不同擺放方式扭王字塊體穩(wěn)定性研究

鐘雄華，陳國平，嚴士常，周 雅，王 聰

（河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護教育部重點實驗室，南京 210098）

不同擺放方式扭王字塊體穩(wěn)定性研究

鐘雄華，陳國平，嚴士常，周 雅，王 聰

（河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護教育部重點實驗室，南京 210098）

通過物理模型試驗，研究了在不規(guī)則波作用下斜坡式護岸護面采用扭王字塊體時，擺放方式對穩(wěn)定系數(shù)KD和越浪量的影響，給出了不同擺放形式的護面層空隙率P，對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)KD的取值范圍，并對越浪量進行了對比分析。

扭王字塊體；擺放方式；穩(wěn)定性；越浪量

扭王字塊體是海岸工程中常見的一種人工護面塊體。扭王字塊體主要應(yīng)用于防波堤和護岸等水工建筑物，它的主要作用是保護堤心和消浪。一方面，它可以避免堤心與海浪直接接觸，防止堤心被海浪侵蝕，維持堤心的穩(wěn)定；另一方面，它可以使波浪在坡面上破碎，從而減少越浪的水體，提高堤后結(jié)構(gòu)的安全性。扭王字塊體的穩(wěn)定性直接關(guān)系到消浪效果和堤心的穩(wěn)定，從20世紀初開始，國內(nèi)外學(xué)者對這種人工塊體進行了大量的研究工作。1938年Iribarren首次提出了護面塊體的穩(wěn)定重量計算公式；1959年美國人Hudson［1］提出了塊體穩(wěn)定重量的計算公式，該公式考慮了波高、坡度，塊體形式塊體重度對塊體穩(wěn)定重量的影響，并給出了不同護面塊體的穩(wěn)定系數(shù)KD的值，目前國內(nèi)規(guī)范就是用的該公式進行扭王字塊體的穩(wěn)定重量計算，該公式在一般情況下都可獲得較好的結(jié)果，但也有很多批評意見［2］，主要是因為在斜坡坡度較陡時，波浪在坡面上并不發(fā)生破碎，與假設(shè)情況不符，此外Hudson公式?jīng)]有考慮波浪周期的影響；1980年法國的索格利咨詢公司發(fā)明了扭王字塊體ACCROPODETM推薦扭王字塊穩(wěn)定系數(shù)KD取15和12（分別對應(yīng)不破碎波和破碎波的情況）；為克服Hudson公式的缺點，1987荷蘭工程師Van dre Meer［3］總結(jié)前人及他本人的物理模型試驗的結(jié)果，給出了另外一種形式的穩(wěn)定性公式，除了考慮了波高、坡度、塊體種類的影響外，還考慮了破浪的破碎條件，風(fēng)暴延時等對扭王穩(wěn)定性的影響；1991年的英國規(guī)范［4］推薦扭王字塊的穩(wěn)定系數(shù)KD范圍取10到12，護面層的空隙率在不同體積范圍下分別取0.491，0.531，0.552；國內(nèi)的《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》［5］所應(yīng)用的穩(wěn)定重量計算公式是Hudson公式，KD取18，安放一層，護面層的空隙率為0.5；2005年白銀戰(zhàn)［6］對比了港口工程中扭王字塊的應(yīng)用標準，提出了扭王字塊在施工中的重點注意事項；2014年王帥等［7］通過對比英國規(guī)范BS6349.7-1991與中國的《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》，發(fā)現(xiàn)兩者雖然都是采用的Hudson公式，但是兩種標準的設(shè)計波高與塊體穩(wěn)定系數(shù)取值存在差異；2014年林曉［8］研究了外海防波堤大規(guī)模扭王字塊安裝技術(shù)與控制，介紹和總結(jié)了大規(guī)模扭王字塊體安裝所采用的技術(shù)與控制措施。但是由于扭王字塊直接關(guān)系到水工建筑物的安全性，且其穩(wěn)定性與很多因素有關(guān)，各家公式，各種擺放方式和各國標準都有自己的適用范圍和局限性。因此，繼續(xù)開展扭王字塊體的研究是十分必要的，且具有重要的實際價值。

1 設(shè)備儀器與試驗方法

本次波浪斷面物理模型試驗在河海大學(xué)波浪水槽中進行，該水槽能同時產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)。水槽長80 m，寬1.0 m，高1.5 m，水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式造波機，由計算機自動控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。水槽沿縱向分成兩部分，寬度都為0.5 m，其中一部分用來安放模型斷面進行試驗，另一部分用于減小造波板的二次反射波。為消除水槽試驗中的二次反射波，造波板上安裝了日本三井株式會社研制的二次反射吸收裝置（根據(jù)安裝在造波板上波高儀測量的水面波動及時反饋計算機，調(diào)整造波機行程，以達到吸收反射波浪的作用）。試驗采用不規(guī)則波進行，不規(guī)則波波譜取Jonswap譜。

圖1 試驗斷面Fig.1 Test section

波高采用電容式波高儀量測，采用DJ800多功能自動采集系統(tǒng)采集，由計算機進行統(tǒng)計分析。越浪量采用集水稱重法量測。

試驗參數(shù)及組合：有效波高Hs為6，7.4，12.5，14，16.8，17.8 cm平均周期T為1.45 s；坡度m=1.5，堤前水深d為49 cm；防浪墻頂距水面高度h為18.4 cm，防浪墻與后方平臺的高度差P為8.9 cm。試驗斷面見圖1。

本次試驗采用不透水堤心，坡面上鋪設(shè)土工布，5～25 g墊層塊石，護面塊體采用125 g的扭王字塊體（a型）［5］，塊體的密度ρ=2.35 g/cm3，塊體的體積V=53.26 cm3，塊體的高度h=5.44 cm。

2 扭王字塊體的擺放原則及適用條件

在實際工程中，扭王字塊體常見的幾種擺放方式有隨機擺放、“正反式”規(guī)則擺放、“隊列式”規(guī)則擺放、“交錯式”規(guī)則擺放和混合式擺放?，F(xiàn)對這五種擺放方式進行對比分析。

2.1 扭王字塊體的擺放原則

2.1.1 隨機擺放

衡量扭王字塊體安放質(zhì)量的主要指標是單位面積上安放的扭王字塊體的個數(shù)，塊體的安放個數(shù)應(yīng)滿足設(shè)計或者規(guī)范的要求。隨機安放的扭王字塊體是采用定點隨機安放，即先假定安放扭王字塊體的斜坡是一個網(wǎng)格，通過間距×排距=設(shè)計面積/設(shè)計密度，來確定塊體安放的網(wǎng)格節(jié)點的位置，從而保證塊體的安放密度。

根據(jù)《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》規(guī)定以及白銀戰(zhàn)等人的論文可得，隨機安放塊體時應(yīng)做到：（1）塊體單層安放；（2）塊體在坡面上可斜向放置，使塊體的一半桿件與墊層接觸，即要求扭王字塊的三個肢桿端部著地；（3）相鄰的扭王字塊的擺向不宜相同；（4）每個塊體必須扣在所在排下方的兩個塊體之間的位置；（5）每個塊體必須與其下方的墊層相接觸，不能懸空放置；（6）擺放密度按規(guī)定進行，見圖2。

2.1.2“正反式”規(guī)則擺放

“正、反式”規(guī)則擺放的擺放姿態(tài)應(yīng)做到：（1）3個肢桿端部著地，另外3肢桿端部朝外；（2）相鄰塊體的擺放姿態(tài)不能一樣，即肢桿端朝海與兩肢桿端朝海相間擺放；（3）嚴格按照勾連塊體擺放，確保塊體接觸緊密形成整體；（4）每個塊體必須與其下方的墊層相接觸，不能懸空放置，擺放效果圖見圖3。

2.1.3“隊列式”規(guī)則擺放

“隊列式”規(guī)則擺放的擺放姿態(tài)應(yīng)做到：（1）塊體要保證3個肢桿端部著地；（2）相鄰塊體的擺放姿態(tài)相同，即都是一肢桿朝海進行擺放；（3）水平方向，相鄰塊體的翼緣相接觸平行安放；（4）上下相鄰的塊體要緊密接觸，形成一個整體，擺放效果圖見圖4。

2.1.4“交錯式”規(guī)則擺放

“交錯式”規(guī)則擺放的擺放姿態(tài)應(yīng)做到：（1）塊體在空間上安放必須是傾斜的，要保證三個腳著地；（2）相鄰塊體的擺放姿態(tài)相同，即都是一肢桿朝海進行擺放；（3）水平方向，相鄰的塊體間隔一個肢桿的寬度；（4）后一排的扭王字塊體的兩肢桿分別靠在其前排的兩個塊體肢桿上，擺放效果圖見圖5。

2.1.5 混合式擺放

采用“正反式”規(guī)則擺放與隨機擺放相結(jié)合的形式進行護坡。平臺以下為隨機擺放，平臺以上為“正反式”規(guī)則擺放。塊體的擺放姿態(tài)分別根據(jù)“正反式”規(guī)則擺放和隨機擺放來確定，安放過程中，要保證規(guī)則擺放與不規(guī)則擺放的銜接處的安放質(zhì)量，擺放效果圖見圖6。

圖2 隨機擺放Fig.2 Random placing

圖3 “正反式”規(guī)則擺放Fig.3Theregulardirectandreverseplacing

圖4 “隊列式”規(guī)則擺放圖Fig.4 The regular queue placing

圖5 “交錯式”規(guī)則擺放Fig.5 The regular staggered placing

圖6 混合式擺放Fig.6 Hybrid placing

2.2 適用條件

2.2.1 隨機擺放。

本次試驗隨機安放的扭王字塊體的安放個數(shù)為110塊/2 500 cm2。隨機安放時只需要確定扭王字塊體的網(wǎng)格點位置，對其安放姿態(tài)沒有嚴格的要求，因此適用于水上和水下的塊體的施工，塊體之間咬合的比較緊密，穩(wěn)定性較好。

2.2.2“正反式”規(guī)則擺放。

“正反式”規(guī)則擺放的扭王字塊體上下兩排的塊體需要咬合的比較好，所以除了需要確定其擺放位置還要保證其安放姿態(tài)，水下施工難度比較大，一般適用于水上施工，塊體之間咬合的比隨機擺放的緊密，穩(wěn)定性也比隨機擺放的要好。

2.2.3“隊列式”規(guī)則擺放。

“隊列式”規(guī)則擺放的施工難度比前兩種都大，因為其要求塊體不僅要咬合，而且上下兩排的塊體的擺放形式要完全一樣，當(dāng)在進行水下施工時，難度很大。塊體主要與其相鄰的上下兩排的塊體咬合，穩(wěn)定性較好。

2.2.4“交錯式”規(guī)則擺放。

塊體之間的空隙較集中，相互咬合程度略低，安放過程中較難保證塊體姿態(tài)的一致，塊體常會出現(xiàn)向前傾覆，水下施工難度很大，穩(wěn)定性不好。

2.2.5 混合式擺放。

其安放難度介于隨機擺放和“正反式”規(guī)則擺放之間，主要是因為在規(guī)則與不規(guī)則擺放的銜接處很難保證塊體的咬合效果，穩(wěn)定性比單獨隨機擺放和單獨“正反式”規(guī)則擺放差。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 五種擺放對應(yīng)的護面層的空隙率

《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》只給出了扭王字塊體隨機擺放時，護面層的空隙率P=0.50。

通過物理模型試驗可得，在50 cm×50 cm的范圍內(nèi)，“正反”規(guī)則擺放、“隊列式”規(guī)則擺放和“交錯式”規(guī)則擺放可擺入的扭王字塊體的個數(shù)分別為128塊、135塊和114塊。基于此，可計算出對應(yīng)的護面層的空隙率P=（護面層的體積—扭王字塊體的總體積）/護面層的體積。同時，該規(guī)范也給出了扭王字塊體的護面層厚度，計算可得“正反”規(guī)則擺放、“隊列式”規(guī)則擺放和“交錯式”規(guī)則擺放的護面層厚度相同，均為4.9 cm。因此三者所對應(yīng)的護面層的空隙率P分別為0.45，0.40，0.50。

3.2 不同擺放方式的穩(wěn)定性研究

穩(wěn)定性的判斷標準：根據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》［9］5.2.2斜坡式建筑物護面塊體的判斷標準應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）在波浪作用下，隨機拋放的護面塊體累積位移超過單個塊體的最大幾何時即失穩(wěn)，強度起控制作用的大型護面塊體，其累積位移超過塊體最大幾何尺度一半時即失穩(wěn)；（2）在波浪作用下，單層鋪砌的護面塊體，其累積位移超過單個塊體的厚度時即失穩(wěn)，單層隨機拋放的護面塊體，其位移后產(chǎn)生的縫隙寬度超過塊體最大幾何尺度一半時即失穩(wěn)。穩(wěn)定性試驗結(jié)果見表1。

由表3可知，隨機擺放的塊體，在H=16.8 cm到17.8 cm時，個別塊體劇烈擺動，隨著波浪長時間作用，塊體發(fā)生累積位移，局部產(chǎn)生較大縫隙，塊體失穩(wěn)，根據(jù)Hudson公式反算得到KD=26.47～31.49，而規(guī)范推薦的值是18，這是因為規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)是給了一定的富裕的，偏安全考慮。

表1 穩(wěn)定性試驗結(jié)果Tab.1 Result of stability test

“正反式”規(guī)則擺放的塊體因為塊體之間的咬合效果好，所以在H=17.8 cm的波浪長時間作用下，仍未失穩(wěn)，對應(yīng)的KD＞31.49。

“隊列式”規(guī)則擺放的塊體在波浪作用下，先是在靜水位附近的扭王字塊體向前傾，由于上層塊體與下層塊體的擺放形式完全相同，從而使上層塊體下滑和向前傾，下滑的位移不斷累加，波浪作用結(jié)束后，在坡肩處形成較大的拉縫，大量的塊體向前傾。由表3可得，在H=14 cm到16.8 cm時，塊體失穩(wěn)，對應(yīng)的KD= 15.32～26.47。

“交錯式”規(guī)則擺放的塊體在波浪作用下，水體上爬至最高點后開始回落，扭王字塊體隨著水體的回落而下滑，先是靜水位附近的扭王字塊體下滑，之后其上層的扭王字塊體因為缺少支撐也跟隨著下滑，位移不斷累積，波浪作用結(jié)束后在坡肩處形成較大的縫隙，大量的塊體向前傾。由表3得，在H=6 cm時仍失穩(wěn)，對應(yīng)的KD＜1.21，這種擺放形式不建議采用。

混合式擺放的塊體在波浪作用下，規(guī)則擺放與不規(guī)則擺放的交界處，有一個規(guī)則擺放的扭王字塊體失穩(wěn)，滾動到平臺上。由表3得在H=14 cm～16.8 cm時，塊體失穩(wěn)，對應(yīng)的KD=15.32～26.47。

表2 越浪量試驗結(jié)果Tab.2 Result of overtopping

從塊體咬合的角度來分析不同擺放方式扭王字塊體的穩(wěn)定性差異的原因：由圖3～圖7可知，對于任意一個處于護面層中央位置的扭王字塊，隨機擺放時，有其它4個塊體與其接觸咬合；“正反式”規(guī)則擺放時，有6個塊體與其接觸并咬合；“隊列式”規(guī)則擺放時，有4個塊體與其接觸，其中只有上下兩個塊體與其咬合，另外兩個未咬合，只是接觸，靠摩擦力來維持穩(wěn)定；“交錯式”規(guī)則擺放時，有4個塊體與其接觸，每個扭王字塊體都是通過兩個肢桿與周圍4個扭王字塊體接觸，并無太大的咬合效果；混合式規(guī)則擺放的扭王字塊體的咬合程度介于隨機擺放與“正反式”規(guī)則擺放之間，在規(guī)則與不規(guī)則分界處，塊體的咬合程度要比隨機擺放和“正反式”規(guī)則擺放的咬合程度差。扭王字塊作為一種常見的鉤連塊體，主要是通過塊體之間的鉤連來維持其穩(wěn)定，通過以上分析可知，“正反式”規(guī)則擺放的形式鉤連效果最好，其次是隨機擺放，之后是“隊列式”規(guī)則擺放，“交錯式”規(guī)則擺放的扭王字塊體的咬合效果最差，而混合式擺放的扭王字塊體在分界處的鉤連效果比單獨用隨機擺放和單獨用“正反式”規(guī)則擺放的鉤連效果差，很容易在分界處失穩(wěn)。

3.3 不同擺放方式的越浪量研究

在進行穩(wěn)定性試驗的同時，對隨機擺放、“正反式”規(guī)則擺放、“隊列式”規(guī)則擺放和“交錯式”規(guī)則擺放這四種擺放方式的堤頂越浪量也進行了測量，見表2。

由表4可以得出，越浪量從大到小分別是“正反式”規(guī)則擺放、“隊列式”規(guī)則擺放、隨機擺放和“交錯式”規(guī)則擺放，其中“正反式”規(guī)則擺放與“隊列式”規(guī)則擺放越浪量的差異不大，這四種擺放方式的越浪量的差異主要是由于四者的孔隙率不同，導(dǎo)致其消浪效果不同，因而越浪量也就存在差異。

4 結(jié)論

本文通過物理模型試驗，研究了在不規(guī)則波作用下斜坡式護岸護面采用扭王字塊體時，擺放方式對穩(wěn)定系數(shù)KD和越浪量的影響，給出了不同擺放形式的護面層空隙率P，對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)KD的取值范圍，并對越浪量進行了對比分析，結(jié)論如下：

（1）隨機擺放的扭王字塊體對安放的姿態(tài)沒有嚴格的要求，施工難度最小，且適用于水下施工，規(guī)則擺放的扭王字塊體水下施工的難度很大，一般適用于水上施工。五種擺放方式的施工難度從難到易分別是，“交錯式”，“隊列式”，“正反式”，混合式，隨機擺放。隨機擺放、“正反式”、“隊列式”和“交錯式”這四種擺放方式所對應(yīng)的護面層的空隙率P分別為0.5，0.435，0.404，0.5，“正反式”扭王字塊體之間的咬合最緊密，其次是隨機擺放，之后是“隊列式”，“交錯式”咬合程度最差，而混合式擺放的扭王字塊體在兩種擺放方式的銜接處，塊體之間的咬合程度比單獨隨機擺放和單獨“正反式”規(guī)則擺放的要差。

（2）各種擺放方式的穩(wěn)定性從好到差分別為“正反式”規(guī)則擺放、隨機擺放、“隊列式”規(guī)則擺放和混合式擺放、“交錯式”規(guī)則擺放，這五種擺放方式所對應(yīng)的的穩(wěn)定系數(shù)KD分別為大于31.49，26.47～31.49，15.32～26.47，小于1.21，扭王字塊體不推薦采用“交錯式”規(guī)則擺放的形式。

（3）幾種扭王字塊體的擺放方式越浪量從大到小分別是“正反式”規(guī)則擺放、“隊列式”規(guī)則擺放、隨機擺放和“交錯式”規(guī)則擺放，其中“正反式”規(guī)則擺放與“隊列式”規(guī)則擺放越浪量的差異不大。

［1］HUDSON R Y.Laboratory Investigation of Rubble-mound Breakwaters［J］.Waterway，Port，Coastal and Ocean Engineering，ASCE，1959，83（3）：93-121.

［2］朱傳華.三維不規(guī)則波作用下斜坡式建筑物護面塊體穩(wěn)定重量計算［D］.大連：大連理工大學(xué)，2000.

［3］VAN DER MEER J W.Stability of Breakwater Armor Layers Design Formula［J］.Coastal Engineering，1987（11）：219-239.

［4］BS6349-7-1991，Guidetothedesignandconstructionofbreakwaters［S］.

［5］JTS 154-1-2011，防波堤設(shè)計與施工規(guī)范［S］.

［6］白銀戰(zhàn)，莊正勇.港口工程中扭王字塊應(yīng)用標準的比較［J］.水運工程，2005（11）：36-39.

BAI Y Z，ZHUANG Z Y.A Comparison of Applied Standards of Accropode in Port Engineering［J］.Port&Waterway Engineering，2005（11）：36-39.

［7］王帥，方愛東，蔡偉，等.中英規(guī)范斜坡式防波堤護面塊體設(shè)計對比研究［J］.水運工程，2014（8）：61-65.

WANG S，F(xiàn)ANG A D，CAI W，et al.Comparative study on design method of armor block for rubble mound breakwater between Chinese and British standards［J］.Port&Waterway Engineering，2014（8）：61-65.

［8］林曉，黃建陽.外海防波堤大規(guī)模扭王字塊安裝技術(shù)與控制［J］.施工技術(shù)，2014（43）：538-541.

LIN X，HUANG J Y.Installation Technique and Control of Large Accropode for Deep-water Breakwater in the Open Seas［J］.Construction Technology，2014（43）：538-541.

［9］JTJ/T234-2001，波浪模型試驗規(guī)程［S］.

A stability analysis of different stack types of accropode

ZHONG Xiong-hua,CHEN Guo-ping,YAN Shi-chang,ZHOU Ya,WANG Cong
(Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

A physical model test was set up,which was performed under irregular wave and adopted accropode blocks on the sloped revetment.The stability coefficient KDand wave overtopping under the different mode of placing were studied.The void ratio of the revetment P and the value range of stability parameter KDunder the different mode of placing were obtained.And the overtopping data was also analyzed.

accropode;mode of placing;stability;wave overtopping

TV 139.2；O242.1

A

1005-8443（2016）05-0479-05

2016-01-11；

2016-03-10

鐘雄華（1991-），男，湖北省仙桃市人，碩士研究生，主要從事波浪與建筑物相互作用研究。

Biography：ZHONG Xiong-hua（1991-），male，master student.