海外常用護(hù)面塊體選型及設(shè)計(jì)

薛瑞龍，王福強(qiáng)，王玉平

（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

斜坡式海防構(gòu)筑物是一種較經(jīng)濟(jì)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，它主要依靠堤身保護(hù)堤后水域或陸域及相關(guān)構(gòu)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(hù)構(gòu)筑物主要由堤心和護(hù)面層組成，而護(hù)面材料通?？捎锰烊皇匣蛉斯せ炷翂K體。天然石料是較經(jīng)濟(jì)的方案，堅(jiān)固耐久但消浪性不佳，當(dāng)水深較大時(shí)所需石料的重量將會(huì)快速增大，所以許多工程咨詢公司與研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了多種形狀各異的人工護(hù)面塊體替代天然石料。

在我國(guó)，常用的人工護(hù)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(yīng)用較多。扭王塊是我國(guó)學(xué)者在上世紀(jì)80年代學(xué)習(xí)消化國(guó)外的AccropodeTM后進(jìn)行了部分修改優(yōu)化，并經(jīng)30多年的運(yùn)用，逐步成為我國(guó)最流行的人工護(hù)面塊體。

在海外，人工塊體的研究和應(yīng)用非常積極，不斷出現(xiàn)了以AccropodeTMII型、Core-LocTMI型、Core-LocTMII型、EcopodeTM和Xbloc@為主的鉤聯(lián)型塊體，此類(lèi)塊體強(qiáng)健性好、消浪性佳、穩(wěn)定性強(qiáng)、并可單層施工，應(yīng)用非常廣泛。本文結(jié)合所接觸的設(shè)計(jì)和施工項(xiàng)目，介紹海外常用人工護(hù)面塊體優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用研究，以供科研、設(shè)計(jì)和施工單位參考[1]。

2 海外常用人工護(hù)面塊體

2.1 Tetrapod（四角椎體）

上世紀(jì)50年代，法國(guó)開(kāi)發(fā)了一種異型人工護(hù)面塊體——Tetrapod，見(jiàn)圖1（a），該塊體雙層安裝，主要以自重和鉤聯(lián)作用以達(dá)到穩(wěn)定。

圖1 人工護(hù)面塊體型式Fig.1 The typesof artificial armor blocks

2.2 Dolos（扭工字塊）

上世紀(jì)60年代，南非開(kāi)發(fā)了Dolos塊體，見(jiàn)圖1（b），它以混凝土用量少以及便于施工成為當(dāng)時(shí)最為流行的人工護(hù)面塊體，該塊體也是雙層安裝，以鉤聯(lián)作用達(dá)到穩(wěn)定。

2.3 AccropodeTM I型和II型

上世紀(jì)80年代由法國(guó)開(kāi)發(fā)了AccropodeTMI型，見(jiàn)圖1（c），該塊體是迄今為止全球最為流行的人工護(hù)面塊體，我國(guó)的扭王字塊也是以AccropodeTM為原型開(kāi)發(fā)的。它是在當(dāng)時(shí)學(xué)界逐漸認(rèn)為單層安裝比雙層安裝更加穩(wěn)定的背景下開(kāi)發(fā)出來(lái)的。該塊體單層安裝，減少了數(shù)量，節(jié)約了混凝土以及安裝數(shù)量，并且不會(huì)出現(xiàn)像雙層安裝塊體那樣易發(fā)生滾落導(dǎo)致雙層變單層而穩(wěn)定性突降的情況。隨后在本世紀(jì)初，為了節(jié)約混凝土用量進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)發(fā)了AccropodeTMII型，見(jiàn)圖1（d），兩塊體都以鉤聯(lián)作用達(dá)到穩(wěn)定。

2.4 Core-LocTM I型和II型

上世紀(jì)90年代，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)開(kāi)發(fā)了較AccropodeTMI型更加省料的Core-LocTMI型，見(jiàn)圖1（e），以及本世紀(jì)初開(kāi)發(fā)的Core-LocTMII型，其較I型變化不大。Core-LocTM塊體造型纖細(xì)，單層安裝，以鉤聯(lián)作用達(dá)到穩(wěn)定，并且可以作為修復(fù)塊體與扭工字塊共同使用。

2.5 EcopodeTM

上世紀(jì)90年代法國(guó)又開(kāi)發(fā)了一種環(huán)境友好型塊體EcopodeTM，見(jiàn)圖1（f），其視覺(jué)效果與天然石料相近，適用于海洋生物環(huán)境要求高的水域。該塊體也是單層安裝，以鉤聯(lián)作用達(dá)到穩(wěn)定。

2.6 Xbloc@

本世紀(jì)初，在AccropodeTM的基礎(chǔ)上DMC開(kāi)發(fā)了一種新變體——Xbloc@，見(jiàn)圖1（g），根據(jù)DMC在一定條件下進(jìn)行比較認(rèn)為該塊體是省料最多的人工塊體。該塊體單層安裝，穩(wěn)定性高，以鉤聯(lián)作用達(dá)到穩(wěn)定。

3 海外常用人工護(hù)面塊體選型和對(duì)比分析

3.1 選型因素

一般EPC承包商或咨詢?cè)O(shè)計(jì)方對(duì)人工護(hù)面塊體的選型需要從穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)健性和其他四方面分析確定。

3.1.1 穩(wěn)定性

人工塊體的穩(wěn)定性分析可以分為：1）整體穩(wěn)定性；2） 個(gè)體穩(wěn)定性；3）殘余穩(wěn)定性。

整體穩(wěn)定性是指構(gòu)建筑物對(duì)波浪的整體防護(hù)能力，即破浪消能作用，主要受到塊體的類(lèi)別、整體空隙率以及安裝方式（隨機(jī)或規(guī)則安裝）影響。在設(shè)計(jì)上，通常用穩(wěn)定數(shù)Ns（用穩(wěn)定數(shù)公式計(jì)算：在單位長(zhǎng)度Dn范圍內(nèi)發(fā)生移動(dòng)的塊體數(shù)）或穩(wěn)定系數(shù)KD（用Hudson公式計(jì)算）來(lái)評(píng)價(jià)塊體的整體穩(wěn)定性（見(jiàn)表1和表2）。

表1 堤身穩(wěn)定系數(shù)KD表Table 1 The breakwater body stability coefficient KD

個(gè)體穩(wěn)定性是指人工塊體安裝后自身在波浪作用下的抗?jié)L抗滑等作用，主要與塊體的重量和鉤聯(lián)效果有關(guān)，通常在設(shè)計(jì)方面不考慮。

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

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

3.1.2 經(jīng)濟(jì)性

從上世紀(jì)90年代以來(lái)開(kāi)發(fā)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(shù)，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(gè)數(shù)。此外改進(jìn)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(jiàn)表3）。而在施工成本方面，優(yōu)先選用易于預(yù)制，易于儲(chǔ)存，易于轉(zhuǎn)運(yùn)以及易于安裝的塊體?？偟膩?lái)說(shuō)，單層安放鉤連型塊體比雙層安放經(jīng)濟(jì)性優(yōu)秀。單層安裝塊體的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在混凝土用量方面，在施工方面如儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)和安裝等方面差別不大。

表3 護(hù)面塊體混凝土用量對(duì)比表Table 3 Comparativetable of theconcreteconsumption for armor blocks

3.1.3 強(qiáng)健性

人工塊體的個(gè)體強(qiáng)健性直接決定了構(gòu)建筑物的壽命，一般可以對(duì)塊體進(jìn)行3D建模分析其在波浪作用下的應(yīng)力云圖，或者可直觀的從其外觀進(jìn)行選型，如粗壯型的AccropodeTM比纖細(xì)的Core-LocTM更加強(qiáng)健。此外，塊體的強(qiáng)健性對(duì)塊體的最大重量也有直接關(guān)系，如AccropodeTM最大可以做到28 m3，Core-LocTM最大僅能預(yù)制到11 m3，并且前者預(yù)制時(shí)可以配置鋼筋，后者不建議配置。

另外塊體的強(qiáng)健性還與塊體安裝破損率有關(guān)，以南亞某集裝箱深水港的防波堤項(xiàng)目為例，采用了Core-LocTM塊體，根據(jù)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(huán)保性

在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，政府和個(gè)人都十分注重新建或改擴(kuò)建構(gòu)建筑物對(duì)周?chē)锏挠绊?，所以選用更加環(huán)境友好型的塊體非常必要，并且塊體混凝土用量也與環(huán)保性有間接關(guān)系。以英國(guó)某項(xiàng)目為例，政府部門(mén)根據(jù)水工結(jié)構(gòu)在海水中所使用的混凝土用量多少而進(jìn)行審批，因?yàn)榛炷猎诤Ｋ飼?huì)釋放不同的離子，影響海洋植物和魚(yú)類(lèi)。

2） 美觀性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，旅游業(yè)越加發(fā)達(dá)，近年來(lái)游艇碼頭或大型海濱浴場(chǎng)的需求非常旺盛，對(duì)相關(guān)的防波堤和護(hù)岸的視覺(jué)效果要求成為了關(guān)注點(diǎn)，所以建議選用美觀性更佳的塊體。EcopodeTM視覺(jué)上更接近天然石料，Core-LocTM支腿纖細(xì)安裝過(guò)渡平滑視覺(jué)整體性好。圖2分別是EcopodeTM，Core-LocTM和Xbloc@安裝效果圖，可進(jìn)行視覺(jué)比較。

圖2 護(hù)面塊體安裝效果圖Fig.2 Install effectsof thearmor blocks

3） 修復(fù)性

海洋構(gòu)建筑物經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)或長(zhǎng)期季風(fēng)的影響，此外由于各種施工因素，會(huì)導(dǎo)致個(gè)別塊體滾滑或破損，必須盡快修復(fù)，例如Core-LocTM與Dolos可進(jìn)行相互修補(bǔ)。

4） 專利

在海外，使用上述塊體都需要向特定企業(yè)繳納塊體使用專利費(fèi)，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(xiàng)目為例，Core-LocTM塊體專利費(fèi)約占?jí)K體相關(guān)造價(jià)的6%，約占總合同額的1%。

3.2 對(duì)比分析

針對(duì)以上選型因素的分析，表4總結(jié)了海外常用人工護(hù)面塊體的對(duì)比情況。

表4 護(hù)面塊體選型對(duì)比表Table4 Comparativetableof thetypeselection of armor blocks

4 海外常用人工護(hù)面塊體設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

一般人工塊體設(shè)計(jì)包括塊體穩(wěn)定重量、水下肩臺(tái)、壓腳石以及相應(yīng)基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)。

4.1 人工塊體穩(wěn)定重量設(shè)計(jì)

塊體穩(wěn)定重量設(shè)計(jì)一般采用Hudson公式或穩(wěn)定數(shù)公式計(jì)算[2~3]。

4.1.1 Hudson公式

式中：Hs為設(shè)計(jì)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(wěn)定系數(shù)，見(jiàn)表1；cotα為護(hù)面坡度。

該公式的表述不同于國(guó)內(nèi)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(jù)等效立方體換算得到人工塊體的體積V=Dn3。

4.1.2 穩(wěn)定數(shù)公式

式中：Ns為穩(wěn)定數(shù)，見(jiàn)表2。

人工塊體的穩(wěn)定重量設(shè)計(jì)已較成熟，可直接根據(jù)波高查表選取塊體大小，而對(duì)于上述公式，Hudson公式和穩(wěn)定數(shù)公式的實(shí)質(zhì)是相近的，只是考慮方向和表述不同。

4.2 肩臺(tái)設(shè)置

通常為了減少成本，坡面設(shè)計(jì)會(huì)采用“一坡到底”的形式，以減少堤心材料。但是，當(dāng)水深逐漸增大時(shí)，該型式會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）水下墊層石施工難度增大，墊層石質(zhì)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(hào)吊機(jī)，成本將增加；

3）塊體個(gè)數(shù)增加，其沉降趨勢(shì)增大。

如果一味采用“一坡到底”的形式，當(dāng)超過(guò)一定深度后，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性反倒不佳；同時(shí)，相關(guān)規(guī)范和資料也對(duì)人工塊體在坡面的數(shù)量進(jìn)行了限制，如國(guó)標(biāo)要求扭王字塊不超過(guò)18塊[4]，Xbloc@技術(shù)規(guī)格書(shū)要求其不超過(guò)20塊。所以建議在設(shè)計(jì)低水位以下1.5~2.0倍設(shè)計(jì)波高以下可增設(shè)肩臺(tái)，而具體設(shè)計(jì)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、建材價(jià)格以及物模實(shí)驗(yàn)綜合考慮肩臺(tái)的設(shè)置及其標(biāo)高。

4.3 壓腳石及相應(yīng)基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

壓腳石的設(shè)計(jì)可分為穩(wěn)定重量計(jì)算和基礎(chǔ)處理方式兩方面，穩(wěn)定重量計(jì)算通常采用穩(wěn)定數(shù)公式（深水區(qū)）或范德米爾公式（淺水區(qū)，即視為護(hù)面石考慮）?；A(chǔ)處理方式需根據(jù)地質(zhì)情況區(qū)分，砂質(zhì)地基可采用鋪設(shè)土工布與二片石結(jié)合處理，或開(kāi)挖基坑回填碎石處理；巖石地質(zhì)可不處理直接安放塊體和壓腳石，見(jiàn)圖3。

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

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)水工施工企業(yè)紛紛進(jìn)入海外市場(chǎng)，經(jīng)常采用中國(guó)扭王字塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，扭王字塊因經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性以及專利等問(wèn)題，在許多地區(qū)都受限制，特別是外資投資項(xiàng)目。所以有必要將國(guó)外更流行的人工防護(hù)塊介紹給國(guó)內(nèi)同行。

本文從塊體的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)健性、環(huán)保性、外觀性等方面對(duì)海外經(jīng)常使用的人工塊體進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)常用人工塊體的穩(wěn)定重量、水下肩臺(tái)設(shè)置和壓腳石及相應(yīng)基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)。

[1] 樸正，馬小舟，董國(guó)海.斜坡式建筑物上異形人工護(hù)面塊體的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，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(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].JTJ 154-1—2011,Code of design and construction of breakwaters[S].