防波堤損壞特點(diǎn)、成因和應(yīng)對(duì)措施

馮根地

摘要：在本文中，筆者將會(huì)以防波堤損壞特點(diǎn)為切入方向，結(jié)合國(guó)內(nèi)外行業(yè)相關(guān)學(xué)者對(duì)各類典型損壞案例的具體分析內(nèi)容，針對(duì)防波堤損壞的成因關(guān)系進(jìn)行初步探討，并提出針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，希望借此可對(duì)我國(guó)海洋工程學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展起到一定推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：防波堤損壞，防波堤損壞特點(diǎn)，防波堤損壞成因，防波堤受損應(yīng)對(duì)措施

引言：防波堤是現(xiàn)代港口建設(shè)工作的重要建筑之一，但隨著近年極端天氣出現(xiàn)的次數(shù)增多和不規(guī)律性，港口建設(shè)向深水、大浪和條件更惡劣的區(qū)域發(fā)展，防波堤損壞的可能性逐漸增大。分析防波堤損壞的具體特點(diǎn)與機(jī)理，行業(yè)科研人員可對(duì)海浪與防波堤之間的作用效果有更明確的認(rèn)知與了解，以此為基礎(chǔ)，不斷完善防波堤建筑的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)方案，削減防波堤損壞的可能性。

1、防波堤的作用

防波堤一般是建港于區(qū)外側(cè)、防御外海波浪入侵的水工建筑物，降低港池內(nèi)的波浪作用，形成滿足船舶在港口靠泊和裝卸作用條件的掩蔽水域。對(duì)于部分港口，防波堤有著防止泥沙和冰凌的入侵，防止淤積的作用。因此，防波堤一般建于港區(qū)波浪沖擊最大的方位，是最容易遭受極端天氣破壞的港口構(gòu)筑物。

2、防波堤損壞特點(diǎn)

2.1、防波堤損壞的平面形態(tài)

依照行業(yè)數(shù)據(jù)分析，并對(duì)比防波堤平面形態(tài)各部位實(shí)際所承受的沖擊力，防波堤堤頭與凹角位置波能集中區(qū)域是最為常見(jiàn)的兩處損壞位置，而其損壞特征又可歸結(jié)為蛇行破壞，并且會(huì)在突堤集中出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)表明，防波堤損壞程度會(huì)伴隨著波高的不同而有所不同，并與防波堤結(jié)構(gòu)部位息息相關(guān)。分析防波堤整體結(jié)構(gòu)，其堤頭與凹角周圍很容易出現(xiàn)波高突然增大的現(xiàn)象，這是由于防波堤凹角與堤頭位置通常會(huì)同時(shí)受到不同方向的波浪沖擊，而這些波浪效應(yīng)相互疊加，最終導(dǎo)致凹角與堤頭位置的堤前波高突然增大，并造成其損壞。

此外，防波堤損壞發(fā)生后，其損壞位置往往不會(huì)集中在一處，而是沿堤大范圍分布，雖然不同位置的損壞程度各不相同，但是，其整體呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。如果防波堤損壞時(shí)，其堤前沉箱出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，也呈現(xiàn)出蛇行破壞特征。

2.2、防波堤損壞的斷面形態(tài)

不同結(jié)構(gòu)的防波堤在斷面形態(tài)上也各不相同，而斷面形態(tài)也將直接影響防波堤自身的沖擊承受能力，因此，防波堤損壞形態(tài)與深度也會(huì)隨著斷面形態(tài)的變化與變化。其中，防波堤損壞后的斷面形態(tài)可分為三種基礎(chǔ)類型，分別為：消波與護(hù)面塊散亂、基床散亂與海床沖刷。依照相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，防波堤損壞現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，直墻結(jié)構(gòu)問(wèn)題占全部問(wèn)題48%左右，其中，直墻滑移現(xiàn)象約為25%，直墻損壞約為10%，而直墻沉陷或傾斜約為13%;上部結(jié)構(gòu)問(wèn)題占全部問(wèn)題的31%左右，其中上部結(jié)構(gòu)滑移現(xiàn)象約為12.4%，上部結(jié)構(gòu)損壞約為10.8%，上部結(jié)構(gòu)沉陷或傾斜約為9.7%;而海床沖刷問(wèn)題約為25.9%。此外，防波堤損壞的斷面結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)護(hù)面塊體散亂現(xiàn)象的比例約為61.3%，而出現(xiàn)消浪棱體散亂現(xiàn)象的比例約為94.6%。

根據(jù)防波堤模型試驗(yàn)，一般在高水位上下一倍波高范圍內(nèi)護(hù)面塊體受到的波浪作用最大，而從以上數(shù)據(jù)也可以看出，防波堤結(jié)構(gòu)中，單體工作的消波護(hù)面、護(hù)面護(hù)體以及護(hù)面基床位置被損壞的可能性最高，并且，不同結(jié)構(gòu)類型的防波堤在斷面損壞形態(tài)上也有著很大差異。綜合分析可以看出，防波堤損壞時(shí)，其斷面損壞的集中部位與損壞方式將會(huì)隨著不同區(qū)域受力特征的不同而變化。

2.3、斷面損壞與防波堤損壞關(guān)系的分析

日本地質(zhì)學(xué)家曾對(duì)防波堤斷面損壞與防波堤損壞之間的關(guān)系進(jìn)行全面細(xì)致調(diào)查，并給出相對(duì)可靠的定義：如果防波堤堤身及上部胸墻位置出現(xiàn)沉降、傾斜或滑移現(xiàn)象，那么其實(shí)際的沉降量或滑移量占堤身高度或?qū)挾鹊谋壤?，將是判斷斷面損壞程度的核心標(biāo)準(zhǔn);對(duì)于那些傾斜結(jié)構(gòu)或水平混合式防波堤而言，可通過(guò)觀察其實(shí)際損壞范圍來(lái)衡量防波堤斷面損壞與防波堤損壞直接影響。

參照以上定義，并綜合分析當(dāng)前行業(yè)所擁有的調(diào)查數(shù)據(jù)，防波堤平面或斷面的受損程度通常會(huì)隨著波浪高度增加而放大，如果波浪高度超出防波堤設(shè)計(jì)范圍，那么波浪的實(shí)際超出值越大，防波堤的平面損壞與斷面損壞程度也將越深，并且，平面損壞與斷面損壞之間也會(huì)呈現(xiàn)出正向相關(guān)的影響關(guān)系。

3、防波堤損壞特點(diǎn)與具體成因之間的關(guān)系

3.1、防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，設(shè)計(jì)調(diào)查與后續(xù)保障作業(yè)不到位

通常情況下，防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、亦或是施工過(guò)程的作業(yè)條件不滿足防波堤建設(shè)需求、防波堤連續(xù)段處理不恰當(dāng)?shù)?，是?dǎo)致防波堤出現(xiàn)損壞的首要因素，例如：我國(guó)某港口防波堤建設(shè)過(guò)程中，其推算的設(shè)計(jì)波浪與實(shí)際狀況不符，防波堤建設(shè)完成后，海浪對(duì)沉箱造成的沖擊效應(yīng)沒(méi)有得到有效削減，進(jìn)而導(dǎo)致沉箱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂。此外，越浪條件以及防波堤堤墻前水域深度等條件，也是影響防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，需要全面考量防波堤的具體工作環(huán)境與各項(xiàng)結(jié)構(gòu)要求，并針對(duì)性實(shí)施相關(guān)工程保障作業(yè)，避免防波堤投入使用后遭受嚴(yán)重?fù)p害。

3.2、波群與海床長(zhǎng)期沖刷的影響

海浪能量分布雖然帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性，但堤前波浪形態(tài)與動(dòng)力特性將會(huì)直接影響波浪與防波堤之間的作用力大小，尤其是斜坡堤結(jié)構(gòu)，其最終的損壞程度與波浪動(dòng)力特性直接關(guān)聯(lián)。國(guó)外某港口的防波堤曾出現(xiàn)大范圍扭工字塊脫落或斷裂現(xiàn)象，后續(xù)調(diào)查顯示，設(shè)計(jì)人員對(duì)波群與海床沖刷層面的考量不深是導(dǎo)致這一問(wèn)題的首要因素。近些年，國(guó)際航洋工程界也在不斷加大對(duì)波群以及海床沖刷特征的分析，而大量科研人員在分析防波堤損壞具體形態(tài)后，也在不斷改進(jìn)其設(shè)計(jì)理念?，F(xiàn)如今，海洋波浪預(yù)警的準(zhǔn)確性得到明顯提高，防波堤的設(shè)計(jì)工作也正在走向正規(guī)，可靠度設(shè)計(jì)理念已成為行業(yè)共識(shí)，波浪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低現(xiàn)象所導(dǎo)致的防波堤損壞問(wèn)題已得到初步控制，但是，防波堤設(shè)計(jì)人員所實(shí)施的水域波浪特性調(diào)查依舊存在諸多漏洞，其所考量的應(yīng)用特性與實(shí)際工程場(chǎng)景之間有著很大差距。

3.3、地基承載能力不足

對(duì)于防波堤而言，地基結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)固將會(huì)直接影響其安全性，分析當(dāng)前現(xiàn)有的防波堤損壞案例可以發(fā)現(xiàn)，防波堤地基沉降或失穩(wěn)問(wèn)題所導(dǎo)致的防波堤結(jié)構(gòu)破壞在所有案例中占據(jù)很高比重，因此，避免防波堤在波浪作用下出現(xiàn)地基液化現(xiàn)象，也是當(dāng)前深水防波堤設(shè)計(jì)與建設(shè)工作所必須面對(duì)的全新課題。防波堤需長(zhǎng)期承受海浪沖刷，而防波堤地基底部的砂土結(jié)構(gòu)很容易受水體影響而出現(xiàn)液化問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致防波堤整體出現(xiàn)塌陷。例如，我國(guó)行業(yè)科研人員在對(duì)某防波堤塌陷問(wèn)題分析后發(fā)現(xiàn)，該防波堤軟土層在波浪動(dòng)荷載作用下，其實(shí)際的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降三分之二作用。此外，防波堤地基沉降不是連續(xù)性質(zhì)，而是會(huì)伴隨著風(fēng)暴潮以及大浪的出現(xiàn)而間歇性跳躍式發(fā)展，而這種特征，更容易引發(fā)防波堤出現(xiàn)突發(fā)性嚴(yán)重?fù)p壞，甚至?xí)虼藢?duì)城市與港口帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。防波堤建設(shè)過(guò)程無(wú)法避免海浪的影響，而防波堤斷面對(duì)海浪的抵抗能力也要等待建設(shè)完成后才可顯現(xiàn)，這就導(dǎo)致施工過(guò)程出現(xiàn)大量的薄弱環(huán)節(jié)，加之工程現(xiàn)場(chǎng)條件極為不利，工程建設(shè)周期很長(zhǎng)，各類突發(fā)性不可控因素影響巨大，如臺(tái)風(fēng)天氣等，這些要素都需要海洋工程學(xué)者予以充分關(guān)注。因此，對(duì)于防波堤建設(shè)單位而言，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)施工方案的組織與協(xié)調(diào)，強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防思想，設(shè)立合理的保障機(jī)制，如對(duì)沉箱等大體積結(jié)構(gòu)設(shè)置必要的固定結(jié)構(gòu)，并在施工前加強(qiáng)波浪試驗(yàn)?zāi)M，確定不同波浪條件下的實(shí)際填料量。

3.4、綜合因素分析

防波堤損害現(xiàn)象通常是多種不同因素綜合作用下的結(jié)果，如防波堤堤前波浪高度超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)人員對(duì)于水域波群特性認(rèn)知不足、防波堤各項(xiàng)保障作業(yè)手段未能全面落實(shí)、防波堤設(shè)計(jì)的堤心石透水性嚴(yán)重不足等等。此外，港池波浪對(duì)防波堤造成的損壞形式也會(huì)隨著外界條件的變化與呈現(xiàn)多種形式，但是，防波堤損壞的最高頻率形式通常為堤頭損壞或沿堤水流損壞以及蛇行破壞等等。因此，防波堤設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員與工程作業(yè)人員應(yīng)注重對(duì)綜合因素的全面分析，加強(qiáng)對(duì)波浪水動(dòng)力特性的把控，針對(duì)地基的類型不同而實(shí)施具體建設(shè)。

4、應(yīng)對(duì)措施

4.1、選擇最優(yōu)的位置和平面布置方案

防波堤作為港區(qū)的公共防護(hù)設(shè)施，為碼頭靠泊和裝卸作業(yè)提供掩護(hù)條件，并防止港池淤積和波浪沖蝕岸線的作用，是港區(qū)的重要組成部分。防波堤的布置應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

一是防波堤的布置應(yīng)從港口總體布局出發(fā)，在充分分析當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)、浪、流、泥沙、地質(zhì)、地形等自然條件的基礎(chǔ)上，充分考慮港口規(guī)模、布局和作業(yè)條件等因素，綜合布置，在單突堤、雙突堤、島堤等方案中選擇最合理的布置方式。

二是防波堤的布置應(yīng)在沿岸潮流和泥沙運(yùn)動(dòng)模擬分析的基礎(chǔ)上布置，避免堤身基礎(chǔ)和后方產(chǎn)生嚴(yán)重的淤積或沖刷。

三是防波堤的位置應(yīng)盡量利用天然港灣的自然掩護(hù)條件和港池的水深建設(shè)，盡量降低防波堤護(hù)面層遭受的波浪沖擊和基礎(chǔ)遭受的淘刷作用，減小結(jié)構(gòu)斷面，降低投資。

4.2、做好前期模型論證工作

根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》，防波堤作為邊界條件復(fù)雜和重要性較高的工程，目前計(jì)算理論尚有不完善之處，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行波浪模型試驗(yàn)驗(yàn)證。物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證按不規(guī)則博作用為主的原則進(jìn)行，主要驗(yàn)證結(jié)構(gòu)部位的穩(wěn)定性、上不擋浪墻的波壓力分布、越浪情況及堤后再生波的波高。

在模型試驗(yàn)的過(guò)程中，不斷調(diào)整模型，選擇最優(yōu)布置和結(jié)構(gòu)斷面。加強(qiáng)護(hù)面塊體重量可以增加堤身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小波浪對(duì)的破壞作用;加寬戧臺(tái)的寬度可以有效降低堤頂面的越浪量，降低堤后的再生泊;對(duì)于在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌赡墚a(chǎn)生的波能集中區(qū)域，是防波堤最可能收到破壞的地方，要做好局部加強(qiáng)措施。

4.3、做好施工期質(zhì)量管理

防波堤施工期應(yīng)做好質(zhì)量管理，建立專業(yè)施工隊(duì)伍，做好建設(shè)材料質(zhì)量保障，極端天氣做好防護(hù)，保障防波堤的建設(shè)質(zhì)量。

4.4、堤身受損后及時(shí)修復(fù)

防波堤堤身受損后，將形成破壞面，再次遭遇極端天氣時(shí)破壞面將不斷像周圍蔓延，在堤后的設(shè)施造成破壞。防波堤受損后應(yīng)及時(shí)修復(fù)，堤身補(bǔ)拋塊石和灌漿加強(qiáng)處理，破壞的面層塊體及時(shí)拋理補(bǔ)充，擋墻及時(shí)加高澆筑。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，防波堤損壞的因素有多個(gè)方面，包括設(shè)計(jì)推算波浪與實(shí)際不符、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理、使用期的長(zhǎng)期波浪淘刷和地基失穩(wěn)等是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的主要問(wèn)題。應(yīng)從總體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物模試驗(yàn)、提高施工質(zhì)量和及時(shí)維護(hù)等方面做好工作，保障防波堤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為后方碼頭靠泊和裝卸作業(yè)提供掩護(hù)條件。

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