國內(nèi)外防波堤損壞研究現(xiàn)狀及原因淺析

1、國內(nèi)外防波堤損壞研究現(xiàn)狀及原因淺析近年來，深水環(huán)境下的防波堤建設(shè)項目日益增多，經(jīng)常會遇到一些國際海岸工程中還未完全解決的難題。本文通過研讀海港工程1和李炎保等2人的文獻綜述了國內(nèi)外在防波堤損壞這一領(lǐng)域研究的歷史與最新進展，此基礎(chǔ)上對防波堤損壞的原因進行了初步探討，并列舉了若干防波堤破壞典型案例。防波堤在海港各類水工建筑物中有其特殊的地位。它用來抵御波浪與海冰的侵襲，維護港內(nèi)水域的平穩(wěn)，以保證船舶在港內(nèi)安全的停泊和進行裝卸作業(yè)；同時還可用于擋沙，維護港內(nèi)水深。雖然近幾十年來在波浪理論以及防波堤模型實驗技術(shù)和設(shè)計方法方面均有極大的發(fā)展，但由于海浪現(xiàn)象的隨機性以及波浪-防波堤-地基相互作用的復(fù)雜性，

2、防波堤損壞事件在世界范圍內(nèi)不斷發(fā)生。如20世紀(jì)30年代初地中海沿岸熱那亞等幾個港口防波堤的毀滅性破壞， 1978年葡萄牙錫尼斯港深水防波堤嚴(yán)重破壞；日本接連不斷的防波堤損壞事件以及我國一些防波堤的損壞。近年來，隨著港口建設(shè)規(guī)模擴大，防波堤向深水發(fā)展。防波堤損壞事件越來越引起海岸工程界的關(guān)注。防波堤損壞分析歷來受到十分關(guān)注。日本有完整透明的受災(zāi)防波堤記錄并定期分析研究。日本是一個島國，防波堤建設(shè)是其海岸帶和海洋開發(fā)的基礎(chǔ)。防波堤損壞的研究與海岸工程學(xué)科的發(fā)展緊密相連，著名的計算直立堤波浪力的合田公式就是根據(jù)大量的模型試驗結(jié)果及對原形防波堤失事情況的檢驗提出的。966-1986年的20余年間，日本

3、對防波堤受災(zāi)案例進行了大規(guī)模的調(diào)查研究。日本港灣技術(shù)研究所分別于出版了被災(zāi)防波堤集覽三集。布了1949-1964年間20個港口受災(zāi)防波堤68例； 1965-1972年間49個港口63例； 1973-1982年39個港口54例的詳細(xì)情況。每一案例提供的資料包括損壞狀況描述，結(jié)構(gòu)各部分尺度，設(shè)計波浪要素，受災(zāi)部位破壞程度，破壞時出現(xiàn)的波浪要素、水文氣象條件及修復(fù)方法。并給出破壞部分平面位置，斷面結(jié)構(gòu)和修復(fù)斷面。這些資料為制定日本港灣設(shè)計基準(zhǔn)，改進防波堤設(shè)計提供了豐富的借鑒，對今天我們認(rèn)識防波堤工作機理，開展防波堤風(fēng)險分析仍有重要價值。鹿島遼一等對防波堤受災(zāi)特性進行調(diào)查分析，根據(jù)日本國內(nèi)外128例受

4、災(zāi)防波堤和防波護岸14例資料，分析受災(zāi)部位、破壞特征、破壞原因，從而找出防推薦精選波堤損壞規(guī)律和預(yù)防措施。鹿島歸納的防波堤破壞部位和形態(tài)的發(fā)生頻率如表1。表1 防波堤損壞部位和形態(tài)的發(fā)生頻率損壞部位與形態(tài)出現(xiàn)頻率(受災(zāi)部位/受災(zāi)防波堤)（%）直墻滑移23/9324.7上部結(jié)構(gòu)滑移11/9411.7直墻沉陷與傾斜11/9311.8上部結(jié)構(gòu)沉陷與傾斜8/948.5直墻損壞9/939.7上部結(jié)構(gòu)損壞9/949.6護面塊體散亂58/9859.2拋石基床塊石散亂56/11050.9壓腳塊體散亂22/6434.4消浪棱體散亂108/11593.9消浪棱體損壞7/1156.1海床沖刷35/14224.6從上

5、表得出結(jié)論：相對于整體抵抗波浪作用的沉箱、方塊等構(gòu)件而言，單體工作的消波、護面塊體和基床發(fā)生損壞的比例要高。Yasuda對1992-1996年日本運輸省港灣局編纂的受災(zāi)設(shè)施年報中所列209例防浪護岸進行了統(tǒng)計分析。護岸損壞主要有三個原因：波浪力超過海墻抗力，越浪以及墻前海床沖刷。50%的護岸損壞由于海床沖刷引起，海床沖刷引起關(guān)聯(lián)后果：護面塊體滑動；墻前水深加大造成波高增加進而導(dǎo)致波浪力和越浪增加。海床如果沒有足夠防護，在波高小于設(shè)計波高的情況下也有可能發(fā)生墻前海床沖刷。歐美注重應(yīng)用防波堤破壞研究成果改進設(shè)計施工。近20多年來，歐美出現(xiàn)過三次防波堤事故的研究熱潮。即1980年前后葡萄牙錫尼斯防波

6、堤事故后對斜坡堤穩(wěn)定性的分析； 1994年深水防波堤會議前后對直立堤損壞的分析；20世紀(jì)90年代后期結(jié)合防波堤可靠度設(shè)計方法的改進對防波堤破壞模式的研究。錫尼斯防波堤事故涉及設(shè)計波浪標(biāo)準(zhǔn)，波浪特性，扭工字塊體穩(wěn)定系數(shù)、強度和應(yīng)用條件推薦精選，模型試驗方法等多種波浪和防波堤動力特性課題，成為后來防波堤工程研究熱點。例如，波群特性模擬，護面塊體強度，護面塊體損壞率和穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系，鉤連塊體的開發(fā)。歐盟1996- 1999年實行的第三期海洋技術(shù)計劃MAST(Marime Science and Technology Research Program)的直立堤的概率設(shè)計工具研究項目PROVERBS (

7、 Probabilistic Design Tools for Vertical Breakwaters)的首要目標(biāo)就是深入了解防波堤損壞機理，提出預(yù)防措施。針對現(xiàn)行設(shè)計方法不能預(yù)測和解釋防波堤發(fā)生災(zāi)害性破壞的可能性的不足，該項目從水動力特性、地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)和概率理論四個方面開展工作。其分析程序為確定破壞模式建立極限狀態(tài)方程確定隨機參數(shù)和計算模式的不確定特征將不確定性引入極限狀態(tài)方程按水準(zhǔn)/分析每一破壞模式的出現(xiàn)頻率故障樹分析(不同破壞模式的相關(guān)分析)確定系統(tǒng)的失效概率系統(tǒng)優(yōu)化，本項目成果提供了一套不同波浪和結(jié)構(gòu)尺度下波浪力計算方法和概率分布，防波堤破壞模式，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和失效概率分析的完整方

8、法。 PROVERBS項目之前，世界航運協(xié)會常設(shè)委員會開展了以分項系數(shù)為基礎(chǔ)的防波堤設(shè)計方法研究，出版了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)PIANC PTC. Burcharth (1998， 2000)和Srensen分別介紹了用這一標(biāo)準(zhǔn)進行直立堤、斜坡堤設(shè)計的方法。PIANC PTC的方法從防波堤破壞模式的研究出發(fā)，建立各種破壞模式的極限狀態(tài)方程，由方程各變量的概率分布類型和參數(shù)確定不同破壞模式的失效概率，由不同破壞模式的相關(guān)關(guān)系得到系統(tǒng)的失效概率，進而確定不同失效概率下系統(tǒng)極限狀態(tài)方程各參數(shù)的分項系數(shù)。我國對防波堤破壞的研究。我國關(guān)于防波堤破壞的研究可追朔到1957年關(guān)于連云港防波堤塌陷的分析。上世紀(jì)70年代編制

9、海港水文和防波堤設(shè)計施工規(guī)范過程中，組織了設(shè)計、施工、科研單位，海洋與氣象觀測預(yù)報部門和高等院校參加的防波堤損壞現(xiàn)場調(diào)研和專題討論?，F(xiàn)場調(diào)研包括了海南和大連地區(qū)的受災(zāi)防波堤，專題討論分析了1972年3號臺風(fēng)造成山東、遼東、黃海、渤海沿岸幾座防波堤和防浪建筑物的破壞案例。從設(shè)計波浪推算和標(biāo)準(zhǔn)、波浪力計算公式、結(jié)構(gòu)整體性予以說明，上世紀(jì)90年代編制新一輪規(guī)范又重點組織了現(xiàn)場調(diào)研。我國關(guān)于防波堤損壞的研究十分注重汲取國外防波堤損壞的經(jīng)驗。1957年邱大洪等曾針對意大利熱那亞港防波堤損壞的形成機理進行了模型試驗推薦精選，指出破碎波作用是其破壞的主要原因，對當(dāng)時通用的破碎波波壓豎向均勻分布圖式提出質(zhì)疑，

10、并研究了提高堤身穩(wěn)定性的措施。謝世楞、方天中分別就葡萄牙錫尼斯防波堤損壞從斜坡堤設(shè)計到扭工字塊體強度諸方面作了分析。對于六小河原港防波堤破壞典型案例， 對損壞形態(tài)和原因作了介紹分析。綜合國內(nèi)外工程經(jīng)驗和研究成果，20世紀(jì)80年代以后出版的港口工程教材、專著、設(shè)計手冊中都辟有專門章節(jié)對防波堤損壞予以專題論述。謝世楞在海港工程設(shè)計手冊(中冊)、海港工程中根據(jù)國內(nèi)外典型防波堤破壞案例，系統(tǒng)分析了防波堤破壞原因和預(yù)防措施。李炎保等3人防波堤損壞特點予以研究，結(jié)合國內(nèi)外200多個防波堤破壞實例，根據(jù)防波堤損壞特點，從波浪水動力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)、地基和施工多方面分析了損壞原因與損壞特性之間的關(guān)系，從而深化對防

11、波堤工作機理的認(rèn)識。直立堤、斜坡堤、水平混合堤的斷面損壞形態(tài)，即主要破損部位和方式各不相同。為分析不同防波堤結(jié)構(gòu)的斷面損壞形態(tài)，利用平面形態(tài)分析的61例以及Gomyoh對24例受損水平混合堤資料，歸納3種類型防波堤斷面損壞形態(tài)特征如表2。表2 不同類型防波堤斷面損壞形態(tài)特征防波堤類型損壞特征案例數(shù)及所占比重直立堤(共24例)堤身(沉箱、方塊)滑移或傾斜15/24(62.5%)堤身結(jié)構(gòu)損壞(沉箱開裂開孔等)5/24(20.8%)基床損壞19/24(79.2%)其中與堤身滑移傾斜同時發(fā)生14/19(73.4%)斜坡堤(共15例)只發(fā)生前坡護面塊體散亂3/15(20%)前后坡護面塊體散亂或削頂12/

12、15(80%)水平混合堤(共47例)消波塊散亂與塌陷同時發(fā)生23/47(48.9%)只發(fā)生消波塊體散亂11/47(23.4%)只發(fā)生消波塊體塌陷11/47(23.4%)消波塊斷裂7/47(14.9%)沉箱滑移12/47(25.5%)堤前沖刷6/47(12.8%)從上表得出結(jié)論：對于直立堤破壞原因主要是基床損壞、堤身(沉箱、方塊)推薦精選滑移或傾斜和其中與堤身滑移傾斜同時發(fā)生；斜坡堤斷面主要破壞原因是護面塊體散亂；對于水平混合堤而言，其中最主要的破壞原因便是消波塊散亂與塌陷同時發(fā)生時，防波堤的破壞占水平混合堤接近總數(shù)的一半。各類防波堤事故發(fā)生的時間、部位和破壞方式均有其各自的特點。本文對歷次防波

13、堤損壞的資料進行了系統(tǒng)的分析與歸納，總結(jié)為以下四個方面。1. 波浪水動力特性認(rèn)識不足；波浪是防波堤的主要荷載，防波堤損壞的主要原因是對堤前波浪水動力特性認(rèn)識不足，表現(xiàn)于設(shè)計波浪標(biāo)準(zhǔn)的確定，波能局部集中，破碎波和越浪的出現(xiàn)，波群和波譜特征，長周期波、破波相似參數(shù)和風(fēng)浪延時等因素的破壞性認(rèn)識不足。2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計不盡合理；結(jié)構(gòu)自身的強度和穩(wěn)定性是保證防波堤安全性，實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。除自身抗力不足以外，結(jié)構(gòu)尺度、整體性或者連接段處理不當(dāng)，堤前或基床頂水深不足出現(xiàn)破碎波等誘發(fā)損壞的案例也時有發(fā)生。3. 海床與基床沖刷和地基失穩(wěn)；地基和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性是建筑物安全的基本條件，由于堤腳、海床和基床的沖刷，地基承載能力不足引起防波堤的損壞時有發(fā)生，波浪作用造成地基土液化或軟化是深水防波堤建設(shè)面臨的新課題。4. 施工期穩(wěn)定性不足；防波堤斷面抵御波浪作用的能力需要在建筑物建成后整體工作才能實現(xiàn)，施工過程中往往暴露某些薄弱環(huán)節(jié)。加之防波堤遠離海岸，外海施工條件惡劣，工期長，不可預(yù)見因素多，只有通過合理地組織施工，加強風(fēng)險管理才能減少不必要的損失。防波堤的破壞是一個復(fù)雜的整體過程，尤其是我們對波浪防波堤地基相互作用的