某丁字壩工程受臺風“圓規(guī)”影響損毀原因分析

詹坤豫 中交四航局港灣工程設(shè)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(xiàn)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(shè)計及建設(shè)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(shè)計標準，原結(jié)構(gòu)無法抵御超設(shè)計等級臺風作用，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，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(chǎn)的損失。本文依托粵東某海域海岸帶綜合整治與修復(fù)項目丁字壩工程項目受臺風”圓規(guī)”影響損毀事件，結(jié)合工程相關(guān)專題研究報告和建設(shè)過程記錄資料，按現(xiàn)行行業(yè)標準、規(guī)范，對該工程受損丁字壩原設(shè)計建設(shè)方案進行結(jié)構(gòu)安全性、耐久性計算復(fù)核，分析造成結(jié)構(gòu)損毀的原因，提出修復(fù)意見與建議，同時為類似工程提供相關(guān)借鑒經(jīng)驗。

1.工程概況

本工程原為海岸帶綜合整治與修復(fù)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(cè)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(jié)構(gòu)方案，內(nèi)外側(cè)坡度均為1:1.5，堤心采用10～100k g 塊石，堤頂與兩側(cè)坡面采用安放800 mm 厚2 t 四腳空心方塊護面，塊體下設(shè)置800 mm 厚100～200kg塊石墊層，堤身兩側(cè)坡腳均采用W>300kg的塊石棱體。坡腳兩側(cè)均設(shè)置頂寬5m 厚600 mm重60～150kg的護底塊石，下方設(shè)置300mm的碎石墊層。

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

2.丁壩損毀情況

受“圓規(guī)”臺風的影響，五座丁字壩結(jié)構(gòu)均有不同程度的損毀，根據(jù)檢測結(jié)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?？拷填^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(qū)域存在塌陷、松散，堤身兩側(cè)護面塊存在滑落、堆積，海床有散落塊石等現(xiàn)象。

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

圖1 堤身典型斷面

圖2 堤頭典型斷面

3.丁壩設(shè)計波浪要素分析[1]

3.1 原設(shè)計條件

根據(jù)原設(shè)計報告，本項目設(shè)計水位如下：

極端高水位:3.58m；設(shè)計高水位:1.80m；設(shè)計低水位:0.20m；極端低水位:-0.49m。

3.2 設(shè)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(yīng)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(xiàn)期推算結(jié)果給定，平均周期按照《港口與航道水文規(guī)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(jù)小區(qū)域波浪推算結(jié)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(shè)計推薦值，按照《海港水文規(guī)范JTS 145-2-2013》中不同H13%/d與HF%/H13%的關(guān)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(xiàn)期波浪推薦值

表2 堤身段設(shè)計高水位各代表點波高

4.主體結(jié)構(gòu)復(fù)核[2]

4.1 護面塊體結(jié)構(gòu)復(fù)核

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

式中：W為單個塊體的穩(wěn)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(shè)計波高，取極端高水位下H13%的波高（H13%=4.57m）；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)，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(fù)核分別根據(jù)原設(shè)計波要素及數(shù)模報告推薦波要素進行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果如表3所示。

表3 護面塊體穩(wěn)定重量計算復(fù)核（原設(shè)計文件波浪參數(shù)）

表4 護面塊體穩(wěn)定重量計算（數(shù)模報告推薦波浪參數(shù)）

根據(jù)《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》（JTS154——2018）第4.3.7條，對于設(shè)計波浪平均周期大于10s的情況，塊體重量應(yīng)適當加強并需進行模型試驗驗證。根據(jù)本工程數(shù)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(yīng)適當加強并宜進行模型試驗對設(shè)計方案加以驗證。

4.2 堤前護底塊石的穩(wěn)定重量和厚度

根據(jù)《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)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(jié)果見表5。

表5 堤前最大波浪底流速復(fù)核

根據(jù)《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》JTS154-1-2011中堤前護底塊石的穩(wěn)定重量表查得堤前護底塊石的穩(wěn)定重量為60～150kg。堤前護底塊石的厚度按如下公式計算，結(jié)果見表6。

表6 護底塊石厚度復(fù)核

5.受損原因分析

5.1 臺風“圓規(guī)”影響因素

臺風“圓規(guī)”實測資料如下：①最大風速為33.6米/每秒（12級），出現(xiàn)時段為12日19時（龜島站）。②最高潮位為2.83m（黃?；鶞拭妫?，轉(zhuǎn)換成當?shù)乩碚撟畹统泵?，其最高潮位?.55m；出現(xiàn)時段為12日17時20分（惠來站）。③最大波高 4.8m。

原設(shè)計資料如下：①極端高水位：3.58m；（當?shù)乩碚撟畹统泵妫?；②設(shè)計波高：H13%=3.21m。

經(jīng)對比，臺風“圓規(guī)”引起的工程區(qū)波浪超過了原設(shè)計的采用的波浪標準，臺風引起的潮位基本與設(shè)計極端高水位持平，大波高疊加高水位，對水工結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)因素

工程區(qū)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(qū)甚至堤頭區(qū)水深較淺，易于出現(xiàn)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(guī)“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(jié)構(gòu)上不太順直，易于產(chǎn)生波能集中和紊流，對壩體兩側(cè)護面塊體的抗浪能力以及護底結(jié)構(gòu)的防沖刷能力要求會更高。

6.結(jié)語

（1）臺風“圓規(guī)”引起的工程區(qū)波浪超過了原設(shè)計的采用的波浪標準，且大波高疊加高水位，對水工結(jié)構(gòu)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(shè)計波浪等級偏低，近年來受強臺風影響，粵東地區(qū)防波堤及護岸經(jīng)常有損壞情況發(fā)生，應(yīng)適當提高設(shè)計波浪等級。

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

（4）加強堤頭及堤身結(jié)構(gòu)設(shè)計，適當增加堤頭長度及堤頭護面塊體規(guī)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(shè)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(chǎn)生波能集中和紊流，對壩體兩側(cè)護面塊體以及護底結(jié)構(gòu)造成不利影響。

（6）加強護腳及護底結(jié)構(gòu)設(shè)計，防波堤經(jīng)常由于棱體塊石抗浪、流能力不足而導致局部失穩(wěn)，繼而導致護面塊失去足夠的支撐而失穩(wěn)、滑落。因此，丁字壩兩側(cè)棱體頂面高程應(yīng)避開波浪破碎帶或提高塊石規(guī)格。