深水斜坡堤破壞致因分析及修復方案研究*1

胡曦光，于定勇

(1.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，山東 青島 266071)

深水斜坡堤破壞致因分析及修復方案研究*1

胡曦光1,2，于定勇1

(1.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，山東 青島 266071)

以沿海某船廠防波堤破壞為背景，通過總結深水防波堤的設計方法，對比新、老防波堤規(guī)范關于深水防波堤不同的要求，在分析該船廠防波堤破壞原因的基礎上，提出修復設計方案，并通過物理模型試驗驗證，對該方案進行優(yōu)化。

深水斜坡堤；破壞；致因分析

山東某船廠防波堤兼碼頭外側(cè)防波堤在2012年第0006號臺風“布拉萬”影響下，發(fā)生嚴重破壞，造成多處擋浪墻坍塌，護面塊體失穩(wěn)，碼頭面破碎、淘刷懸空等問題。事故帶來了巨大的經(jīng)濟損失，并嚴重影響了船廠舾裝碼頭的生產(chǎn)作業(yè)。

由于此處防波堤水深約20 m，屬深水斜坡堤。它的斷面設計和結構構造均與淺水堤存在差異，應引起足夠重視。這次破壞的一個重要原因就是未能全面考慮深水斜坡堤的特點。

1 深水堤與淺水堤的異同分析

1.1 深水斜坡堤設計

目前，海岸工程界普遍認為深水斜坡堤在波浪作用機理上與淺水斜坡堤沒有本質(zhì)的不同，而不同之處在于工程環(huán)境發(fā)生變化，工程地點浪大水深，施工控制難度成倍增加，導致其斷面型式、結構尺度、構造措施、施工方法等都與淺水堤有較大的差別?？偨Y一些關于深水堤設計的建議如下：

1.1.1 護面塊體的型式

深水斜坡堤的迎浪面不宜采用四腳空心方塊和柵欄板等規(guī)則型人工塊體[1]，因為規(guī)則塊體主要依靠自身重量來穩(wěn)定，在外海大浪作用下個別失穩(wěn)往往導致局部大面積失穩(wěn)。所以應盡量考慮采用有互相嵌固、鉤連的人工塊體型式，常見的有扭工字塊體、扭王字塊體。另外，根據(jù)歐洲某研究機構關于世界眾多使用扭王字塊護面塊體的工程研究發(fā)現(xiàn)，不設肩臺斜坡面上的人工塊體個數(shù)不應超過18塊。

1.1.2 構造要求

傳統(tǒng)防波堤堤心石一般采用10～100 kg塊石，對深水斜坡堤堤心石可采用1～800 kg開山石[2]。另外，由于深水斜坡堤斷面尺度大、水深大、施工難度也大，因此，相對一般斜坡堤原來構造要求的尺度均應加大，如堤身、堤頭的護底范圍、坡腳棱體的厚度和寬度等。

1.1.3 關鍵計算方法

1)肩臺高程

理論和試驗研究表明[3]，波浪的能量大部分集中在水體的表層，在靜水面以下2倍與3倍波高的水層厚度內(nèi)分別集中了90%和98%的波能。因此，深水斜坡堤肩臺頂高程不宜高于計算水位以下1.0倍波高。相關的試驗研究表明，相同的人工塊體在平面上以及平面與坡面相接處穩(wěn)定性較差。

2)護面塊體穩(wěn)定重量

在波浪正向作用，并且波浪不發(fā)生破碎的情況下，防波堤肩臺上、下護面塊體的穩(wěn)定重量仍可按Hadson公式計算，但根據(jù)不同情況，穩(wěn)定系數(shù)取值應有所不同。

1.2 新、舊《防波堤設計與施工規(guī)范》中深水防波堤的敘述

隨著港口建設向水深、浪大、自然條件更為惡劣地區(qū)發(fā)展，大型深水斜坡堤工程實踐越來越多，JTS154-1-2011 《防波堤設計與施工規(guī)范》[4]專門增加了針對深水斜坡堤的規(guī)范條款。根據(jù)2011版[4]、1998版[5]防波堤規(guī)范內(nèi)容的對比，說明以下方面在設計中應有別于一般防波堤，詳見表1。

表1 新版防波堤規(guī)范增加的深水斜坡堤內(nèi)容匯總表Table 1 Aspects of deepwater mount breakwater added in the new version of breakwater specifications

注：空白處無內(nèi)容

2 山東某船廠防波堤原設計方案及破壞情況

2.1 原設計概況

1)設計條件

表2 設計條件匯總表Table 2 Summary of the designing conditions

注：空白處無內(nèi)容

2)平面布置

山東某船廠舾裝碼頭總長1 204 m，構成了U型港池，包括直立式岸壁、防波堤兼碼頭和順岸碼頭。防波堤兼碼頭外側(cè)防波堤為拋石斜坡式結構，防波堤總長719.34 m，包括北段和東段，其中東段在臺風“布拉萬”影響下發(fā)生嚴重破壞。

3)原水工建筑物結構

防波堤為拋石斜坡堤。堤心是10～100 kg塊石，護面安放一層7 t扭王字塊體。坡度為1∶1.7。在堤頂設擋浪墻，墻頂標高7.5 m。在-7.8 m處設拋石棱體，頂寬4 m，坡度1∶1.7。拋石棱體為拋填700 kg以上大塊石。面層結構采用現(xiàn)澆C30混凝土(圖1)。

圖1 原設計斷面圖Fig.1 Sectional view of the originally designed breakwater

2.2 破壞情況

防波堤在2012年第0006號臺風“布拉萬”影響下，發(fā)生嚴重破壞。主要破壞內(nèi)容：

1)防波堤護面塊體(7 t扭王字塊)失穩(wěn)、斷裂，在K0+155～K0+305、K0+405～K0+525段，護面塊體全部缺失。

2)K0+100～K0+260、K0+520～K0+580段堤頂擋浪墻發(fā)生傾倒、破碎或折斷，其余擋墻也不同程度發(fā)生開裂，傾斜以及沉降等顯現(xiàn)。

3)擋浪墻后方地坪破碎塌陷面積達1 400 m2，地坪下方淘刷懸空達1 200 m2。破壞發(fā)展最寬處，至門機后軌道梁邊緣(破壞現(xiàn)場詳見圖2)。

圖2 防波堤破壞現(xiàn)場(2012-09)Fig.2 The site of the breakwater destruction (September 2012)

2.3 破壞原因分析

1)原推算波浪偏小，使護面塊體重量偏小，在臺風作用下失穩(wěn)。并且從防波堤上可見斷裂的扭王字塊體推斷，在波浪作用下護面塊體發(fā)生了大量運動，相互碰撞導致塊體斷裂。

2)下部棱體頂高程較高，大塊石重量較小，在波浪打擊下堤腳棱體失穩(wěn)，在破壞后斷面測量圖中該處淘刷非常明顯。棱體失穩(wěn)后護面塊體沿坡下滑，使護面大面積失穩(wěn)。

圖3 破壞后斷面測量圖Fig.3 The cross section plotted based on the measurements after the breakwater destruction

3)當波浪在斜坡堤上破碎，會形成很強的沿堤水流，對下部拋石棱體及坡腳形成很大的沖擊淘刷，從而嚴重影響坡腳穩(wěn)定。本工程海底為裸露巖基，當巖面局部向海側(cè)傾斜時，塊石極易失穩(wěn)，原設計沒有設護底塊石，可能是導致坡腳被淘刷的一個原因。

4)根據(jù)防波堤設計與施工規(guī)范，防波堤頂肩部應能擺放2排人工塊體，但原設計圖頂寬1.826 m，只能安防一排人工塊體。該處很容易失穩(wěn)，并導致?lián)趵藟η安亢偷撞繅K石被淘刷。

5)擋浪墻上部抗剪承載力不足，并且施工中分層現(xiàn)澆砼結合不良，導致墻體破壞。

3 修復設計方案

3.1 自然條件

1)基準面：高程基準面采用當?shù)乩碚撟畹统泵?，位?985國家高程基準以下1.23 m。

2)設計水位

設計高水位：2.30 m； 設計低水位：0.16 m；

極端高水位：3.40 m； 極端低水位：-0.87 m。

3)波浪要素(表3、表4)

表3 工程區(qū)在極端高水位(3.40 m)情況下波浪要素計算結果(波高：m 周期：s)Table 3 Calculations of waves in the engineering area at extreme water level 3.40 m(Wave height: m;Wave period: s)

表4 工程區(qū)在設計高水位(2.30 m)情況下波浪要素計算結果(波高：m 周期：s)Table 4 Calculations of waves in the engineering area at designed water level 2.30 m(Wave height: m;Wave period: s)

4)工程地質(zhì)

工程區(qū)范圍內(nèi)自上而下分為3層。現(xiàn)分述如下：

(1)淤泥

灰黑色，飽和，流塑～軟塑狀，刀切面粗糙，無光澤，具腥臭味，污手。在工程區(qū)域零星分布，最大厚度0.70 m。

(2)細砂

灰色，飽和，呈松散狀，主要為石英顆粒，分選磨圓較好，混少量淤泥、云母細片，偶有貝殼碎片，夾碎石。場區(qū)海域普遍分布，最大厚度0.30 m。

(3)強風化花崗巖

灰褐色、灰色，花崗結構，塊狀、條帶狀、片麻狀構造，巖石破碎，裂隙很發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，透水性良好。為硬質(zhì)巖石強風化帶，巖體完整程度為破碎，碎裂狀結構。場區(qū)海域普遍分布。

3.2 修復加固方案

1)建筑物種類：斜坡式防波堤，50T塔式起重機軌道梁，碼頭面層。

2)工程結構安全等級：二級。

3)設計荷載：

(1)波浪：詳見“自然條件”；

(2)舾裝碼頭面層均布活荷載：30 kN/m2；

(3)結構自重力。

4)防波堤修復方案

將水下堆積物高出墊層坡面處的物料挖除并理坡，然后回填10～100 kg堤心塊石。在防波堤最外側(cè)拋填200～300 kg護底塊石，頂高程-18.0 m。然后拋填2 t以上大塊石蹬腳棱體，坡度1∶1.5，頂高程-10.0 m。護面安放一層12 t扭王字塊體，在-0.7 m處設置消浪肩臺一處，寬7 m，安放3排扭王字塊體。護面下拋理500～700 kg塊石墊層(兩層)。堤頂設現(xiàn)澆C35F300鋼筋砼擋浪墻，堤頂高程7.8 m。修復后碼頭面頂寬仍為25 m。

3.3 物理模型試驗

1)試驗內(nèi)容

試驗共進行了2個原始斷面和1個修改斷面的穩(wěn)定、越浪和波壓力試驗。試驗工況詳見表5。

表5 試驗工況一覽表Table 5 List of test conditions

2)試驗結果

試驗結果詳見表6。

3)試驗結論

(1)各斷面胸墻穩(wěn)定，除波浪破碎處扭王字塊體隨波浪破碎運動發(fā)生晃動、拋填棱體部分出現(xiàn)個別大塊石失穩(wěn)外，各部位均穩(wěn)定；

(2)各斷面在極端高水位波浪作用下，越浪量較大，越浪沖擊胸墻后的距離較遠。

表6 穩(wěn)定性和越浪情況試驗結果表Table 6 Results from the stability and wave overtopping experiments

注：空白處無內(nèi)容

3.4 方案優(yōu)化調(diào)整

在經(jīng)過物理模型試驗驗證后，設計斷面的擋浪墻、扭王字塊體、護底塊石、蹬腳棱體的穩(wěn)定性均滿足要求，但在極端高水位、50 a一遇設計波浪條件下，越浪量較大；另外，經(jīng)過調(diào)查，當?shù)? t以上的大塊石在市場很難購買到，并且船廠現(xiàn)有可利用的500余塊7 t扭王字塊體。

針對這些情況，重新優(yōu)化設計方案，調(diào)整結構型式：1)抬高消浪肩臺使波浪在堤前更多破碎，以降低越浪量；2)降低蹬腳棱體頂面高程，減輕波浪對其沖擊影響，以減小棱體塊石規(guī)格；3)設計低水位1.0倍波高以下護面塊體受力較小，適當減輕塊體重量，并利用現(xiàn)有7 t扭王字塊體；4)減少塊石護底長度。

調(diào)整設計方案如下：堤身段在防波堤最外側(cè)拋填200～300 kg護底塊石，頂高程-18.0 m，寬度5 m。然后拋填700 kg以上大塊石蹬腳棱體，坡度1∶1.5，頂高程-11.5 m。底部護面安放一層7 t扭王字塊，共4塊，頂高程-7.5 m；然后安放一層12 t扭王字塊體，在1.3 m處設置消浪肩臺一處，寬6.55 m，安放3排扭王字塊體。護面下拋理500～700 kg塊石墊層(兩層)。堤頂設現(xiàn)澆C30F250砼擋浪墻，堤頂高程7.8 m(圖4)。

優(yōu)化方案經(jīng)物理模型試驗檢驗后，各個部位均滿足穩(wěn)定性要求。

圖4 優(yōu)化后最終斷面圖Fig.4 The final cross section after the optimization

4 結 論

對沿海某船廠防波堤破壞情況分析后，總結可能的破壞原因包括：原推算波浪偏小，使扭王字塊體重量小，在臺風作用下失穩(wěn)破壞；下部棱體失穩(wěn)后護面塊體沿坡下滑，護面大面積失穩(wěn)破壞；原設計沒有設護底塊石，導致坡腳被淘刷；原設計頂肩只能安防1排人工塊體，容易導致?lián)趵藟η安亢偷撞繅K石被淘刷。

針對破壞可能的致因，提出帶肩臺和蹬腳棱體，以12 t扭王字塊體為護面的斜坡堤結構做為修復方案。并經(jīng)斷面物理模型試驗驗證后，優(yōu)化了斷面結構型式：抬高消浪肩臺以使波浪在堤前更多破碎，以降低越浪量；降低蹬腳棱體頂面高程，以減小波浪和沿堤水流對其沖擊影響；水下1.0倍波高以下護面塊體受力較小，適當減輕塊體重量，并利用現(xiàn)有7 t扭王字塊體等。根據(jù)工程特點，還進行了越浪影響分析，在不影響舾裝碼頭工作的情況下，適當控制擋浪墻高程，以減少工程投資。優(yōu)化斷面各個部位穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

[1]王美茹.深水防波堤設計方法初探[J].港工技術,2010,47(3):1-7.

[2]馮衛(wèi)兵，金鷹，楊越，等.深水防波堤堤心石級配與沉降量對比分析試驗研究[C]∥第十四屆中國海洋(岸)工程學會討論論文集(上冊).北京:海洋出版社,2009:563-567.

[3]柳玉良.深水斜坡式防波堤結構形式及護面塊體穩(wěn)定性試驗研究[J].中國港灣建設,2013(1):22-24.

[4]JTS154-1-2011 防波堤設計與施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[5]JTJ298-98 防波堤設計與施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1998.

FailureCauseAnalysisandRenovatingPlanStudyonDeepwaterMoundBreakwaters

HUXi-guang1,2,YUDing-yong1

(1.OceanUniversityofChina,Qingdao 266100,China;2.TianjinPortEngineeringDesign&ConsultingCompanyLtd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLtd.,Qingdao 266071,China)

Taking breakwater destruction in a coastal shipyard as background,the method for designing the deepwater mount breakwater is summarized and the requirements of breakwater in the new and the old specifications are compared.A renovating plan is proposed for the breakwater on the basis of analyzing the causes of the breakwater damage in the shipyard and then optimized through experimental verification by using a physical model.

deepwater mound breakwater;destruction;failure cause analysis

2014-05-27

胡曦光(1983-)，男，工程師，主要從事港口航道與海岸工程咨詢、設計方面工作.E-mail:huxiguang123@126.com

(杜素蘭 編輯)

U656.3

A

1002-3682(2014)03-0047-08