聚氨酯碎石護(hù)坡波浪作用特性

丁 潔，董永福

(中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120)

沿海地區(qū)圍堤、防波堤、護(hù)岸等斜坡式結(jié)構(gòu)多采用人工塊體護(hù)面，以消弱波浪作用、降低波浪爬高。人工塊體護(hù)面用量大、造價(jià)高，如能在護(hù)面結(jié)構(gòu)和材料選取等方面取得突破和創(chuàng)新，可以取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。聚氨酯碎石護(hù)坡是利用聚氨酯優(yōu)良的物理力學(xué)及黏結(jié)性能，將碎石整合為一個(gè)強(qiáng)度大、多孔隙的整體結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)通過吸收外荷載作用達(dá)到消浪、降低爬高的效果。國(guó)際上，聚氨酯碎石常用于道路路面、河道防沖結(jié)構(gòu)、堤壩護(hù)面，相關(guān)研究與應(yīng)用[1-2]持續(xù)了20余年。在國(guó)內(nèi)，聚氨酯碎石常用于透水路面結(jié)構(gòu)[3-4]，并開展了大量關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料配比、結(jié)構(gòu)透水性能、材料強(qiáng)度與力學(xué)特性等研究；在河口地區(qū)航道整治建筑物中，作為堤身材料，開展了空心塊體生態(tài)堤結(jié)構(gòu)[5]等有關(guān)生態(tài)結(jié)構(gòu)的研究，但尚未能開展工程應(yīng)用；在內(nèi)河航道工程護(hù)岸上，作為護(hù)面結(jié)構(gòu)開展了工程應(yīng)用[6-7]，也在波浪條件下開展了波浪爬高及波壓力的室內(nèi)試驗(yàn)研究[8]，在風(fēng)浪較大的河口地區(qū)堤壩上尚未開展過相關(guān)工程應(yīng)用和研究。

本研究開展了風(fēng)浪作用較大的河口地區(qū)的堤壩上聚氨酯碎石護(hù)坡的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用，并通過理論研究、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與物理模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步對(duì)聚氨酯碎石護(hù)坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、消浪效果及波浪力分布特征開展研究。

1 基本情況

1.1 設(shè)計(jì)方案概況

護(hù)坡結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橫沙東灘某大型灘涂整治工程，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位置選擇在工程砂庫(kù)北圍堰上，總長(zhǎng)度108 m。

堤壩采用袋裝砂堤身，道渣貼坡后鋪設(shè)450 g/m2無紡?fù)凉げ寂c30 cm厚的碎石墊層，邊坡坡度1:2；碎石墊層外側(cè)鋪設(shè)聚氨酯碎石護(hù)坡，根據(jù)聚氨酯碎石厚度不同分為3段，坡頂厚度分別為20、25、30 cm，每段長(zhǎng)度36 m。見圖1。

圖1 聚氨酯碎石護(hù)坡試驗(yàn)斷面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與物模試驗(yàn)

1.2.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

在聚氨酯碎石護(hù)坡上(厚度25 cm)，沿?cái)嗝娣较虻染嚯x安裝6個(gè)波浪壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)，在外側(cè)平臺(tái)(2.0 m)上設(shè)置1個(gè)壓力式水位計(jì)和1個(gè)壓力式波浪傳感器，同步采集水位和波浪數(shù)據(jù)。波浪壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)及波浪、水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面

1.2.2室內(nèi)物理模型試驗(yàn)

斷面物理模型試驗(yàn)[9]在水槽中進(jìn)行，用來研究聚氨酯碎石護(hù)坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、波浪爬高以及波壓力分布規(guī)律。試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計(jì)。根據(jù)模型砂的選取、設(shè)計(jì)水位、波浪要素、試驗(yàn)斷面及試驗(yàn)設(shè)備條件等因素，模型幾何比尺取1:15。試驗(yàn)采用的聚氨酯及碎石與原型密度一致，聚氨酯碎石護(hù)坡滿足重力相似。護(hù)面厚度滿足幾何相似，在相同級(jí)配規(guī)律條件下，孔隙率與原型相同。根據(jù)相關(guān)研究成果[10-12]，為滿足護(hù)面受力與原型滿足重力相似，當(dāng)幾何比尺取1:15時(shí)，塊石粒徑比尺取1:10。波浪按重力相似準(zhǔn)則模擬，不規(guī)則波波譜采用JONSWAP譜，每組試驗(yàn)不規(guī)則波波數(shù)大于150個(gè)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

在聚氨酯護(hù)坡外表面和內(nèi)表面分別安裝波浪測(cè)點(diǎn)同步測(cè)量壓強(qiáng)。點(diǎn)位布置與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置相同。斷面物理模型試驗(yàn)開展了表1所示的兩組水位及波浪條件的研究，波浪壓強(qiáng)測(cè)量研究組次見表2。波浪爬高在坡度為1:3的單坡結(jié)構(gòu)上，采用50 a一遇設(shè)計(jì)水位和波浪條件開展試驗(yàn)研究。

表1 物理模型試驗(yàn)水文條件

表2 波浪壓強(qiáng)測(cè)量物理模型試驗(yàn)組次

2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

聚氨酯碎石護(hù)坡在聚氨酯黏結(jié)劑的黏結(jié)作用下形成整體，提高了碎石材料的強(qiáng)度，同時(shí)其多孔隙結(jié)構(gòu)消散與吸收了波浪沖擊力。目前，聚氨酯碎石護(hù)坡的護(hù)面及邊坡尚無有效理論公式計(jì)算確定。根據(jù)歐洲相關(guān)機(jī)構(gòu)研究成果和示范工程應(yīng)用情況，聚氨酯碎石護(hù)坡厚度取值范圍為10～30 cm。物理模型試驗(yàn)采用20、30 cm兩種厚度開展試驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)工程采用了20、25、30 cm共3種厚度，通過測(cè)量和觀察的方式判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

根據(jù)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)成果，對(duì)厚度分別為20和30 cm、邊坡坡比1:2的聚氨酯碎石護(hù)坡(碎石粒徑20～40 mm)結(jié)構(gòu)開展研究。結(jié)果表明堤頂、斜坡及坡腳處的聚氨酯碎石護(hù)坡均為穩(wěn)定狀態(tài)。

在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)段里，出現(xiàn)了幾組波浪較大的情況，各組監(jiān)測(cè)水位和波高見表3。在這幾組波浪作用下，聚氨酯碎石護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防護(hù)效果良好。

表3 結(jié)構(gòu)特征與水文條件

因此，綜合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況和物理模型試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，在1:2邊坡坡度下，20～30 cm厚的聚氨酯碎石護(hù)坡可抵御H13%不小于3.0 m的波浪作用。

3 波浪爬高分析

聚氨酯碎石護(hù)坡通過多孔結(jié)構(gòu)吸收波能，有效減小了波浪爬高。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，斜坡堤波浪爬高計(jì)算公式如下：

R=KΔR1H

(1)

R1=K1th(0.432M)+[(Rl)m-K2]R(M)

(2)

(3)

(4)

R(M)=1.09M3.32exp(-1.25M)

(5)

式中：R為波浪爬高(m)；KΔ為與斜坡護(hù)面結(jié)構(gòu)形式有關(guān)的糙滲系數(shù)；R1為KΔ=1、H=1 m時(shí)的波浪爬高(m)；H為建筑物所在處進(jìn)行波的波高(m)；M為與斜坡的m值有關(guān)的函數(shù)，m為斜坡坡度系數(shù)；(Rl)m為相應(yīng)于某一d/L時(shí)的爬高最大值(m)，L為波長(zhǎng)(m)；d為建筑物前水深(m)；R(M)為爬高函數(shù)；K1、K2、K3為系數(shù)，按規(guī)范[9]取值。

在結(jié)構(gòu)邊坡尺度和波浪條件相同的情況下，式中R1、M、(Rl)m、R(M)等與護(hù)面結(jié)構(gòu)的糙滲系數(shù)都無關(guān)。因此，護(hù)面結(jié)構(gòu)的糙滲系數(shù)KΔ是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算參數(shù)，波浪爬高R與之成線性關(guān)系。結(jié)合有關(guān)聚氨酯碎石護(hù)坡波浪爬高的研究成果、物理模型試驗(yàn)，研究聚氨酯碎石材料的糙滲系數(shù)KΔ。

1)相關(guān)研究(與混凝土板護(hù)面的對(duì)比)。荷蘭代爾夫特科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)對(duì)巴斯夫公司生產(chǎn)的聚氨酯碎石護(hù)坡開展了波浪爬高研究，研究表明：由于聚氨酯碎石護(hù)坡的粗糙表面和多孔隙構(gòu)造具有高導(dǎo)水率特征，大部分波能耗散發(fā)生在波浪爬高過程中。與不透水的護(hù)坡(混凝土板護(hù)面)相比，聚氨酯碎石護(hù)坡的波浪爬高可顯著降低15%～25%。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，混凝土板的糙滲系數(shù)為0.9。因此，在相同的結(jié)構(gòu)尺度和波浪條件下，可以估計(jì)聚氨酯碎石材料的糙滲系數(shù)為0.68～0.77。

2)工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)聚氨酯碎石護(hù)坡和附近亂石混凝土(類似拋石外澆筑混凝土)護(hù)坡爬高的同步量測(cè)，分別為4.45～4.90 m和5.23～5.93 m。與亂石混凝土相比，聚氨酯碎石護(hù)坡降低波浪爬高約20%～23%。結(jié)合波浪條件，估算得聚氨酯碎石材料的糙滲系數(shù)為0.75～0.85。

工程現(xiàn)場(chǎng)爬高獲取數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，可能存在一定誤差?？傮w上，以上兩種方式結(jié)果較為接近。因此，在工程設(shè)計(jì)中，取0.80～0.85是安全的。

4 波壓強(qiáng)特征分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與物理模型試驗(yàn)條件并不是一一對(duì)應(yīng)的。一是現(xiàn)場(chǎng)水文要素的不確定性，監(jiān)測(cè)結(jié)果未能與物理模型試驗(yàn)完全匹配；二是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的聚氨酯碎石護(hù)坡厚度與物理模型試驗(yàn)也不一致。因此，對(duì)兩項(xiàng)波壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：先將測(cè)量波壓強(qiáng)值扣減凈水壓強(qiáng)，以消除水位不同的問題；再將壓強(qiáng)值經(jīng)公式P/(ρgH)處理為相對(duì)波壓強(qiáng)，以消除波高不同的問題。

4.1 波壓力分布形態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到護(hù)面上波壓力分布形態(tài)與室內(nèi)試驗(yàn)有一定相似性。水位附近波浪力最大；水位以上部分，波壓力越往上越小，衰減較快；水位以下部分，波壓力越往下越小，但較水位以上的區(qū)域衰減較慢，見圖3。這與柵欄板、混凝土面板等面板型護(hù)面結(jié)構(gòu)受力分布相似。

圖3 實(shí)測(cè)與物模波壓力分布

4.2 波壓強(qiáng)值

經(jīng)公式P/(ρgH)處理后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的每組相對(duì)波浪壓強(qiáng)最大值為0.35～0.68。相近波高下(組1和組2，組3和組4)，水位越高，相對(duì)波壓強(qiáng)越?。幌嘟幌?組1和組4、組2和組3)，波高越大，相對(duì)波壓強(qiáng)越小，均成反比特征，見圖3和表4、5。

表4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)組相對(duì)波浪壓強(qiáng)P/(ρgH)

室內(nèi)物理模型試驗(yàn)測(cè)得的每組相對(duì)波浪強(qiáng)最大值為0.50～0.64，且與水位、波高關(guān)系不大，見表5。

表5 室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)照組相對(duì)波浪壓強(qiáng)P/(ρgH)

與物理模型試驗(yàn)比較，在波高較大的情況下，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的相對(duì)波浪壓強(qiáng)P/(ρgH)偏小。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，這可能是現(xiàn)場(chǎng)波高監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在堤腳平臺(tái)處，在波浪較大的時(shí)段，波浪反射作用影響大。同時(shí)，由于研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)位未連續(xù)布置，最大波壓強(qiáng)可能有漏測(cè)情況，根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)論，聚氨酯碎石護(hù)坡上最大波壓強(qiáng)不小于0.5ρgH。

5 結(jié)語

1)聚氨酯碎石護(hù)坡是利用具有生物親和性化學(xué)黏結(jié)劑聚氨酯(PU)的優(yōu)良物理力學(xué)及黏結(jié)性能，將碎石強(qiáng)化整合為一個(gè)堅(jiān)固、穩(wěn)定多孔隙的整體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)吸收外荷載作用，達(dá)到消浪、防沖的效果。本研究選擇了風(fēng)浪較大的河口堤壩，開展了護(hù)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)特性研究等，并首次在大風(fēng)浪地區(qū)應(yīng)用了20、25、30 cm共3種厚度的聚氨酯碎石護(hù)坡結(jié)構(gòu)。

2)采用理論研究、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段，進(jìn)一步對(duì)聚氨酯碎石護(hù)坡的特性和作用機(jī)理、波浪作用下爬高、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和分布情況開展了研究，得到以下研究結(jié)論：①在H13%=2.0～3.0 m的波浪作用下，邊坡1:2、厚20～30 cm的聚氨酯碎石護(hù)坡是穩(wěn)定的；②與混凝土板相比，聚氨酯碎石護(hù)坡能有效降低波浪爬高，工程設(shè)計(jì)中糙滲系數(shù)可取0.80～0.85；③聚氨酯碎石護(hù)坡水位附近波壓強(qiáng)最大，且不小于0.5ρgH。

致謝：本文得到了項(xiàng)目組徐元、陳海英、黃東海、楊一琛、王曉峰及南京水利科學(xué)研究院項(xiàng)目物理模型試驗(yàn)研究組等的大力支持，在此表達(dá)誠(chéng)摯的尊敬和衷心的感謝！