海外常用護面塊體選型及設計

薛瑞龍，王福強，王玉平

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 概述

斜坡式海防構筑物是一種較經濟的防護結構，它主要依靠堤身保護堤后水域或陸域及相關構建筑物避免遭受波浪侵襲、水流沖刷或泥沙淤積。斜坡式防護構筑物主要由堤心和護面層組成，而護面材料通常可用天然石料或人工混凝土塊體。天然石料是較經濟的方案，堅固耐久但消浪性不佳，當水深較大時所需石料的重量將會快速增大，所以許多工程咨詢公司與研究機構研發了多種形狀各異的人工護面塊體替代天然石料。

在我國，常用的人工護面塊體有四角錐體、扭工字塊、扭王字塊和柵欄板等，近年以扭王字塊應用較多。扭王塊是我國學者在上世紀80年代學習消化國外的AccropodeTM后進行了部分修改優化，并經30多年的運用，逐步成為我國最流行的人工護面塊體。

在海外，人工塊體的研究和應用非常積極，不斷出現了以AccropodeTMII型、Core-LocTMI型、Core-LocTMII型、EcopodeTM和Xbloc@為主的鉤聯型塊體，此類塊體強健性好、消浪性佳、穩定性強、并可單層施工，應用非常廣泛。本文結合所接觸的設計和施工項目，介紹海外常用人工護面塊體優缺點和應用研究，以供科研、設計和施工單位參考[1]。

2 海外常用人工護面塊體

2.1 Tetrapod（四角椎體）

上世紀50年代，法國開發了一種異型人工護面塊體——Tetrapod，見圖1（a），該塊體雙層安裝，主要以自重和鉤聯作用以達到穩定。

圖1 人工護面塊體型式Fig.1 The typesof artificial armor blocks

2.2 Dolos（扭工字塊）

上世紀60年代，南非開發了Dolos塊體，見圖1（b），它以混凝土用量少以及便于施工成為當時最為流行的人工護面塊體，該塊體也是雙層安裝，以鉤聯作用達到穩定。

2.3 AccropodeTM I型和II型

上世紀80年代由法國開發了AccropodeTMI型，見圖1（c），該塊體是迄今為止全球最為流行的人工護面塊體，我國的扭王字塊也是以AccropodeTM為原型開發的。它是在當時學界逐漸認為單層安裝比雙層安裝更加穩定的背景下開發出來的。該塊體單層安裝，減少了數量，節約了混凝土以及安裝數量，并且不會出現像雙層安裝塊體那樣易發生滾落導致雙層變單層而穩定性突降的情況。隨后在本世紀初，為了節約混凝土用量進一步優化開發了AccropodeTMII型，見圖1（d），兩塊體都以鉤聯作用達到穩定。

2.4 Core-LocTM I型和II型

上世紀90年代，美國陸軍工程兵團開發了較AccropodeTMI型更加省料的Core-LocTMI型，見圖1（e），以及本世紀初開發的Core-LocTMII型，其較I型變化不大。Core-LocTM塊體造型纖細，單層安裝，以鉤聯作用達到穩定，并且可以作為修復塊體與扭工字塊共同使用。

2.5 EcopodeTM

上世紀90年代法國又開發了一種環境友好型塊體EcopodeTM，見圖1（f），其視覺效果與天然石料相近，適用于海洋生物環境要求高的水域。該塊體也是單層安裝，以鉤聯作用達到穩定。

2.6 Xbloc@

本世紀初，在AccropodeTM的基礎上DMC開發了一種新變體——Xbloc@，見圖1（g），根據DMC在一定條件下進行比較認為該塊體是省料最多的人工塊體。該塊體單層安裝，穩定性高，以鉤聯作用達到穩定。

3 海外常用人工護面塊體選型和對比分析

3.1 選型因素

一般EPC承包商或咨詢設計方對人工護面塊體的選型需要從穩定性、經濟性、強健性和其他四方面分析確定。

3.1.1 穩定性

人工塊體的穩定性分析可以分為：1）整體穩定性；2） 個體穩定性；3）殘余穩定性。

整體穩定性是指構建筑物對波浪的整體防護能力，即破浪消能作用，主要受到塊體的類別、整體空隙率以及安裝方式（隨機或規則安裝）影響。在設計上，通常用穩定數Ns（用穩定數公式計算：在單位長度Dn范圍內發生移動的塊體數）或穩定系數KD（用Hudson公式計算）來評價塊體的整體穩定性（見表1和表2）。

表1 堤身穩定系數KD表Table 1 The breakwater body stability coefficient KD

個體穩定性是指人工塊體安裝后自身在波浪作用下的抗滾抗滑等作用，主要與塊體的重量和鉤聯效果有關，通常在設計方面不考慮。

殘余穩定性是指如果人工塊體在波浪作用下發生了滾滑或者塊體斷肢后的整體穩定和個體穩定作用，該方面研究尚不多，多數以增大塊體重量提高穩定性儲備為主要手段，但未考慮塊體本身的形狀效果。

表2 穩定數Ns表（坡度比1V∶1.5H）Table2 The stability number Ns(the ratioof slope is1V:1.5H)

3.1.2 經濟性

從上世紀90年代以來開發的新型人工塊體都以省料、方便施工為目的。最重要因素即安裝層數，單層安裝相較雙層安裝大大減少了混凝土用量以及安裝個數。此外改進塊體形狀，增加塊體整體孔隙率，減少材料量也是需要考慮的因素（見表3）。而在施工成本方面，優先選用易于預制，易于儲存，易于轉運以及易于安裝的塊體。總的來說，單層安放鉤連型塊體比雙層安放經濟性優秀。單層安裝塊體的經濟性主要體現在混凝土用量方面，在施工方面如儲存、轉運和安裝等方面差別不大。

表3 護面塊體混凝土用量對比表Table 3 Comparativetable of theconcreteconsumption for armor blocks

3.1.3 強健性

人工塊體的個體強健性直接決定了構建筑物的壽命，一般可以對塊體進行3D建模分析其在波浪作用下的應力云圖，或者可直觀的從其外觀進行選型，如粗壯型的AccropodeTM比纖細的Core-LocTM更加強健。此外，塊體的強健性對塊體的最大重量也有直接關系，如AccropodeTM最大可以做到28 m3，Core-LocTM最大僅能預制到11 m3，并且前者預制時可以配置鋼筋，后者不建議配置。

另外塊體的強健性還與塊體安裝破損率有關，以南亞某集裝箱深水港的防波堤項目為例，采用了Core-LocTM塊體，根據塊體大小不同其安裝破損率在0.5%~1%左右，塊體越大，越容易破損。

3.1.4 其他

1） 環保性

在歐美發達國家，政府和個人都十分注重新建或改擴建構建筑物對周圍生物的影響，所以選用更加環境友好型的塊體非常必要，并且塊體混凝土用量也與環保性有間接關系。以英國某項目為例，政府部門根據水工結構在海水中所使用的混凝土用量多少而進行審批，因為混凝土在海水里會釋放不同的離子，影響海洋植物和魚類。

2） 美觀性

隨著我國經濟的增長，旅游業越加發達，近年來游艇碼頭或大型海濱浴場的需求非常旺盛，對相關的防波堤和護岸的視覺效果要求成為了關注點，所以建議選用美觀性更佳的塊體。EcopodeTM視覺上更接近天然石料，Core-LocTM支腿纖細安裝過渡平滑視覺整體性好。圖2分別是EcopodeTM，Core-LocTM和Xbloc@安裝效果圖，可進行視覺比較。

圖2 護面塊體安裝效果圖Fig.2 Install effectsof thearmor blocks

3） 修復性

海洋構建筑物經常遭受臺風或長期季風的影響，此外由于各種施工因素，會導致個別塊體滾滑或破損，必須盡快修復，例如Core-LocTM與Dolos可進行相互修補。

4） 專利

在海外，使用上述塊體都需要向特定企業繳納塊體使用專利費，特別是在完全使用外資的情況下。仍以南亞某集裝箱深水港的防波堤項目為例，Core-LocTM塊體專利費約占塊體相關造價的6%，約占總合同額的1%。

3.2 對比分析

針對以上選型因素的分析，表4總結了海外常用人工護面塊體的對比情況。

表4 護面塊體選型對比表Table4 Comparativetableof thetypeselection of armor blocks

4 海外常用人工護面塊體設計應用研究

一般人工塊體設計包括塊體穩定重量、水下肩臺、壓腳石以及相應基礎處理設計。

4.1 人工塊體穩定重量設計

塊體穩定重量設計一般采用Hudson公式或穩定數公式計算[2~3]。

4.1.1 Hudson公式

式中：Hs為設計波高 H13%；Δ = ρr/ρw-1，ρr和 ρw為塊體和水的密度；Dn為塊體名義尺寸；KD為塊體穩定系數，見表1；cotα為護面坡度。

該公式的表述不同于國內直接使用塊石/塊體重量的方式，而采用了塊石的中值粒徑Dn，并根據等效立方體換算得到人工塊體的體積V=Dn3。

4.1.2 穩定數公式

式中：Ns為穩定數，見表2。

人工塊體的穩定重量設計已較成熟，可直接根據波高查表選取塊體大小，而對于上述公式，Hudson公式和穩定數公式的實質是相近的，只是考慮方向和表述不同。

4.2 肩臺設置

通常為了減少成本，坡面設計會采用“一坡到底”的形式，以減少堤心材料。但是，當水深逐漸增大時，該型式會出現以下問題：

1）水下墊層石施工難度增大，墊層石質量降低，不利于塊體安裝；

2）塊體陸上安裝距離增大，要求更大型號吊機，成本將增加；

3）塊體個數增加，其沉降趨勢增大。

如果一味采用“一坡到底”的形式，當超過一定深度后，結構經濟性和安全性反倒不佳；同時，相關規范和資料也對人工塊體在坡面的數量進行了限制，如國標要求扭王字塊不超過18塊[4]，Xbloc@技術規格書要求其不超過20塊。所以建議在設計低水位以下1.5~2.0倍設計波高以下可增設肩臺，而具體設計需根據現場設備、建材價格以及物模實驗綜合考慮肩臺的設置及其標高。

4.3 壓腳石及相應基礎處理設計

壓腳石的設計可分為穩定重量計算和基礎處理方式兩方面，穩定重量計算通常采用穩定數公式（深水區）或范德米爾公式（淺水區，即視為護面石考慮）。基礎處理方式需根據地質情況區分，砂質地基可采用鋪設土工布與二片石結合處理，或開挖基坑回填碎石處理；巖石地質可不處理直接安放塊體和壓腳石，見圖3。

圖3 坡腳基礎處理方式Fig.3 The foundation treatment of slope toe

5 結語

國內水工施工企業紛紛進入海外市場，經常采用中國扭王字塊進行設計和施工，扭王字塊因經濟性、環保性以及專利等問題，在許多地區都受限制，特別是外資投資項目。所以有必要將國外更流行的人工防護塊介紹給國內同行。

本文從塊體的穩定性、經濟性、強健性、環保性、外觀性等方面對海外經常使用的人工塊體進行了對比分析，對常用人工塊體的穩定重量、水下肩臺設置和壓腳石及相應基礎處理設計進行了總結。

[1] 樸正，馬小舟，董國海.斜坡式建筑物上異形人工護面塊體的發展及應用[J].中國水運，2013（7）：298-300.PIAO Zheng,MA Xiao-zhou,DONG Guo-hai.Development and application of abnormal artificial armor blocksfor slopingbuildings[J].China Water Transport,2013(7):298-300.

[2]CIRIA,CUR,CETMEF.Therock manual[M].London:CIRIA C683,2007.

[3]CHL.The coastal engineering manual[M].The USA:Coastal Hydrauucs Laboratory,2002.

[4]JTJ154-1—2011，防波堤設計與施工規范[S].JTJ 154-1—2011,Code of design and construction of breakwaters[S].