透空塊體安放方式對(duì)堤身穩(wěn)定性影響試驗(yàn)研究

江 超，馮衛(wèi)兵

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

透空塊體安放方式對(duì)堤身穩(wěn)定性影響試驗(yàn)研究

江 超，馮衛(wèi)兵

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，自然石料來源越來越緊缺的前提下，透空塊體將作為水運(yùn)、水利及圍墾工程的主要替代材料。然而透空塊體的安放方式是影響堤身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素之一。本文針對(duì)某一圍墾工程的促淤堤，采用物理模型試驗(yàn)，研究了透空式四面體和透空式六面體其安放方式對(duì)堤身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響，并在堤身穩(wěn)定條件下測(cè)試了兩種透空塊體的空隙率。結(jié)果表明，對(duì)于透空式四面體由于塊體之間的勾連性差，必須采用上下套疊安放才能保持堤身穩(wěn)定，施工難度極大；而透空式六面體只需保持一定的間距，避免大面積塊體水平疊放，即可滿足穩(wěn)定要求，且空隙率較傳統(tǒng)拋石高，節(jié)省用料。

透空塊體；塊體安放方式；堤身穩(wěn)定；空隙率

透空塊體具有空腔結(jié)構(gòu)，重量小，可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重，廣泛應(yīng)用于碼頭和防波堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。國內(nèi)最早是中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院于2003年提出和開發(fā)空心方塊斜坡堤，謝世楞等［1］首次將空心方塊體引入防波堤結(jié)構(gòu)中，并且對(duì)空心塊體斜坡堤的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了分析［2］。周禮軍等［3］研究了坡度對(duì)空心塊體的消浪性能的影響。曲淑媛等［4］對(duì)多孔和單孔的透空塊體擺放成斜坡堤和半圓形堤頭的堤身穩(wěn)定進(jìn)行研究，提出了在滿足設(shè)計(jì)要求的堤體空隙率情況下的人工透空塊體的擺放網(wǎng)格。陳雪峰等［5］研究了暗基床上規(guī)則波作用下空心塊體的失穩(wěn)模式。劉猛［6］對(duì)新型空心塊體的促淤堤的斷面波浪特性展開了研究。陳旭達(dá)等［7］和房卓等［8］也對(duì)透空式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，為理論研究奠定基礎(chǔ)。目前工程上不斷提出新型的透空塊體結(jié)構(gòu)形式，由于透空塊體之間的牽連性差，施工難度大，因此，對(duì)新型透空塊體擺放方式與其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相互關(guān)系，開展試驗(yàn)研究是十分必要的。本文結(jié)合上海地區(qū)某工程的促淤堤設(shè)計(jì)斷面，針對(duì)透空式四面體和透空式六面體的結(jié)構(gòu)特性，分別設(shè)計(jì)了幾種擺放方式，利用物理模型試驗(yàn)，比較了不同擺放方式的優(yōu)缺點(diǎn)，在滿足堤身穩(wěn)定性的情況下，尋求比較合理、經(jīng)濟(jì)、便于施工的透空塊體的擺放方式。

1 試驗(yàn)斷面堤身結(jié)構(gòu)及透空塊體尺寸

1.1 試驗(yàn)斷面堤身結(jié)構(gòu)

堤身空隙率試驗(yàn)底高程設(shè)定為-2.6 m，堤頂高程為3.7 m。透空式四面體堤斷面，堤前灘地高程為-2.6 m，堤頂高程為3.70 m，頂寬4.20 m，內(nèi)外坡比均為1：1.25，采用單重約6.5 t的C60預(yù)制透空式四面體作為堤芯。內(nèi)外坡腳各設(shè)一高程為-1.1 m，寬3.0 m的拋石護(hù)腳平臺(tái)，護(hù)腳坡比為1：2。透空式六面體堤斷面的灘地高程及堤身尺寸與上述透空式四面體斷面相同，采用單重約為10 t的C30預(yù)制透空式六面體構(gòu)筑堤芯。內(nèi)外坡腳各設(shè)一高程為-0.6 m，寬3.0 m的拋石護(hù)腳平臺(tái)，護(hù)腳坡比為1：3。兩種堤身斷面結(jié)構(gòu)如圖1、2所示（圖中單位為m）。

1.2 透空塊體尺寸

1.2.1 透空式四面體

透空式四面體塊體采用素混凝土澆筑，單重為6.5 t，四面體棱長為2.7 m，四面均有正三角形開孔，其中底面開孔較大，開孔邊長為1 830 mm，側(cè)面開孔較小，開孔邊長為954 mm。四角均做削角處理，其余交角處均設(shè)有加強(qiáng)角，避免應(yīng)力集中。形狀及尺寸如圖1所示（圖中單位為mm）。

圖1 透空式四面體促淤堤堤身斷面示意圖Fig.1 Section of tetrahedron hollow block dike

圖2 透空式六面體促淤堤堤身斷面示意圖Fig.2 Section of hexahedron hollow block dike

1.2.2 透空式六面體

透空式六面體塊體也采用素混凝土澆筑，單重為10 t，透空式六面體邊長為1.8 m，透空式六面體中央均有正方形開孔，開孔邊長為0.6 m。形狀及尺寸如圖2所示（圖中單位為mm）。

2 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

2.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在河海大學(xué)航道實(shí)驗(yàn)室80 m長的不規(guī)則波浪水槽中進(jìn)行。水槽寬1.0 m，高1.6 m，有效試驗(yàn)斷面0.5 m。模型按重力相似原則設(shè)計(jì)，模型比尺為1：25。模型塊體采用水泥、黃砂、鐵砂澆制而成，容重為2.3 t/m3，重量誤差控制在±3%以內(nèi)，幾何尺度誤差小于1%。兩側(cè)拋石棱體按單個(gè)稱重控制在一定的范圍內(nèi)。堤壩波浪模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝婢嗌ò鍨?5 m。

2.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)組合

透空式四面體隨機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)形式需要通過上下套疊增加塊體之間的牽連性，底層塊體定點(diǎn)隨機(jī)安放，其他層塊體的安放設(shè)計(jì)了四種不同的套疊方式，試驗(yàn)組次安排見表1。根據(jù)透空式六面體安放特性，底層塊體分別采用不同間距的梅花交錯(cuò)式安放和不同間距的隨機(jī)對(duì)齊式安放，并考慮到安放塊體是否有扭角，設(shè)計(jì)了五組不同的底層塊體安放方式，試驗(yàn)組次安排見表2。堤身斷面波浪模型試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，每組重復(fù)試驗(yàn)3～5次。不規(guī)則波試驗(yàn)采用JONSWAP譜，試驗(yàn)中譜峰系數(shù)取為r=3.3。以上各組試驗(yàn)均用各風(fēng)浪組合情況作用，波浪要素見表3。

圖3 透空式四面體形狀及尺寸Fig.3 Dimension of tetrahedron hollow block

圖4 透空六面體形狀及尺寸Fig.4 Dimension of hexahedron hollow block

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 透空式四面體堤斷面波浪模型試驗(yàn)

組次1：在多年平均潮位條件下即有塊體滑落，各潮位與對(duì)應(yīng)風(fēng)浪組合條件下，僅累積作用一個(gè)風(fēng)暴過程后，堤身即有失穩(wěn)情況出現(xiàn)。

組次2：只有在多年平均高潮位遭遇100 a一遇風(fēng)速組合波浪的作用下堤頂有個(gè)別塊體晃動(dòng)，晃動(dòng)幅度為原型20 cm左右。其余組合作用下整個(gè)堤身均無出現(xiàn)塊體位移或者滾落現(xiàn)象，堤身結(jié)構(gòu)無變化，坡比和堤頂高程均可以保持原樣。

組次3：表面僅有一層隨機(jī)安放的塊體，缺少塊體之間的相互支撐作用，因此在多年平均高潮位遭遇100年一遇風(fēng)速組合波浪的作用下，表面多個(gè)塊體晃動(dòng)，幅度相當(dāng)于原型的25～50 cm。經(jīng)波浪累積作用不足一個(gè)風(fēng)暴過程的時(shí)間后，內(nèi)側(cè)坡已有4個(gè)塊體滾落，坡度及堤頂高程均不能保持原樣。

組次4：在各種潮位及相應(yīng)的100 a一遇風(fēng)速組合波浪分別作用一個(gè)風(fēng)暴過程（相當(dāng)于原型3 h）后，僅后坡1個(gè)塊體出現(xiàn)滾落的現(xiàn)象，堤身整體結(jié)構(gòu)無變化，坡比和堤頂高程均可以保持原樣。

對(duì)于試驗(yàn)組次1，由于塊體間沒有相互嵌套，堤身結(jié)構(gòu)松散，堤身難以抵擋波浪的水平?jīng)_擊力。但是相對(duì)于其他三組試驗(yàn)的套疊方式，組次1的套疊方式施工難度最小。組次3由于套疊層數(shù)過多，頂部隨機(jī)堆放的塊體反而缺少相互勾連容易被波浪的水平?jīng)_擊而失穩(wěn)，且該組次的施工難度也最大。組次2、組次4的施工難度也比較大，但其結(jié)構(gòu)在各種風(fēng)浪組合作用后堤身能保持穩(wěn)定。

3.2 透空式六面體堤斷面波浪模型試驗(yàn)

組次1：在多年平均潮位遭遇100 a一遇風(fēng)速的組合波浪作用初始，堤后坡已整體坍塌，大量塊體滾落，導(dǎo)致塊體失穩(wěn)。

組次2：經(jīng)各種潮位與對(duì)應(yīng)波浪組合條件下的重復(fù)試驗(yàn)，堤身斷面整體較為穩(wěn)定，偶有個(gè)別塊體滑落，但對(duì)堤身的整體結(jié)構(gòu)、堤頂高程及坡比無影響。

組次3、組次4、組次5：在各種潮位及相應(yīng)的波浪組合作用下，僅有個(gè)別塊體表現(xiàn)出輕微晃動(dòng)，無塊體出現(xiàn)位移或滾落的現(xiàn)象，堤身整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，坡比和堤頂高程均保持不變，在200 a一遇高潮位遭遇12級(jí)上限風(fēng)速組合的波浪作用下亦穩(wěn)定。

由此可見，由于組次1的底層塊體間距較小，上層的塊體幾乎平行疊放于底層塊體上，其間僅有微弱的摩擦力，不足以抵御波浪的水平力，無法滿足堤身穩(wěn)定性要求，其余4個(gè)組次均滿足堤身穩(wěn)定性要求。因此，對(duì)于六面體方塊的堤身，應(yīng)避免底層塊體間距過小，由于底層塊體排放過密，導(dǎo)致第二層及以上各層的塊體處于水平疊放狀態(tài)，難以抵御波浪沖擊的水平力，使得堤身整體失穩(wěn)。同時(shí)，在安放第二層塊體時(shí)應(yīng)保證塊體傾斜插入底層空隙中，使堤身塊體之間具有一定的相互支撐，確保斷面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

表1 透空式四面體促淤堤堤身穩(wěn)定性試驗(yàn)塊體擺放方式Tab.1 Block placing methods of the experiments on stability of tetrahedron hollow block dike

表2 透空式六面體促淤堤堤身穩(wěn)定性試驗(yàn)塊體擺放方式Tab.2 Block placing methods of the experiments on stability of hexahedron hollow block dike

表3 試驗(yàn)波浪要素Tab.3 Wave parameters of the experiments

3.3 透空式塊體堤身空隙率試驗(yàn)

試驗(yàn)中根據(jù)不同的促淤堤灘面高程、不同的底層塊間距以及塊體隨機(jī)安放方式條件下的堤身空隙率進(jìn)行了研究。為減小安放過程的隨機(jī)性，塊體安放重復(fù)6次。試驗(yàn)結(jié)果表明，透空式四面體促淤堤的空隙率在63%～67%之間變化，平均空隙率為64.968%，最大空隙率為66.677%。透空式六面體促淤堤的空隙率在61%～63%之間變化，平均空隙率為62.098%，最大空隙率為62.755%。由此可見，透空六面體的空隙率變化范圍比透空四面體的略小，且無論是透空四面體還是透空六面體的空隙率均比天然石料要大，據(jù)此只要滿足堤身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，透空塊體較天然石料節(jié)省材料。

4 結(jié)論

（1）在一定的坡比下，人工透空四面體無套疊隨機(jī)安放堆疊而成的促淤堤結(jié)構(gòu)松散，塊體間勾連性差，難以抵御波浪水平?jīng)_擊力。雖然改進(jìn)后的套疊安放方式對(duì)堤身抵御波浪水平?jīng)_擊力有益，可保持堤身穩(wěn)定，但是套疊層數(shù)和密度并非越大越好。套疊層數(shù)和密度越大，則會(huì)出現(xiàn)堤身中下部有較好的勾連性，而上部塊體則勾連性差，導(dǎo)致上層塊體難以抵御波浪水平?jīng)_擊力而失穩(wěn)，且套疊層數(shù)和密度越大，施工難度也越大。（2）人工透空六面體塊體無法像透空式四面體一樣套疊安放，如果上下層塊體水平疊放無法抵御波浪水平力而失穩(wěn)。將底部塊體之間留有一定的間距進(jìn)行安放，再將第二層塊體傾斜插入空隙中，形成上下層塊體嵌套結(jié)構(gòu)，可抵御波浪水平?jīng)_擊力。試驗(yàn)結(jié)果表明，底層塊體之間的距離、角度都允許有一定幅度的變化，只需保證第二層塊體傾斜插入空隙中，因而施工難度不大。（3）透空式四面體促淤堤的空隙率在63%～67%之間變化，平均空隙率為64.968%，最大空隙率為66.677%。透空式六面體促淤堤的空隙率在61%～63%之間變化，平均空隙率為62.098%，最大空隙率為62.755%。透空六面體的空隙率變化范圍比透空四面體的略小，且兩者的空隙率均比天然石料要大。

［1］謝世楞，謝善文，吳進(jìn)，等.軟基上的空心方塊斜坡堤［J］.海洋工程，2004，22（4）：1-6. XIE S L，XIE S W，WU J，et al.Hollow-block Mound Breakwaters on Soft Soil Foundation［J］.The Oceaning Engineering，2004，22（4）：1-6.

［2］郄祿文，謝世楞.斜坡堤空心方塊的內(nèi)力分析［J］.中國港灣建設(shè)，2004（2）：10-12. QIE L W，XIE S L.Analysis of Internal Stress of Hollow Blocks for a Mound Breakwater［J］.China Harbour Engineering，2004（2）：10-12.

［3］周禮軍，張浩，劉佳.坡度對(duì)新型六面空心塊體消浪性能影響試驗(yàn)分析［J］.中國水運(yùn)，2010，10（12）：236-237.

［4］曲淑媛，郭科，佟德勝.空心方塊斜坡堤塊體安放方法的試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2005（2）：1-6. QU S Y，GUO K，TONG D S.Experimental Study on Block Placing Method of Hollow Block Sloping Dike.Port and Waterway Engineering，2005（2）：1-6.

［5］陳雪峰，王桂萱，李玉成，等.波浪作用下空心塊體穩(wěn)定性分析初探［J］.中國海洋平臺(tái)，2007，22（2）：5-8. CHEN X F，WANG G X，LI Y C，et al.Study on the Stabilization of the Hollow Block under Wave Action［J］.China Offshore Platform，2007，22（2）：5-8.

［6］劉猛.新型空心塊體促淤堤斷面波浪特性試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2015（11）：1-7. LIU M.Experimental Study on wave characteristics of hollow tetrahedron siltation embankment′s section［J］.Port and Waterway Engineering，2015（11）：1-7.

［7］陳旭達(dá)，張寧川.一種新型透空式防波堤水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究［J］.水道港口，2011，32（1）：7-11. CHEN X D，ZHANG N C.Study of Hydrodynamic Performance of a New-type Penetrating Breakwater［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32（1）：7-11.

［8］房卓，張寧川，臧志鵬.透空式梳式防波堤的數(shù)值模擬和波浪透射系數(shù)的研究［J］.水道港口，2011，32（2）：86-93. FANG Z，ZHANG N C，ZANG Z P.Numerical Simulations of Open Comb-type Breakwater and Research on its Wave Transmission Coefficient［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32（2）：86-93.

Experimental study on block placing method of the stability of hollow block dike

JIANG Chao,FENG Wei-bing
（College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

Under the condition of people′s awareness of environmental protection and the increasing shortage of natural stone sources,the major alternative material of water transportation,water conservancy and reclamation engineering is the hollow block.However,the placing method of the block is one of the important factors affecting the structural stability of the slope dike.In this paper,the study of the tetrahedron and hexahedron hollow block dikes was based on physical simulation experiment with a particular siltation embankment.Different placing methods were designed respectively to test the impact on the dike stability,and the void rate of steady dike was measured.The results show that the tetrahedron hollow blocks must be nested to maintain the stability of the dike due to the poor internal implication,but the construction is extremely difficult.The stability conditions of the hexahedron hollow blocks dikes could be given by keeping the space properly between the blocks in the bottom.It is worth noting that stacking these blocks extensively in the horizontal plane should be avoided.In addition,the void rate of this type of dikes is larger than the rate of dikes with traditional rock blocks.

hollow block;block placing method;dike stabilization;void rate

U 656.3；TV 139.16

A

1005-8443（2017）01-0016-04

2016-08-04；

2016-09-30

江超（1992-），女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事河口海岸及近海工程水動(dòng)力環(huán)境的研究工作。

Biography：JIANG Chao（1992-），female，master student.