人工護(hù)面塊體實(shí)驗(yàn)室安放規(guī)律研究

王依娜，周加杰，陳松貴，陳漢寶，張 偉

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456； 2.中交四航局 第二工程有限公司，廣州 5103006)

1 概 述

斜坡式防波堤具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便和基礎(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，因此在石料豐富的港口工程中，優(yōu)先采用斜坡式防波堤。斜坡式防波堤主要由堤身石塊和人工護(hù)面塊體組成，而人工護(hù)面塊體的穩(wěn)定是保障整個(gè)防波堤正常發(fā)揮擋浪功能的關(guān)鍵。印度尼西亞是中國東盟最大的貿(mào)易伙伴，也是中國海外港口項(xiàng)目的主要所在地，但在印度尼西亞南岸，由于面對著廣闊的印度洋，常年受到長周期涌浪的影響，波浪條件十分惡劣。《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTS 154-1-2011)中規(guī)定：“設(shè)計(jì)波浪平均周期大于10 s或設(shè)計(jì)波高與設(shè)計(jì)波長之比小于1/30的坦波作用下，護(hù)面塊體重量應(yīng)通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。”[2]與中國沿海地區(qū)的波浪條件不同，印度尼西亞面臨印度洋海岸波浪周期均大于10 s[3]，對于已建或在建的印尼南岸港口工程中，防波堤人工護(hù)面塊體的重量均需通過物理模型試驗(yàn)得到。實(shí)驗(yàn)室中，人工護(hù)面塊體的安放常常由實(shí)驗(yàn)員采用手?jǐn)[的方式進(jìn)行[4]，相對于現(xiàn)場施工的吊機(jī)安放，實(shí)驗(yàn)員擺放的塊體更為緊密整齊，勾連性更好。因此，該實(shí)驗(yàn)方法降低了人工護(hù)面塊體的安全可靠度，帶來一定的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

本文首先對現(xiàn)有的常用人工護(hù)面塊體進(jìn)行綜述，討論護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理。其次，針對印尼防波堤工程中常用的兩種護(hù)面塊體——扭王字塊(Accropode)和雙聯(lián)塊體，采用人工擺放和機(jī)械擺放兩種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安放試驗(yàn)，對塊體的密實(shí)度和勾連性進(jìn)行分析和討論。

2 人工護(hù)面塊體綜述

2.1 人工護(hù)面塊體種類

二戰(zhàn)以前，斜坡式防波堤的護(hù)面塊體主要以大石塊或混凝土立方塊為主。1950年，法國Sogreach水工試驗(yàn)所提出第一種自鎖型人工護(hù)面塊體四角錐體(Tetrapod)。隨后的20年間，人們發(fā)明了數(shù)十種細(xì)桿型人工護(hù)面塊體[5]，但大多數(shù)的人工護(hù)面塊體只應(yīng)用于少數(shù)的幾個(gè)工程，最常用的塊體是Dolos扭工字塊(1963，俄羅斯)。1978年葡萄牙錫尼什港(Sines)防波堤失效的案例(初始設(shè)計(jì)使用的扭工字塊)使得人們對細(xì)桿型護(hù)面塊體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性重新進(jìn)行考慮，后來該防波堤采用法國提出的Antifer立方塊(1973)進(jìn)行了修復(fù)。1980年，法國Sogreach水工試驗(yàn)所提出Accropode塊體(扭王字塊)。由于Accropode塊體在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和消浪性方面的兼顧以及單層隨機(jī)安放的簡便施工方法，一經(jīng)提出便成為至今全球使用最為廣泛的人工護(hù)面塊體。接下來，美國提出的Coreloc塊體(1996)和A-Jack塊體(1998)也得到較為廣泛的應(yīng)用。與桿狀自鎖型護(hù)面塊體平行發(fā)展的有單層空心塊護(hù)面塊體，其主要類型有Hollow Cube塊(1991，德國)、Cob 塊(1969，英國)、Shed塊(1982，英國)和Seabee塊(1978，澳大利亞)。2008年，中交一航院在Accropode塊體的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的雙聯(lián)型護(hù)面塊體，該塊體的穩(wěn)定系數(shù)與Accropode類似[6]，并在印度尼西亞Gama工程中得到應(yīng)用。

按塊體安放方式，人工護(hù)面塊體可分為兩類——規(guī)則安放和隨機(jī)安放。規(guī)則安放以空心立方塊為主，除此以外，大多數(shù)的護(hù)面塊體為隨機(jī)安放。隨機(jī)安放的護(hù)面塊體發(fā)展經(jīng)歷了3代：第一代是以實(shí)心立方塊、Antifer立方塊等為代表，這一代塊體形狀簡單，便于加工和制作，通常為雙層隨機(jī)安放塊體。其最大的缺點(diǎn)是混凝土使用量較大，至今在一些混凝土價(jià)格比較便宜的地區(qū)仍有一些工程采用Antifer立方塊作為人工護(hù)面塊體。第二代是以Tetrapod四角錐、Dolos扭工字塊為代表細(xì)桿型護(hù)面塊體，此類型塊體混凝土用量少，勾連性良好，通常為雙層隨機(jī)安放。其最大的缺點(diǎn)是塊體本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，雙層安放施工比較復(fù)雜。第三代是以Accropode扭王字塊、A-Jack塊等為代表，這一類塊體相對于第二代，通過增加單個(gè)塊體的混凝土用量提升了塊體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通常為單層隨機(jī)安放。相對于雙層安放的第二代塊體，施工更為簡單方便，消浪效果好，因此是目前工程中使用的主流塊體。

2.2 人工護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理

人工護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理主要包括3方面：自重穩(wěn)定、勾連穩(wěn)定和摩擦穩(wěn)定。

自重穩(wěn)定是所有人工護(hù)面塊體能夠抗浪消浪并在斜坡上保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)，根據(jù)Hudson公式[7]，塊體的重量直接決定其抗浪穩(wěn)定的能力。對于第一代人工護(hù)面塊體，主要通過自重穩(wěn)定來維持其在防波堤斜面上的穩(wěn)定性。

勾連穩(wěn)定是第二代和第三代護(hù)面塊體區(qū)別于第一代的最大不同。通過塊體與塊體之間的交叉、重疊，使得塊體之間發(fā)生自鎖，提高了護(hù)面塊體的整體性，進(jìn)而使得相同重量的單個(gè)塊體能夠抵抗更大的波浪。Hudson公式中引入了穩(wěn)定系數(shù)KD來表征勾連穩(wěn)定對塊體穩(wěn)定重量的影響，KD越大，表明塊體的勾連性越好。

摩擦穩(wěn)定與勾連穩(wěn)定的機(jī)理類似，但又有一定的不同。主要通過塊體與塊體之間相互擠壓產(chǎn)生的摩擦力來提高護(hù)面塊體的穩(wěn)定性，利用摩擦穩(wěn)定的塊體外形一般都比較規(guī)則，便于加工和制作。鏤空的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一方面減少了混凝土用量，另一方面增加防波堤的消浪效果。

根據(jù)護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理、安放方式和形狀，將現(xiàn)有的常用人工護(hù)面塊體分類列于表 1中，并給出每種塊體的示意圖[8-9]。

表1 人工護(hù)面塊體分類

3 實(shí)驗(yàn)條件和方法

3.1 小型塊體安放天車

為模擬施工現(xiàn)場的塊體安放情況，加工的試驗(yàn)天車見圖1。

圖1 小型塊體安放天車示意圖

塊體安放天車高0.9 m，橫向?qū)Я洪L度為1.2 m，截面為0.1 m邊長的正方形，三角支撐底邊寬0.7 m。縱向?qū)Я洪L2 m。該實(shí)驗(yàn)室人工護(hù)面塊體安放天車操作方便、簡單。通過縱向?qū)Я汉蜋M向?qū)Я荷系目潭葮?biāo)尺，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位安放。塊體的起吊、安放等過程全部采用該天車實(shí)現(xiàn)，能夠最大程度地模擬現(xiàn)場塊體施工過程，從而使塊體穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果更加可靠有效。縱向?qū)Я洪L度和橫向?qū)Я簩挾染筛鶕?jù)具體試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，適用范圍廣，該裝置適用于實(shí)驗(yàn)室中二維斷面物理模型試驗(yàn)和三維整體物理模型試驗(yàn)中人工護(hù)面塊體的擺放。

3.2 模型設(shè)定

試驗(yàn)斷面寬1 m，高0.6 m，坡比為1∶1.5。人工護(hù)面塊體分別采用扭王字塊和雙聯(lián)塊體，扭王字塊單塊重236 g，高度為6.91 cm。雙聯(lián)塊體單塊重222 g，高度為6.78 cm。

試驗(yàn)時(shí)，分別采用人工擺放和機(jī)械擺放兩種方式對塊體進(jìn)行擺放(圖2)，將塊體在坡面上擺成矩形，分別記錄下矩形的沿坡面長度L和寬度B，為消除邊界的影響，L和B的測量均為塊體中心點(diǎn)之間的距離。L和B均在不同位置測量3次，取平均值，計(jì)算得到矩形面積S。

試驗(yàn)時(shí)，還利用彈簧秤測量每個(gè)塊體滑動的水平力Fh和豎直力Fv，分別統(tǒng)計(jì)每排和每列的力的變化。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值進(jìn)行比較分析。

圖2 扭王字塊(左)和雙聯(lián)塊體(右)擺放照片

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 塊體安放密度

扭王字塊和雙聯(lián)塊體的不同擺放方式的安放密度見表2和圖3。可以看出，塊體人工擺放的密度均大于機(jī)械擺放的密度，其中扭王字塊多出6.36%，雙聯(lián)塊體多出9.40%。從不同塊體比較來看，相同重量的雙聯(lián)塊體的百平米塊數(shù)要少于扭王字塊，兩者之間存在差別的主要原因是雙聯(lián)塊體為非對稱異形結(jié)構(gòu)，擺放時(shí)更容易出現(xiàn)較大的空隙。

表2 扭王字塊和雙聯(lián)塊體的不同擺放方式的安放密度

圖3 扭王字塊和雙聯(lián)塊體不同擺放方式的安放密度

4.2 塊體勾連性

分別對不同塊體、不同擺放方式塊體的臨界水平滑動力Fh和臨界豎直滑動力Fv進(jìn)行測定，結(jié)果見圖4和圖5。可以看出，兩種塊體人工安放的塊體臨界滑動力均大于機(jī)械安放的值，且越靠中間越明顯。對于扭王字塊，F(xiàn)h相差約50%，F(xiàn)v相差約22%；對于雙聯(lián)塊體，F(xiàn)h相差約60%，F(xiàn)v相差約19%，表明機(jī)械安放時(shí)的勾連性要小于人工安放。對于人工擺放的方式，雙聯(lián)塊體的勾連效果要明顯優(yōu)于機(jī)械安放，但對于機(jī)械擺放，兩種塊體的勾連性沒有明顯的差別。這也從另一個(gè)角度說明人工安放時(shí)擺放的更為緊密，雙聯(lián)塊體的非對稱異形結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)塊體的勾連。

圖4 臨界水平滑動力

圖5 臨界豎直滑動力

5 主要結(jié)論

本文綜述了常用人工護(hù)面塊體，并對護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了討論。針對印尼防波堤工程中常用的兩種人工護(hù)面塊體——扭王字塊和雙聯(lián)塊體，使用自制的小型塊體安放天車模擬施工現(xiàn)場塊體吊機(jī)安放的施工過程，并與實(shí)驗(yàn)室中通常采用的人工擺放塊體安放形式進(jìn)行對比。研究發(fā)現(xiàn)，對于兩種塊體，機(jī)械擺放的塊體密度和勾連性均低于人工擺放，密度低約5%～10%，勾連性低約20%～60%。