台风损毁后某护岸修复方案研究

赵雁飞，杨文斌

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

近年来，我国沿海地区大部分护岸建设年限已久且设计抗风浪等级偏低，每次遭遇台风袭击时，都会遭受不同程度的损坏，直接威胁后方陆域的安全。本文以我国东南沿海某护岸受台风损毁修复工程为依托，通过研究，确定合理的修复方案，可为类似护岸修复工程提供借鉴。

1 项目概况

1.1 工程概况

依托项目位于我国东南沿海，该护岸原设计为宽肩台抛石斜坡式结构，设计顶高程5.5 m，设计堤顶宽度约12.5～20 m，堤顶里侧设有高1.5 m的子堰。堤身外坡采用300～900 kg大块石护面，内坡抛填开山石渣，作为堤身后方吹填料的倒滤结构层。

因遭受2018年9月16日超强台风“山竹”的袭击，护岸损毁严重、护面块石被卷走，堤顶被完全破坏，严重威胁堤身安全稳定，需对其进行修复设计，修复总长约1 300 m。

本工程设计高水位2.26 m（当地理论最低潮面，下同），设计低水位0.22 m，极端高水位3.56 m，极端低水位-0.48 m。工程海域所在海区常浪向SE向，频率34.22 %；次常浪向ESE向及SSE向，频率分别为10.66 %和9.46 %；无浪频率11.4 %；强浪向SE向。

1.2 护岸堤身破坏情况

护岸在该次台风危害中，顶面损毁严重，迎浪侧基本被摧毁，中部区域损毁最为严重，其中有长度约666 m 区段，形成一条宽约13 m 的碎石带，堤身顶面下降约2.5～3 m。在此过程中，部分块石也被带入台风上水区。护岸顶部设置的防护网及简易道路被完全摧毁。

堤底多波束水下地貌图显示，虽然护岸坡度对原设计断面坡度明显放缓，但是护岸坡底线整体仍呈直线，护面块石呈规律分布；发现溃堤区域有三处，溃堤区域呈扇状，发散分布。以溃堤A 区为例，共分为4 个突出点，长度约137.8 m，总面积约2 438 m2，最远扩散至 26.1 m，块石大小不一，粒径从1.16×0.61 m～2.77×1.83 m，块石重量0.56～4.56 t。

1.3 损毁原因分析

护岸建成已十余年，曾数次遭受台风、大浪的冲击出现过不同程度的损坏，几经修复效果仍不明显。根据现场测量、检测和有关研究成果，初步分析堤身损毁有以下原因：

1）护岸原设计作为纳泥塘围堰使用，围堰外侧规划建设码头或岸壁等永久性结构；原设计结构安全等级为三级，设计波浪重现期采用的是二十五年一遇，对应设计波高及周期分别为H1/3=2.8 m，T=6.0 s。由于形势的发展和规划的改变，围堰外侧未进行永久结构的建设，多年来围堰一直作为护岸结构使用，则设计标准对于护岸结构偏低，设计波浪要素取值也偏小，导致遭遇极端工况时，护岸堤身很容易发生破损。

2）护岸原设计采用宽肩台式抛石斜波堤结构，作为临时围堰使用基本可行，但若将其作为永久护岸使用时，则断面尺度和结构稳定性存在明显不妥之处。护岸原设计断面及受损后断面见图1。宽肩台结构最大的特点是容许外侧堤身断面在波浪作用下发生变形，直至外坡形成一种动态平衡。由于构成宽肩台的护面块石空隙较大，当波浪通过宽肩台时，将产生较大的能量损失，其能量也是导致护面块石松动变位的主要原因。

图1 护岸原设计断面及受损后轮廓示意图

2 难点及创新点

1）遭受台风“山竹”袭击后，护岸受损严重，局部点位出现溃堤现象。在此之前，历年来每次台风过境后，堤身均有不同程度破损，业主自行抛填大块石进行修护，导致堤身结构情况非常复杂；

2）修复方案依托现状堤身，根据用海政策，修复工程施工不得超过当地2018 年批复岸线及现有海域使用权证范围，而当地2018 年批复岸线及现有海域使用权证边线均距离护岸轴线很近，为了形成更大面积可供使用的后方陆域，导致护岸边坡坡度很陡，不得不突破规范条文“护岸的边坡坡度可采用1:1.5～1：3.5”中的最小值；

3）本工程设计波浪要素平均周期13.1 s，规范中虽对堤身外坡护面块体重量给出了计算公式，但仍有表述“对于设计波浪平均周期大于10 s或设计波高与设计波长之比小于1/30 的坦波，块体重量应适当加强并需进行模型试验验证”，护面块体稳定重量需进一步研究；

4）本工程修复方案基于台风损毁后的现状堤身，水下抛石棱体尽量利用现状大块石，受陆域边线及海侧红线之间宽度制约，棱体顶面高程很难满足规范中“不宜高于设计低水位以下 1.0倍设计波高值”，部分区段的宽度也难以满足深水堤不宜小于5 m 的建议值，抛石棱体的稳定无法保证，需通过模型试验验证。

3 结构修复设计思路

本次修复工程的设计中适当提高了原护岸的设计标准，按照结构安全等级为二级的永久护岸结构考虑，按照50 年一遇波浪设计。

1）台风袭击后，护岸顶部基本不存在护面结构。如仍按宽肩台结构考虑，根据重新推算的设计波浪核算，堤顶块石重量严重不满足规范要求，若再遭遇极端天气，堤顶可能出现更严重破坏。

2）本次设计堤身外坡护面块体拟采用扭王字块体，由于波高和周期均增大明显，设计波浪平均周期13.1 s 大于10 s，超出了规范公式的建议适用范围，护面块体重量需通过模型试验验证后确定。

3）适当增加堤顶高程，设置胸墙结构，减少堤顶越浪对护岸后方陆域的影响。按照基本不越浪的标准，保证挡浪墙计算稳定，并考虑尽量减少越浪量，将堤顶高程由根据规范波浪爬高公式计算确定的7.5 m 提高到9.5 m，并通过模型试验验证。

4）受限于用海和环保政策，为形成更大面积的后方陆域，大部分结构段外坡坡度采用1:1.25，为规范中安放人工块体斜坡式防波堤边坡坡度的最大值。

5）修复方案基于台风损毁后的现状堤身，水下抛石棱体利用现状大块石。棱体的顶面高程设置在-1.0～-5.0 m，难以满足规范中不高于设计低水位以下1.0 倍设计波高值的要求，且块体坡脚前平台最窄处宽度为3.7 m，小于规范中5 m的建议值，其稳定性均需通过模型试验验证。

6）初步修复方案利用现状堤身下部堆积的大块石，将位于波浪打击区范围现状堤身上部开挖后利用现状堤身大块石作为垫层，对于现状堤身上部则在适当回填堤心石并理坡后铺设一层500～800 kg 块石垫层，根据规范公式计算，选用10 t 扭王字块体护面。利用现状堤身下部堆积的大块石作为波浪打击范围以外的棱体块石。堤身顶部设混凝土挡浪墙。

7）通过断面物理模型试验，研究扭王字块体和水下抛石棱体的稳定性、护岸上水及越浪情况，形成合理可行的修复设计方案。

4 模型试验成果及优化设计

根据断面物理模型试验成果，在极端高水位重现期50 年不规则波浪作用下，设计结构胸墙稳定，迎浪侧10 t 规则摆放扭王字块体出现失稳，坡脚2排块体向海侧滚落滑移，坡面块体在波浪作用下出现大面积摆动，坡肩处块体出现较大缝隙。

根据试验结果，对结构进行优化，采用13 t 规则摆放扭王字块，垫层块石规格调整为650～1 300 kg块石，优化后结构断面见图2。同时将块体坡脚前棱体顶面平台宽度改为最不利的3.7 m 进行模型试验。

在极端高水位重现期50 年不规则波浪作用下，原设计结构胸墙稳定，迎浪侧13 t 规则摆放扭王字块体出现失稳，坡脚2 排块体向海侧滚落滑移，坡面块体在波浪作用下出现大面积摆动，坡肩处块体出现较大缝隙，试验照片见图3。

图3 波浪作用下护面块体失稳

基于上述试验结果，将设计低水位以下块体改为随机安放，以上仍采用规则摆放。试验4 h 后，坡脚处块体出现滚动，试验照片见图4。

图4 波浪作用下坡脚块体滚落

分析护面块体失稳原因：规则摆放块体间整体性较好，在波浪作用下所受波浪力较大；且坡面上块体较多（13 排），对下部坡脚支撑要求较高；断面所在位置实际水深为-12 m，块体坡脚底高程为-5 m，恰处于波浪作用较强位置，波浪破碎冲击较大。

在优化方案一的模型试验中，护面坡脚前棱体顶面平台宽度约为3.7 m，不满足规范不小于5 m的要求，此外坡脚前平台宽度对波浪破碎也有一定影响，因此优化方案二中，对不同坡脚前平台宽度进行验证，验证宽度分别为5 m 和7.5 m。

坡脚块体前平台宽度为5 m 时，在不同水位重现期为50 年波浪作用下，坡面处块体有轻微晃动，坡脚处最外侧块体有摆动，但摆动幅度未超过0.5倍块体尺寸，也未出现明显位移，可认为临界稳定。坡脚块体前平台宽度为7.5 m 时，在不同水位重现期为50 年波浪作用下，坡面处块体有轻微晃动，坡脚处最外侧块体稳定。试验后照片见图5，坡脚块体前抛石棱体宽度不小于5 m 时结构稳定，优化方案二可行。

图5 优化方案二试验后照片

在优化方案一中，波浪恰在-5 m 平台处破碎，对坡脚块体冲击较大，故优化方案三将坡脚块体替换为水泥挡块。试验中分别对坡脚挡块前平段宽度5 m、设计低水位以下坡面处护面块体随机安放和挡块前平段宽度3.7 m、坡面处护面块体规则摆放两种情况进行模拟。

坡脚水泥挡块前平台宽度为5 m、下部块体随机安放条件下，在不同水位重现期为50 年波浪作用下，坡面处块体有轻微晃动，坡脚处水泥挡块稳定。坡脚水泥挡块前平台宽度为3.7 m、块体规则摆放条件下，坡面处块体出现大面积摆动，尽管在波浪连续作用4 h 后，未出现块体脱出等现象，但存在较大危险性。究其原因主要是规则摆放块体整体性较好，受波浪荷载较大，且规则摆放勾连效果好，在波浪作用下易出现大面积运动，因此最终修复方案将设计低水位以下块体改为随机安放形式，坡脚块体前棱体平台宽度不足5 m 的区段坡脚块体均改为尺寸更小的水泥挡块，保证抛石棱体平台宽度不小于5 m。

5 结论

1）修复方案斜坡堤垫层块石及抛石棱体利用现状300～900 kg 大块石，极大的降低了工程造价。突破规范并经模型试验验证，采用1:1.25的陡坡设计，既体现了集约型使用海域的要求，又增大了陆域使用面积，尤其在土地资源稀缺的大城市港口，其经济效益非常明显。

2）本工程设计波浪要素平均周期13.1 s，底高程约为-12.0 m，根据规范公式计算的人工护面块体重量为 10 t。修复方案坡脚处底高程为-1.0～-5 m，由于修复结构前有块石堆坡，造成结构前水深波高均较大，波浪破碎现象明显，而修复结构整体恰处于破碎波浪作用较强位置，受破波冲击较大，导致破浪作用范围内根据规范公式计算的10 t 重的人工块体出现失稳滑移，经模型试验验证后将护面块体重量增大至13 t 方可满足稳定要求。本工程的设计经验也验证了在大于10 s 的较长周期波浪作用下，按规范公式计算所得的块体重量应予适当增大，并进行物理模型试验验证。

3）坡脚处块体在最不利损坏剖面条件下，在坡脚块体前平台宽度为5 m 时处于临界稳定状态，在坡脚块体前平台宽度为7.5 m 时基本稳定，但出于工程安全考虑迎浪侧抛石棱体平台宽度不足时，坡脚块体采用尺寸更小重量更大的水泥挡块，且在挡块前或块体前平台宽度均不宜小于5 m。

4）护面块体采用规则摆放方式，勾连效果好，块体整体性较好，但透水性劣于随机安放，在波浪作用下若块体重量不足易出现大面积连锁运动，且在结构转角、坡肩等位置摆放较困难，采用随机安放的形式抗浪效果更好。修复方案在设计低水位以上采用规则摆放，整体性好且外形美观，设计低水位以下采用随机安放，稳定性好且易于施工。目前我国沿海很多港口存在退港还民，异地搬迁等需求，本工程护面结构设计对有美观性需求的沿海城市海堤、护岸等项目设计提供了一种可以借鉴的护面块体摆放形式。