国内外防波堤损坏研究现状及原因浅析.doc

国内外防波堤损坏研究现状及原因浅析近年来，深水环境下的防波堤建设项目日益增多，经常会遇到一些国际海岸工程中还未完全解决的难题。本文通过研读海港工程1和李炎保等2人的文献综述了国内外在防波堤损坏这一领域研究的历史与最新进展，此基础上对防波堤损坏的原因进行了初步探讨，并列举了若干防波堤破坏典型案例。防波堤在海港各类水工建筑物中有其特殊的地位。它用来抵御波浪与海冰的侵袭，维护港内水域的平稳，以保证船舶在港内安全的停泊和进行装卸作业；同时还可用于挡沙，维护港内水深。虽然近几十年来在波浪理论以及防波堤模型实验技术和设计方法方面均有极大的发展，但由于海浪现象的随机性以及波浪-防波堤-地基相互作用的复杂性，防波堤损坏事件在世界范围内不断发生。如20世纪30年代初地中海沿岸热那亚等几个港口防波堤的毁灭性破坏， 1978年葡萄牙锡尼斯港深水防波堤严重破坏；日本接连不断的防波堤损坏事件以及我国一些防波堤的损坏。近年来，随着港口建设规模扩大，防波堤向深水发展。防波堤损坏事件越来越引起海岸工程界的关注。防波堤损坏分析历来受到十分关注。日本有完整透明的受灾防波堤记录并定期分析研究。日本是一个岛国，防波堤建设是其海岸带和海洋开发的基础。防波堤损坏的研究与海岸工程学科的发展紧密相连，著名的计算直立堤波浪力的合田公式就是根据大量的模型试验结果及对原形防波堤失事情况的检验提出的。966-1986年的20余年间，日本对防波堤受灾案例进行了大规模的调查研究。日本港湾技术研究所分别于出版了被灾防波堤集览三集。布了1949-1964年间20个港口受灾防波堤68例； 1965-1972年间49个港口63例； 1973-1982年39个港口54例的详细情况。每一案例提供的资料包括损坏状况描述，结构各部分尺度，设计波浪要素，受灾部位破坏程度，破坏时出现的波浪要素、水文气象条件及修复方法。并给出破坏部分平面位置，断面结构和修复断面。这些资料为制定日本港湾设计基准，改进防波堤设计提供了丰富的借鉴，对今天我们认识防波堤工作机理，开展防波堤风险分析仍有重要价值。鹿岛辽一等对防波堤受灾特性进行调查分析，根据日本国内外128例受灾防波堤和防波护岸14例资料，分析受灾部位、破坏特征、破坏原因，从而找出防波堤损坏规律和预防措施。鹿岛归纳的防波堤破坏部位和形态的发生频率如表1。表1 防波堤损坏部位和形态的发生频率损坏部位与形态出现频率(受灾部位/受灾防波堤)（%）直墙滑移23/9324.7上部结构滑移11/9411.7直墙沉陷与倾斜11/9311.8上部结构沉陷与倾斜8/948.5直墙损坏9/939.7上部结构损坏9/949.6护面块体散乱58/9859.2抛石基床块石散乱56/11050.9压脚块体散乱22/6434.4消浪棱体散乱108/11593.9消浪棱体损坏7/1156.1海床冲刷35/14224.6从上表得出结论：相对于整体抵抗波浪作用的沉箱、方块等构件而言，单体工作的消波、护面块体和基床发生损坏的比例要高。Yasuda对1992-1996年日本运输省港湾局编纂的受灾设施年报中所列209例防浪护岸进行了统计分析。护岸损坏主要有三个原因：波浪力超过海墙抗力，越浪以及墙前海床冲刷。50%的护岸损坏由于海床冲刷引起，海床冲刷引起关联后果：护面块体滑动；墙前水深加大造成波高增加进而导致波浪力和越浪增加。海床如果没有足够防护，在波高小于设计波高的情况下也有可能发生墙前海床冲刷。欧美注重应用防波堤破坏研究成果改进设计施工。近20多年来，欧美出现过三次防波堤事故的研究热潮。即1980年前后葡萄牙锡尼斯防波堤事故后对斜坡堤稳定性的分析； 1994年深水防波堤会议前后对直立堤损坏的分析；20世纪90年代后期结合防波堤可靠度设计方法的改进对防波堤破坏模式的研究。锡尼斯防波堤事故涉及设计波浪标准，波浪特性，扭工字块体稳定系数、强度和应用条件，模型试验方法等多种波浪和防波堤动力特性课题，成为后来防波堤工程研究热点。例如，波群特性模拟，护面块体强度，护面块体损坏率和稳定系数的关系，钩连块体的开发。欧盟1996- 1999年实行的第三期海洋技术计划MAST(Marime Science and Technology Research Program)的直立堤的概率设计工具研究项目PROVERBS ( Probabilistic Design Tools for Vertical Breakwaters)的首要目标就是深入了解防波堤损坏机理，提出预防措施。针对现行设计方法不能预测和解释防波堤发生灾害性破坏的可能性的不足，该项目从水动力特性、地基基础、结构和概率理论四个方面开展工作。其分析程序为确定破坏模式建立极限状态方程确定随机参数和计算模式的不确定特征将不确定性引入极限状态方程按水准/分析每一破坏模式的出现频率故障树分析(不同破坏模式的相关分析)确定系统的失效概率系统优化，本项目成果提供了一套不同波浪和结构尺度下波浪力计算方法和概率分布，防波堤破坏模式，结构动力响应和失效概率分析的完整方法。 PROVERBS项目之前，世界航运协会常设委员会开展了以分项系数为基础的防波堤设计方法研究，出版了设计标准PIANC PTC. Burcharth (1998， 2000)和Srensen分别介绍了用这一标准进行直立堤、斜坡堤设计的方法。PIANC PTC的方法从防波堤破坏模式的研究出发，建立各种破坏模式的极限状态方程，由方程各变量的概率分布类型和参数确定不同破坏模式的失效概率，由不同破坏模式的相关关系得到系统的失效概率，进而确定不同失效概率下系统极限状态方程各参数的分项系数。我国对防波堤破坏的研究。我国关于防波堤破坏的研究可追朔到1957年关于连云港防波堤塌陷的分析。上世纪70年代编制海港水文和防波堤设计施工规范过程中，组织了设计、施工、科研单位，海洋与气象观测预报部门和高等院校参加的防波堤损坏现场调研和专题讨论。现场调研包括了海南和大连地区的受灾防波堤，专题讨论分析了1972年3号台风造成山东、辽东、黄海、渤海沿岸几座防波堤和防浪建筑物的破坏案例。从设计波浪推算和标准、波浪力计算公式、结构整体性予以说明，上世纪90年代编制新一轮规范又重点组织了现场调研。我国关于防波堤损坏的研究十分注重汲取国外防波堤损坏的经验。1957年邱大洪等曾针对意大利热那亚港防波堤损坏的形成机理进行了模型试验，指出破碎波作用是其破坏的主要原因，对当时通用的破碎波波压竖向均匀分布图式提出质疑，并研究了提高堤身稳定性的措施。谢世楞、方天中分别就葡萄牙锡尼斯防波堤损坏从斜坡堤设计到扭工字块体强度诸方面作了分析。对于六小河原港防波堤破坏典型案例， 对损坏形态和原因作了介绍分析。综合国内外工程经验和研究成果，20世纪80年代以后出版的港口工程教材、专著、设计手册中都辟有专门章节对防波堤损坏予以专题论述。谢世楞在海港工程设计手册(中册)、海港工程中根据国内外典型防波堤破坏案例，系统分析了防波堤破坏原因和预防措施。李炎保等3人防波堤损坏特点予以研究，结合国内外200多个防波堤破坏实例，根据防波堤损坏特点，从波浪水动力学特性、结构、地基和施工多方面分析了损坏原因与损坏特性之间的关系，从而深化对防波堤工作机理的认识。直立堤、斜坡堤、水平混合堤的断面损坏形态，即主要破损部位和方式各不相同。为分析不同防波堤结构的断面损坏形态，利用平面形态分析的61例以及Gomyoh对24例受损水平混合堤资料，归纳3种类型防波堤断面损坏形态特征如表2。表2 不同类型防波堤断面损坏形态特征防波堤类型损坏特征案例数及所占比重直立堤(共24例)堤身(沉箱、方块)滑移或倾斜15/24(62.5%)堤身结构损坏(沉箱开裂开孔等)5/24(20.8%)基床损坏19/24(79.2%)其中与堤身滑移倾斜同时发生14/19(73.4%)斜坡堤(共15例)只发生前坡护面块体散乱3/15(20%)前后坡护面块体散乱或削顶12/15(80%)水平混合堤(共47例)消波块散乱与塌陷同时发生23/47(48.9%)只发生消波块体散乱11/47(23.4%)只发生消波块体塌陷11/47(23.4%)消波块断裂7/47(14.9%)沉箱滑移12/47(25.5%)堤前冲刷6/47(12.8%)从上表得出结论：对于直立堤破坏原因主要是基床损坏、堤身(沉箱、方块)滑移或倾斜和其中与堤身滑移倾斜同时发生；斜坡堤断面主要破坏原因是护面块体散乱；对于水平混合堤而言，其中最主要的破坏原因便是消波块散乱与塌陷同时发生时，防波堤的破坏占水平混合堤接近总数的一半。各类防波堤事故发生的时间、部位和破坏方式均有其各自的特点。本文对历次防波堤损坏的资料进行了系统的分析与归纳，总结为以下四个方面。1. 波浪水动力特性认识不足；波浪是防波堤的主要荷载，防波堤损坏的主要原因是对堤前波浪水动力特性认识不足，表现于设计波浪标准的确定，波能局部集中，破碎波和越浪的出现，波群和波谱特征，长周期波、破波相似参数和风浪延时等因素的破坏性认识不足。2. 结构设计不尽合理；结构自身的强度和稳定性是保证防波堤安全性，实现其功能的基础。除自身抗力不足以外，结构尺度、整体性或者连接段处理不当，堤前或基床顶水深不足出现破碎波等诱发损坏的案例也时有发生。3. 海床与基床冲刷和地基失稳；地基和基础的稳定性是建筑物安全的基本条件，由于堤脚、海床和基床的冲刷，地基承载能力不足引起防波堤的损坏时有发生，波浪作用造成地基土液化或软化是深水防波堤建设面临的新课题。4. 施工期稳定性不足；防波堤断面抵御波浪作用的能力需要在建筑物建成后整体工作才能实现，施工过程中往往暴露某些薄弱环节。加之防波堤远离海岸，外海施工条件恶劣，工期长，不可预见因素多，只有通过合理地组织施工，加强风险管理才能减少不必要的损失。防波堤