一種新型單層人工塊體Crablock 的工程應(yīng)用

楊小龍

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 廣州510230)

1 概述

護(hù)面結(jié)構(gòu)是拋石斜坡堤至關(guān)重要的組成部分，直接關(guān)系到防波堤的可靠性。 護(hù)面結(jié)構(gòu)的類型從最初的塊石護(hù)面， 逐漸發(fā)展成各種不同類型的混凝土人工護(hù)面塊體。

人工護(hù)面塊體從最初的的方塊(Cube)， 到1950 法國率先成功發(fā)明的四角錐人工塊體(Tetrapod)[1-3]， 相繼出現(xiàn)多種不同類型的人工塊體， 如1963 年南非發(fā)明的扭工字塊(Dolos)、1973 年法國發(fā)明的Antifer 塊體。 1981 年法國發(fā)明AccropodeTM單層塊體后， 單層塊體發(fā)展迅速——1996 年美國發(fā)明Core-Loc 塊體， 1999 年法國發(fā)明性能更優(yōu)越的AccropodeTMⅡ塊體，2001 年荷蘭發(fā)明Xbloc 塊體。 這些人工塊體都得到廣泛的應(yīng)用， 并積累了豐富的工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。

本文介紹阿拉伯聯(lián)合酋長國發(fā)明的一種新型單層人工塊體Crablock， 如圖1a) 所示。 該塊體完全對稱并在2014 年成功應(yīng)用于某防波堤項(xiàng)目，如圖1b) 所示。 Broere[4]、 Bonfantini[5]、 Salauddin等[6-7]對該塊體進(jìn)行了一系列的物模試驗(yàn)研究， 得到該塊體的主要性能指標(biāo)。 為此， 本文總結(jié)對比該塊體與上述幾種主流的單層塊體設(shè)計(jì)參數(shù)及施工方法的異同， 為使用該塊體的防波堤項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

圖1 新型單層人工塊體Crablock

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 塊體擺放形式

Salauddin 等對14 種擺放形式和擺放密度的組合進(jìn)行研究， 其中11 個(gè)斷面中采用了常規(guī)的1∕10護(hù)面塊體質(zhì)量的墊層塊石， 3 個(gè)矩形規(guī)則擺放的斷面中采用了更小些的1∕25 護(hù)面塊體質(zhì)量的墊層塊石。 典型的矩形規(guī)則擺放和金字塔規(guī)則擺放如圖2所示。

圖2 塊體典型擺放形式

試驗(yàn)中Crablock 的坡度為1∶4∕3， 類似Accropode。塊體擺放的試驗(yàn)結(jié)果如下:

1)采用1∕25 塊體質(zhì)量的偏小墊層塊石時(shí)， 塊體按照矩形規(guī)則擺放后聯(lián)鎖效果好， 安裝密度能達(dá)到較高的0.68∕(Dn為塊體等效寬度)。 常規(guī)的1∕10 塊體質(zhì)量的墊層， 對矩形規(guī)則擺放不適用。

2)金字塔隨機(jī)擺放時(shí)， 塊體的聯(lián)鎖效果良好，安裝密度能達(dá)到0.61∕。 但坡面上矩形規(guī)則擺放幾乎無法實(shí)施。

2.2 塊體越浪量

為了測定Crablock 塊體的越浪特性， 現(xiàn)有的物模試驗(yàn)研究采用了EurOtop[8]中計(jì)算越浪的堤角處波高Hm0。 Salauddin 等的試驗(yàn)結(jié)果表明: 對于不同的塊體安裝密度和擺放形式， 試驗(yàn)測定的越浪量基本相同。

此外， 將實(shí)測的越浪量結(jié)果與采用van der Meer 等在EurOtop 中提出的新斜坡式防波堤越浪公式計(jì)算的結(jié)果(按糙率系數(shù)γf=0.45)以及歐洲某越浪量試驗(yàn)項(xiàng)目獲得的其他單層塊體的越浪量結(jié)果進(jìn)行對比分析。 結(jié)果表明: Crablock 塊體實(shí)測的越浪量比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果大， 也比歐洲越浪量試驗(yàn)研究中單層塊體Accropode、 Core-loc 和Xbloc 的越浪量偏大。 表明Crablock 塊體的糙率系數(shù)比0.45 大。

式中:q為平均越浪量；g為重力加速度；Hm0為有效波高； α 為防波堤護(hù)面坡角； γb為肩臺(tái)折減系數(shù)； γf為糙率系數(shù)； γβ為斜向浪折減系數(shù)； γν為擋墻折減系數(shù)； ξm-1，0為相似度系數(shù)；Rc為擋墻頂部到水面的超高。

2.3 塊體穩(wěn)定性

Rock Manual中人工塊體的穩(wěn)定數(shù)Ns和破壞指標(biāo)Nod， 即塊體等效寬度內(nèi)護(hù)面層中脫落的塊體數(shù)量定義如下:

式中:KD為塊體穩(wěn)定性系數(shù)； α 為斜坡堤的角度；Hs為設(shè)計(jì)有效波高； Δ 為相對密度；N為護(hù)面層脫落塊體總數(shù)量；B為試驗(yàn)段寬度；Dn為塊體等效寬度。

Salauddin 等對該塊體在2 種擺放形式(即矩形、金 字 塔) 及3 種 安 裝 密 度(即0.69∕、0.66∕、0.63∕)對應(yīng)的塊體擺放的試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)塊體發(fā)生脫落破壞時(shí)， 塊體的穩(wěn)定系數(shù)Ns均不小于2.8；

2)塊體安裝密度0.63∕時(shí)， 2 種擺放形式下， 即使波浪較小時(shí)， 塊體均出現(xiàn)較大的位移和晃動(dòng)。 考慮到實(shí)際工程中一旦出現(xiàn)過大的位移或晃動(dòng)可能導(dǎo)致塊體出現(xiàn)斷肢等破壞， 而且金字塔形擺放的最大密度只能達(dá)到0.63∕， 所以決定該塊體不能采用金字塔形安裝方式， 且安裝密度不能低于0.63∕。

參考AccropodeTM、 Core-Loc 等單層塊體的設(shè)計(jì)容許破壞標(biāo)準(zhǔn)， 即Nod=0， 并考慮到單層塊體一旦破壞就失效的嚴(yán)重后果， 選取Crablock 穩(wěn)定系數(shù)時(shí)也考慮了1.5 的安全系數(shù)， 試驗(yàn)最終結(jié)果如下:Ns取值在2.8～3.3。

3 同等類型塊體對比

單層人工塊具有穩(wěn)定性高、 混凝土用量較傳統(tǒng)的雙層人工塊體大大減少等優(yōu)勢， 因此在防波堤工程中得到廣泛的應(yīng)用。 人工塊體的設(shè)計(jì)[9-11]重點(diǎn)是穩(wěn)定性和可靠性。 塊體安裝方式的復(fù)雜程度也是塊體選型設(shè)計(jì)的重要因素。

結(jié)合上述Crablock 塊體的物模試驗(yàn)， 對該塊體 與 AccropodeTM、 AccropodeTMⅡ、 Core-Loc、Xbloc 4 種主流的單層人工塊體在安裝方式、 越浪量、 穩(wěn)定性等方面的性能進(jìn)行對比分析， 結(jié)果如表1 所示。

表1 Crablock 塊體與同等類型塊體的性能參數(shù)對比

從以上可知: Crablock 塊體的穩(wěn)定指標(biāo)偏高，考慮到該塊體目前的應(yīng)用案例僅有1 個(gè)， 但其余4 種塊體已積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)， 因此實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)對該塊體的穩(wěn)定系數(shù)取值須結(jié)合物模驗(yàn)證， 同時(shí)須參考其余塊體進(jìn)行120%設(shè)計(jì)有效波浪工況的進(jìn)一步驗(yàn)證。

該塊體在試驗(yàn)中矩形規(guī)則擺放形式表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和聯(lián)鎖效果， 可達(dá)到較大的安裝密度，并且規(guī)則擺放比隨機(jī)擺放更具美感， 是該塊體在中東地區(qū)應(yīng)用的原因之一。

然而， 與上述4 種主流的單層人工塊體不同，Crablock 塊體需要在更小的墊層塊石上才能夠獲得更好的塊體聯(lián)鎖和更大的安裝密度， 以此獲得更高的穩(wěn)定系數(shù)， 這與常規(guī)墊層質(zhì)量取1∕10 的塊體質(zhì)量差別較大， 設(shè)計(jì)時(shí)須注意， 并加強(qiáng)施工期的防護(hù)措施。

該塊體的實(shí)際糙率系數(shù)推薦值在已有的物模試驗(yàn)中還未明確， 但根據(jù)物模實(shí)測的越浪量結(jié)果，其糙率系數(shù)比0.45 更大， 建議初定斷面高程時(shí)可按同等類型塊體的糙率系數(shù)考慮， 最終由物模試驗(yàn)確定。

該塊體的安裝密度系數(shù)比其余4 種塊體都大，意味著同等情況下該塊體的混凝土用量以及塊體預(yù)制安裝的數(shù)量都會(huì)增加。

4 結(jié)論

1)Crablock 的穩(wěn)定數(shù)Ns在2.8 ～3.3 之間， 比當(dāng)前主流的塊體有較大的提高。 須注意的是， 設(shè)計(jì)時(shí)穩(wěn)定數(shù)取值越大， 容許發(fā)生的塊體位移和晃動(dòng)的數(shù)目越大。 容許破壞Nod=0 時(shí)， 只計(jì)入從護(hù)面層中脫落塊體的個(gè)數(shù)， 而未計(jì)入發(fā)生位移和晃動(dòng)的塊體數(shù)目。

2)建議按照矩形規(guī)則安裝的方式， 以獲得良好的聯(lián)鎖效果及較大的安裝密度， 從而有利于塊體的穩(wěn)定。

3)該塊體在采取矩形規(guī)則安裝方式時(shí)， 須采用比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)1∕10 塊體質(zhì)量更小的墊層塊石， 即1∕25 的護(hù)面塊體質(zhì)量。 因此， 施工期在未安裝塊體前， 須加強(qiáng)施工期的臨時(shí)防護(hù)措施。

4)該塊體的越浪糙率系數(shù)有待進(jìn)一步研究，但糙率系數(shù)不小于0.45 已得到試驗(yàn)驗(yàn)證。 設(shè)計(jì)時(shí)須結(jié)合物模試驗(yàn)確定最終的越浪量。