澳門地區(qū)海堤修復(fù)設(shè)計(jì)思路的探討

王媛，辛憲濤

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

澳門主要面臨熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）、風(fēng)暴潮、暴雨等氣象災(zāi)害及其導(dǎo)致的城市洪澇、滑坡等自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。隨著全球氣候變暖及海平面上升，未來熱帶氣旋和風(fēng)暴潮的強(qiáng)度有可能增加，暴雨、高溫?zé)崂说葮O端天氣事件亦有增加趨勢(shì)。1927年8月20日最高潮位2.94 m（MSL，澳門平均海平面，下同），1993年（“9316”臺(tái)風(fēng)貝姬）最高潮位2.98 m，2008年（“0814”臺(tái)風(fēng)黑格比）最高潮位2.83 m[1]，2017年8月超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”引發(fā)澳門內(nèi)港出現(xiàn)歷史最高潮位3.78 m[2-3]，2018年（“1809”臺(tái)風(fēng)“山竹”）最高潮位3.4 m，“山竹”風(fēng)力強(qiáng)勁夾帶暴雨，引發(fā)海水倒灌。這些熱帶氣旋、風(fēng)暴潮造成澳門嚴(yán)重破壞及水浸，海堤作為防護(hù)屏障亦受到?jīng)_擊和破壞，破壞形式主要表現(xiàn)為護(hù)面塊石分布不均不能起到保護(hù)作用；墊層塊石、堤心回填料流失等。

據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，大部分澳門沿線海堤受到不同程度的破壞，而根據(jù)澳門特別行政區(qū)防災(zāi)減災(zāi)十年規(guī)劃[5]，澳門地區(qū)所有的海堤防洪標(biāo)準(zhǔn)將整體提高至重現(xiàn)期200 a，特別重要保護(hù)區(qū)其重現(xiàn)期將提高至300 a。這意味著澳門在接下來的10 a中，將進(jìn)行大規(guī)模的海堤修復(fù)和整治工作。本文基于澳門某海堤修復(fù)工程，基于最新水文資料和防洪要求，制定合適的海堤修復(fù)方案，為澳門地區(qū)其他海堤修復(fù)和整治提供有益的參考。

1 工程概況

澳門某海堤修復(fù)工程位于澳門新口岸填海區(qū)孫逸仙大馬路，在澳門文化中心以南附近，占地面積6.2萬 m2。該工程于 2006年 10月動(dòng)工，2009年年底竣工，使用至現(xiàn)在已近10 a。在經(jīng)歷了“天鴿”、“山竹”等超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)后，該工程海堤發(fā)生了不同程度的損壞，包括護(hù)底、護(hù)面塊石松散；堤心材料流失、堤頂路面沉陷等問題。海堤修復(fù)長度388 m，堤頂標(biāo)高4.5 m，防浪墻標(biāo)高5.0 m，堤頂?shù)缆穼捈s9 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期100 a，工程級(jí)別1級(jí)。根據(jù)原設(shè)計(jì)資料揭示原海堤結(jié)構(gòu)為1.85 m厚1 t塊石護(hù)面，0.85 m厚100 kg墊層塊石，土工網(wǎng)墊，50 cm厚碎石墊層。堤心材料為回填砂，堤基處理方式為全清淤回填砂，典型斷面見圖1。

圖1 海堤原設(shè)計(jì)斷面Fig.1 Original design section of the seawall

2 海堤破壞現(xiàn)狀及原因分析

2.1 破壞現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，海堤主要出現(xiàn)了護(hù)面塊石松散、空洞、墊層碎石流失、堤頂路面沉陷、防浪墻表層面板脫落、路燈傾斜等問題。見圖2。

圖2 海堤破壞狀況Fig.2 Current situation of breakwater damage

2.2 原因分析

原海堤的防護(hù)結(jié)構(gòu)包括防浪墻、塊石護(hù)面和拋石護(hù)底三部分，經(jīng)過10 a左右的使用，基本處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，在遭遇2017—2018年歷史統(tǒng)計(jì)最大的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”、“山竹”侵襲時(shí)，海堤整體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)明顯的滑坡，海堤的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)仍比較穩(wěn)固，但海堤的防護(hù)結(jié)構(gòu)并沒有達(dá)到防御強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和大風(fēng)暴潮沖擊的等級(jí)，在波浪的正面沖擊和吸力作用下，塊石護(hù)面出現(xiàn)明顯的移動(dòng)、變形、失穩(wěn)和損壞，塊石層下的細(xì)顆粒堤心材料在波吸力作用下局部流失，導(dǎo)致部分路面塌陷和防浪墻傾斜損壞，如果不采取及時(shí)的防護(hù)修復(fù)和加強(qiáng)措施，如再經(jīng)歷類似臺(tái)風(fēng)影響，致使護(hù)面持續(xù)破壞和堤心結(jié)構(gòu)的水土流失，可能會(huì)對(duì)后方建筑的正常使用構(gòu)成安全隱患。

3 工程的復(fù)雜性

3.1 特殊歷史文化背景

本工程海堤防護(hù)的后方澳門重要建筑物，由于其特殊的歷史背景和文化背景，海堤堤頂高度、防浪墻的結(jié)構(gòu)形式以及護(hù)面塊體的樣式、顏色等都須保證與破壞前一致。而要達(dá)到原設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100 a的防洪要求，根據(jù)最新的水文資料測(cè)算的海堤高程至少需要增加0.5 m，而為了達(dá)到越浪量的要求，防浪墻的結(jié)構(gòu)形式也需由透空型防浪墻修改為連續(xù)的結(jié)構(gòu)實(shí)體。

3.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)

原海堤的防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期100 a，在2005年設(shè)計(jì)時(shí)采用的重現(xiàn)期100 a的極端高水位為2.93 m（統(tǒng)計(jì)年限為1925—2003年），設(shè)計(jì)的海堤堤頂高程為4.5 m，防浪墻頂高程5.0 m。但基于澳門站1925—2017年的最新潮位統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算得到重現(xiàn)期100 a的極端高水位為3.38 m。這是考慮了臺(tái)風(fēng)“天鴿”引發(fā)的內(nèi)港最高潮位3.78 m。因此，一方面需要基于最新統(tǒng)計(jì)年限的潮位資料確定極端高水位，重新核算堤頂高程及防浪墻頂高程。另一方面，需要結(jié)合澳門地區(qū)最新的防洪規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃確認(rèn)重現(xiàn)期100 a的防洪標(biāo)準(zhǔn)是否能適應(yīng)目前及今后若干年的防洪要求。

3.3 透空型防浪墻

本工程海堤防浪墻的結(jié)構(gòu)形式為透空型防浪墻，防浪墻墻體上開有洞口，其面積約占整個(gè)墻體的1/4。這種結(jié)構(gòu)形式較少見，目前未有這種防浪墻結(jié)構(gòu)的越浪量理論計(jì)算公式，因此較難核算其堤頂越浪量。

3.4 原海堤資料不全

一方面，該海堤工程缺失施工圖竣工資料，只有初步設(shè)計(jì)文件，對(duì)海堤原始結(jié)構(gòu)掌握不全。另一方面，該海堤在2008年經(jīng)歷“黑格比”臺(tái)風(fēng)后進(jìn)行過修復(fù)，但缺失修復(fù)后的結(jié)構(gòu)資料?；诖耍谠己５碳艾F(xiàn)狀海堤的結(jié)構(gòu)形式尚不清楚的情況下進(jìn)行全面修復(fù)和整治是本工程的難點(diǎn)之一。

4 對(duì)工程復(fù)雜性的研究和對(duì)策

4.1 應(yīng)對(duì)特殊歷史文化背景

澳門地區(qū)尤為重視歷史文化背景，由于該建筑的重要性和歷史文化特殊性，本工程在保證安全滿足一定防洪要求的前提下，修復(fù)設(shè)計(jì)方案尊重當(dāng)?shù)匚幕?xí)俗，盡量不改變?cè)添敻叱?、護(hù)面塊石樣式、顏色、防浪墻結(jié)構(gòu)樣式。

4.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[6]規(guī)定，各類防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)防洪安全的要求，并考慮經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)、環(huán)境等因素，綜合論證確定。

根據(jù)2010年國務(wù)院已批復(fù)實(shí)施的《珠江河口綜合治理規(guī)劃》[7]中，澳門片灘涂（主要指澳門半島南片、東片，凼仔北片，凼仔和路環(huán)之間片，十字門水道東側(cè)路環(huán)西南片灘涂）暫按國家特別重要城市考慮，遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年（2020年）暫按重現(xiàn)期300 a防洪潮標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)澳門特別行政區(qū)防災(zāi)減災(zāi)十年規(guī)劃（2019—2028年）[5]，澳門地區(qū)的防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)見表1所示。

表1 澳門地區(qū)防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Flood control(tide)standard in Macao

綜合以上三因素，從中期目標(biāo)來看，本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)適宜確定為重現(xiàn)期200 a。但提高防洪標(biāo)準(zhǔn)就意味著提高海堤堤頂標(biāo)高。一方面考慮到本工程的特殊歷史文化背景，另一方面，由于本工程海堤堤頂約9 m范圍處坐落著該建筑物，若堤頂標(biāo)高提升，該重要建筑物的地面層將被全部遮掩，變成“地下”。

基于以上原因，本工程的海堤防洪標(biāo)準(zhǔn)仍定為重現(xiàn)期100 a，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)潮位和設(shè)計(jì)波要素須根據(jù)最新年限統(tǒng)計(jì)資料確定，推算結(jié)果見表2、表3。由于未提升防洪標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)本工程進(jìn)行防洪分析。

表2 澳門站高潮位計(jì)算Table 2 Calculation of tide level of Macao station

表3 設(shè)計(jì)波要素計(jì)算Table 3 Calculation of design wave elements

4.3 透空型防浪墻越浪量的計(jì)算

鑒于防浪墻需原樣修復(fù)的要求（特殊的文化背景），對(duì)于透空型防浪墻的越浪量計(jì)算考慮以下兩個(gè)方面：

1）按照堤頂有防浪墻的情況考慮，不考慮鏤空設(shè)計(jì)，按照規(guī)范越浪量的理論計(jì)算公式計(jì)算。

2）按照堤頂無防浪墻的情況考慮，按照規(guī)范越浪量的理論計(jì)算公式計(jì)算。

堤頂越浪量計(jì)算結(jié)果見表4，計(jì)算結(jié)果表明：按照有防浪墻情況考慮時(shí)，越浪量遠(yuǎn)小于0.02 m3/（s·m）的規(guī)范要求；按照無防浪墻情況考慮時(shí)，越浪量略大于規(guī)范要求。由此可見，鏤空式設(shè)計(jì)影響越浪量的大小。針對(duì)越浪量略大的情況，對(duì)設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行防洪分析研究，復(fù)核海堤的防洪能力。研究表明在保證海堤自身安全及對(duì)堤后越浪量排泄暢通的前提下，海堤堤頂高程及防浪墻高程滿足重現(xiàn)期100 a防洪、防潮標(biāo)準(zhǔn)，但仍需要加強(qiáng)對(duì)周邊水域河床演變和水動(dòng)力條件及水環(huán)境的觀測(cè)，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

表4 越浪量計(jì)算Table 4 Calculation results of overtopping

4.4 原海堤資料不全的應(yīng)對(duì)措施

基于已經(jīng)掌握的海堤設(shè)計(jì)資料，盡可能的搜集從建造之初到目前為止中間經(jīng)歷的大小修補(bǔ)情況。同時(shí)在確定修復(fù)設(shè)計(jì)方案前，進(jìn)行現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)探摸，通過物探、現(xiàn)場踏勘等把握海堤破壞程度、海堤堤心砂流失的嚴(yán)重程度和深度；通過地勘掌握現(xiàn)狀海堤的結(jié)構(gòu)層分布，破壞程度，地基情況等。

1） 物探

采用地質(zhì)雷達(dá)方法探測(cè)沿海道路和海堤地下25 m范圍內(nèi)存在的地下病害。物探結(jié)果（圖3）表明海堤存在的主要問題為：1）淺層路面下部分結(jié)構(gòu)存在疏松或者輕微沉降；2）地下4～10 m內(nèi)存在強(qiáng)反射區(qū)域，存在下部介質(zhì)疏松、空洞或地層間斷的情況。

圖3 物探結(jié)果圖Fig.3 Geophysical prospecting results

2） 地勘

地勘揭露的海堤區(qū)域地層為：I1灰白～肉紅色拋石在勘探區(qū)分布不均，厚度變化較大，縫隙由回填砂充填；I2灰黃色雜填土層是人工填土，土質(zhì)不均勻，孔隙較大，密實(shí)度差異較大，其縫隙間的回填砂易受到海浪拍打沖蝕和流失；I3灰黃～灰色粉細(xì)砂在勘察區(qū)分布廣泛，由人工填筑而成，一般直接位于I1灰白～肉紅色拋石層之下；顆粒均勻，密實(shí)度差別較大，淺表層部分一般呈松散～稍密狀，下部呈中密～密實(shí)狀。由于缺乏反濾處理，細(xì)顆粒易從拋石層縫隙流失。

經(jīng)過地勘和物探結(jié)果，揭露現(xiàn)狀海堤的結(jié)構(gòu)層分別為：表層厚度大小重量不一、分布松散的護(hù)面塊石；下層為回填砂；土工布已受到肉眼可見的的破壞和裸露，已完全不能起到倒濾作用。

5 海堤修復(fù)方案

5.1 堤頂修復(fù)方案

對(duì)于凹陷的路面和物探檢測(cè)出有空洞區(qū)域的范圍，鑿除凹陷區(qū)域至路基，對(duì)路基下層空洞區(qū)域進(jìn)行灌漿以密實(shí)，再逐層回填至路面。見圖4所示。

圖4 堤頂路面結(jié)構(gòu)修復(fù)示意圖Fig.4 Schematic diagram for repair of breakwater top pavement structure

5.2 護(hù)面修復(fù)方案

海堤護(hù)面結(jié)構(gòu)是直接抵抗風(fēng)浪的區(qū)域，結(jié)合本工程海堤破壞的根本原因，護(hù)面修復(fù)重點(diǎn)為提升防滲倒濾能力，提高護(hù)面塊石抗風(fēng)浪能力。確定的護(hù)面修復(fù)[8]方案順序依次為：

1）清除表層松散分布不均的塊石護(hù)面，理坡。

2）對(duì)坡面孔洞區(qū)域采用細(xì)砂或細(xì)碎石填充。

3）鋪設(shè)1層300 g/m2無紡?fù)凉げ挤乐瓜聦蛹怃J石料刺破土工膜，鋪設(shè)2層膨脹土防水墊，作為防滲的加強(qiáng)作用，鋪設(shè)1層HDPE防滲土工膜。

4）鋪設(shè)高強(qiáng)土工網(wǎng)墊。

5）鋪設(shè)袋裝碎石，理坡。

6）鋪設(shè)100～200 kg塊石墊層，理坡。

7）拋理1.5 t塊石護(hù)面（2層），理坡。

5.3 堤基修復(fù)方案

地勘結(jié)果顯示海堤地基區(qū)域主要為塊石混砂混泥。地基作為海堤的基礎(chǔ)，全清淤回填砂須防止波浪的沖刷和掏刷流失。因此堤基修復(fù)方案主要為：

1）清淤海堤坡腳地基區(qū)域，鋪設(shè)高強(qiáng)土工網(wǎng)墊，避免外部水流掏蝕或是內(nèi)部水土流失等不利影響。

2）鋪設(shè)護(hù)底塊石200～300 kg，理坡。

3）在余排處設(shè)置混凝土連鎖塊，進(jìn)一步增加防掏刷、穩(wěn)定作用。

4）在護(hù)面與護(hù)底的交界線處施打高壓旋噴樁，樁直徑600 mm，樁間距400 mm，平均樁長14 m，打穿淤泥層進(jìn)入黏土層4 m左右。高壓旋噴樁用作防滲帷幕以延長滲徑，提高海堤的防滲能力，同時(shí)可增加海堤的整體穩(wěn)定性。

海堤的修復(fù)設(shè)計(jì)斷面見圖5所示。

圖5 海堤的修復(fù)設(shè)計(jì)斷面Fig.5 Repair design section of seawall

6 結(jié)語

本文基于澳門某海堤修復(fù)工程實(shí)例，介紹了澳門地區(qū)海堤修復(fù)的一種設(shè)計(jì)思路，具有一定普適性意義，可供類似澳門地區(qū)海堤修復(fù)整治工程提供參考。

1）適當(dāng)考慮工程的特殊歷史文化背景，確定海堤修復(fù)整治的客觀限制條件。

2）綜合防洪規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)等確定海堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)，并基于最新年限下的水文資料推算設(shè)計(jì)潮位和設(shè)計(jì)波浪要素，分析海堤的防洪特性。

3）在缺少原設(shè)計(jì)資料的情況下，在物探、地勘以及現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上，掌握現(xiàn)狀海堤的結(jié)構(gòu)、破壞程度等情況，分析海堤損壞的根本原因。

4）海堤存在堤心材料流失的情況，宜采取高壓灌漿、高壓旋噴樁；增加護(hù)面防滲、倒濾功能；增加護(hù)面塊石防護(hù)等級(jí)的修復(fù)整治措施。