惡劣海況下低窄防波堤防臺技術(shù)與實(shí)踐

劉軒源

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

關(guān)鍵字：防波堤；低窄斷面；防臺；堤頭和堤身防護(hù)

0 引言

近年來，隨著我國沿海工程的不斷發(fā)展，深水環(huán)境下的防波堤建設(shè)項(xiàng)目日益增多，其中新建防波堤在施工過程中受到臺風(fēng)破壞的情況不斷出現(xiàn)。國內(nèi)學(xué)者對這一領(lǐng)域也作出了研究，王君輝等人［1-4］對防波堤堤頂高程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、水文特性分析、設(shè)計(jì)及施工技術(shù)方面進(jìn)行了分析，得出防波堤堤頂設(shè)計(jì)高程、施工工藝、船機(jī)設(shè)備、堤頭防護(hù)方案的選用原則。李炎保等人［5-7］綜述了國內(nèi)外在防波堤損壞這一領(lǐng)域研究的歷史與最新進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上對防波堤損壞的原因進(jìn)行了初步探討，并列舉了若干防波堤破壞典型案例。高萬國等人［8-10］對防波堤在施工期暴露在外海條件下，針對臺風(fēng)特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的堤頂和內(nèi)坡防護(hù)措施。

防波堤的破壞是一個(gè)復(fù)雜的整體過程，具有顯著的地域性，本文針對海南三亞沿海工程特定環(huán)境和特殊要求，通過復(fù)核防波堤在施工期間相關(guān)參數(shù)的防臺能力，確定防波堤防臺布置，對堤身、堤頭等重點(diǎn)部位進(jìn)行部署，有效避免了施工期內(nèi)的防波堤破壞，從而提高工程質(zhì)量，減少工程損失，確保工程工期，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

海南三亞某防波堤工程堤長2 572 m，堤頂平均高程為+7.3 m，采用斜坡式結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外坡安放扭王字塊護(hù)面，堤身外坡坡度為1∶1.5，內(nèi)坡坡度為3∶4，堤心石工程量為810 678 m3。

該防波堤堤身窄（8 m）、堤頂?shù)停?2.5 m），所處海域風(fēng)浪大、季風(fēng)明顯、臺風(fēng)頻發(fā)，作業(yè)受天氣影響大，可作業(yè)天數(shù)少，施工期間，每年對項(xiàng)目影響的臺風(fēng)多達(dá)5～8個(gè)。

2 結(jié)構(gòu)防臺設(shè)計(jì)原則

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行施工防臺設(shè)計(jì)與計(jì)算。結(jié)構(gòu)防臺應(yīng)符合以下原則：

2.1 可實(shí)施原則

防臺防護(hù)結(jié)構(gòu)需有基本滿足永久性結(jié)構(gòu)的防護(hù)功能，結(jié)構(gòu)的施工規(guī)模具有防臺決策作出后短時(shí)期內(nèi)能夠完成的特征，否則無實(shí)際意義。

2.2 減災(zāi)防護(hù)原則

在設(shè)計(jì)計(jì)算波高沖擊下，未成型的防護(hù)堤基本完好，無較大返工損失，臺風(fēng)過后能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。在設(shè)計(jì)波高以上可預(yù)見的更高一些的波浪沖擊下，未成型防護(hù)堤不致遭受重大破壞。

3 防臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范：JTS 154-1-2011》、《水工設(shè)計(jì)說明》及《海港水文規(guī)范：JTS 145-2-2013》，確定防臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《海港水文規(guī)范：JTS 145-2-2013》相關(guān)規(guī)定：

⑴ 設(shè)計(jì)波浪的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期和波列累計(jì)頻率。

⑵ 在進(jìn)行一般斜坡式建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期應(yīng)采用50年。

⑶ 在進(jìn)行斜坡式建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)波高的波列累計(jì)頻率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按表1采用。

表1 防波堤極端高水位設(shè)計(jì)波要素Tab.1 Design Wave Elements for Extreme High Water Level of Breakwater

3.2 防臺設(shè)計(jì)潮位及波高

綜合現(xiàn)有波浪水文資料，防臺期間結(jié)構(gòu)防臺對應(yīng)水位為極端水位，波要素如表2所示。

表2 防波堤極端水位設(shè)計(jì)波要素Tab.2 Design Wave Elements for Extreme Water Level of Breakwater

4 防臺防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 需防護(hù)長度

結(jié)合本工程臺風(fēng)情況，及現(xiàn)場實(shí)際施工，要求防波堤施工期內(nèi)，在堤頂高程3.5 m 處，兩側(cè)安裝扭王字塊護(hù)面塊體的條件下，均具備防臺能力，故防護(hù)長度為施工期間防波堤的長度。

4.2 防護(hù)塊體重量計(jì)算及類型比選

根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范：JTS 154-1-2011》式⑴和式⑵計(jì)算：

式中：W為單個(gè)塊體的穩(wěn)定重量（t）；γb為塊體材料的重度（kN/m3），扭王字塊體γb=23 kN/m3，塊石γb=26.5 kN/m3；H為設(shè)計(jì)波高（m）；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)，安放一層塊石時(shí)，KD取5.5；安放一層扭王字塊體時(shí)，KD取18；α為斜坡與水平面的夾角（o），cotα=m；γ為海水的重度（kN/m3），γ=10.15 kN/m3。

按防波堤內(nèi)外側(cè)均以塊石作為護(hù)面塊體，外側(cè)坡度取1∶1.5，內(nèi)側(cè)坡度取3∶4，進(jìn)行設(shè)計(jì)。防波堤防面塊體重量計(jì)算（塊石）如表3所示。

表3 防波堤護(hù)面塊體重量計(jì)算（塊石）Tab.3 Weight Calculation of Breakwater Armour Rock（Crushed Rock）

計(jì)算結(jié)果所需要的護(hù)面塊體重量10.44～42.95 t，實(shí)際施工過程中石料基本為1～3 t，結(jié)合設(shè)計(jì)護(hù)面塊體設(shè)計(jì)為1～2 t，僅靠護(hù)塊石作為護(hù)面塊體的設(shè)計(jì)不可行，需要加設(shè)扭王字塊防護(hù)。

按防波堤內(nèi)外側(cè)均安裝扭王字塊作為護(hù)面塊體，外側(cè)坡度取1∶1.5，內(nèi)側(cè)坡度取3∶4，進(jìn)行設(shè)計(jì)。防波堤防面塊體重量計(jì)算（扭王字塊）如表4所示。

表4 防波堤護(hù)面塊體重量計(jì)算（扭王字塊）Tab.4 Weight Calculation of Breakwater Protection Block（Accropode Block）

結(jié)合該防波堤的設(shè)計(jì)，防臺結(jié)構(gòu)護(hù)面采用1～2 t塊石+28 t 扭王字塊作為護(hù)面，若有施工段1～2 t 塊石護(hù)面未安裝理坡，可直接用扭王字塊作為護(hù)面，在臺風(fēng)過后適時(shí)拆除扭王字塊重新進(jìn)行塊石護(hù)面的安裝和理坡工序。

4.3 防護(hù)塊體厚度計(jì)算

根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范：JTS 154-1-2011》護(hù)面層厚度：

式中：h為護(hù)面層厚度（m）；n'為護(hù)面塊體層數(shù)，n'=1；C為塊體形狀系數(shù)，按表5取值。

經(jīng)計(jì)算，1～2 t塊石護(hù)面厚度如表6所示。

表5 塊體形狀系數(shù)CTab.5 Block Shape Coefficient C

表6 防波堤護(hù)面塊體厚度計(jì)算（扭王字塊）Tab.6 Thickness Calculation of Breakwater Protection Block（Accropode Block）

結(jié)合該防波堤的設(shè)計(jì)，防臺結(jié)構(gòu)護(hù)面1～2 t塊石的厚度取1.8 m，28 t扭王字塊護(hù)面厚度取3 m（即1層）。

4.4 防臺典型斷面

根據(jù)上述計(jì)算設(shè)計(jì)，防波堤防臺典型斷面表現(xiàn)為：1.8 m 厚 1～2 t 塊石+1 層 28 t 扭王字塊作為護(hù)面，1～2 t塊石作為壓腳棱體，防臺期間堤頂高程3.5 m，其典型斷面如圖1所示。

圖1 防波堤防臺典型斷面Fig.1 Typical Section Drawing of Breakwater

5 堤身及堤頭防臺部署

5.1 堤頭防護(hù)

推填后自然坡比約為1∶1.5，進(jìn)入防臺狀態(tài)后先在堤前拋填1 500～2 000 kg 塊石至-8.0 m 作為壓腳棱體石兼作扭王字塊的支撐平臺；拋理一層1.8 m 厚的1 000～2 000 kg 塊石、28 t 的扭王字塊護(hù)面，堤頂標(biāo)高3.5 m；在堤頭坡面扭王字塊安裝后，堤頂部分加裝扭王字塊，以加強(qiáng)對堤頭的防護(hù)。

5.2 堤身段防護(hù)

先在堤前拋填 1 500～2 000 kg 塊石至-8.0 m 作為壓腳棱體石兼作扭王字塊支撐平臺；外坡按設(shè)計(jì)1∶1.5的坡比安裝1 000～2 000 kg 塊石作為護(hù)面，理坡完成后立即安排起重船安裝扭王字塊至標(biāo)高3.5 m 以上；外坡按設(shè)計(jì) 3∶4 的坡比安裝 1 000～2 000 kg 塊石作為護(hù)面，理坡完成后立即安排起重船安裝扭王字塊至標(biāo)高3.5 m以上。

5.3 流水節(jié)拍

進(jìn)入臺風(fēng)季節(jié)時(shí)，縮短堤頭裸露段的長度，施工流水節(jié)拍按照20 m?20 m?20 m控制，即兩側(cè)未理坡堤心石裸露長度控制在20 m左右，未理坡墊層塊石裸露長度控制在20 m 左右和未安裝扭王字塊體護(hù)面堤面控制在20 m 左右（見圖2）。當(dāng)啟動防臺預(yù)案后（臺風(fēng)預(yù)警72 h），立即停止堤心石推填工作。

圖2 防波堤防臺流水施工圖Fig.2 Construction Flow Drawing of Breakwater

6 結(jié)語

⑴ 根據(jù)設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙確定結(jié)構(gòu)防臺的設(shè)計(jì)原則：結(jié)構(gòu)的施工規(guī)模具有防臺決策作出后短時(shí)期內(nèi)能夠完成的特征，臺風(fēng)過后能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。

⑵ 結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防波堤防臺典型斷面表現(xiàn)為：1.8 m 厚 1～2 t 塊石+1 層 28 t扭王字塊作為護(hù)面，1～2 t 塊石作為壓腳棱體，防臺期間堤頂高程為3.5 m。

⑶ 對堤頂和堤身進(jìn)行施工流水節(jié)拍控制，按照20 m?20 m?20 m的步距：將兩側(cè)未理坡堤心石裸露長度控制在20 m左右，未理坡墊層塊石裸露長度控制在20 m左右，未安裝扭王字塊體護(hù)面堤面控制在20 m左右。

工程實(shí)踐證明，對于所處海域風(fēng)浪大、季風(fēng)明顯、臺風(fēng)頻發(fā)的低窄防波堤，通過對防波堤進(jìn)行結(jié)構(gòu)防臺設(shè)計(jì)計(jì)算，復(fù)核其在施工期間相關(guān)參數(shù)的防臺能力，確定防波堤防臺布置，對堤身、堤頭等重點(diǎn)部位進(jìn)行部署，可有效避免施工期內(nèi)的防波堤破壞，既減少了施工期間因臺風(fēng)襲擊遭受的損失，又保障了工程施工的安全及工期，可為后續(xù)類似工程提供參考。