素

工程區波浪基本為長周期波，平均波長90 m 左右，5座丁壩總長分別為80m、80m、110m、106m、150m，短的不到1倍波長，長的也僅1.5倍波長，堤身區甚至堤頭區水深較淺，易于出現破碎波。專題研究成果表明：采用“T”字型的堤身、堤頭平面布置較常規“一”字型布置的丁壩，對海岸的保護范圍及效果相對更好，但堤身、堤頭間采用凹彎形式過渡，結構上不太順直，易于產生波能集中和紊流，對壩體兩側護面塊體的抗浪能力以及護底結構的防沖刷能力要求會更高。

6.結語

（1）臺風“圓規”引起的工程區波浪超過了原設計的采用的波浪標準，且大波高疊加高水位，對水工結構安全造成了較大的風險，直接導致了丁字壩堤頭的損毀及堤身的局部損壞，因此，臺風因素是本次丁字壩受損主要原因。

（2）原丁字壩設計波浪等級偏低，近年來受強臺風影響，粵東地區防波堤及護岸經常有損壞情況發生，應適當提高設計波浪等級。

（3）建議提高設計標準，更新水文資料、水深地形測量資料重新開展波浪數模推算，并引入近幾年的臺風資料，重新確定設計波要素，并根據設計波要素確定修復方案。

（4）加強堤頭及堤身結構設計，適當增加堤頭長度及堤頭護面塊體規格，另外，靠近堤頭段的堤身深水條件與堤頭基本一致，波、流條件相近，宜采用與堤頭相同的設計波要素。

（5）做好堤頭與堤身銜接段的過渡處理，避免堤頭、堤身間采用凹彎形式過渡，以免產生波能集中和紊流，對壩體兩側護面塊體以及護底結構造成不利影響。

（6）加強護腳及護底結構設計，防波堤經常由于棱體塊石抗浪、流能力不足而導致局部失穩，繼而導致護面塊失去足夠的支撐而失穩、滑落。因此，丁字壩兩側棱體頂面高程應避開波浪破碎帶或提高塊石規格。