四棱臺(tái)狀防汛堵口多面體混凝土預(yù)制塊設(shè)計(jì)

陳 丹,魏月梅

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210006；2.江蘇蘇盛工程造價(jià)咨詢有限公司，江蘇 南京 210029)

1 研究背景

汛期洪水和風(fēng)暴潮的侵襲能力超過(guò)河湖堤防抗御洪水的能力所造成的口門過(guò)流現(xiàn)象稱為堤防決口.堤防發(fā)生決口水毀的過(guò)程中選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)對(duì)口門進(jìn)行封堵稱為堵口.一直以來(lái)，河湖堤防決口封堵?lián)岆U(xiǎn)中多采用直接拋石和鉛絲籠、竹籠裝石或大體積沙袋拋堵等傳統(tǒng)方式.但這些堵口搶險(xiǎn)材料需要外部調(diào)運(yùn)、現(xiàn)場(chǎng)裝填，施工強(qiáng)度大、作業(yè)難度高，而且由于單體重量小、無(wú)法岸上聯(lián)結(jié)成整體，致使封堵效果受到的影響較大.另外，石料沙土等材料均為不可再生資源，過(guò)度開(kāi)采不利于環(huán)境保護(hù)與區(qū)域生態(tài)文明建設(shè).近年來(lái)，多面體混凝土預(yù)制塊作為一種新型的防汛堵口材料在內(nèi)河水域防汛搶險(xiǎn)中正逐步得到研究應(yīng)用并取得了較好的應(yīng)用效果[1-3].工程實(shí)際表明，多面體混凝土預(yù)制塊具有體積大、重量重、抗沖能力強(qiáng)，取材方便、生態(tài)環(huán)保、加工制作方便、可在施工現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)結(jié)成大塊構(gòu)件以進(jìn)一步加大整體重量、能夠有效削減流速快速封堵決口等諸多優(yōu)點(diǎn)[4-6].為此，本文結(jié)合城市內(nèi)河河流特征，對(duì)一種四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊進(jìn)行了構(gòu)件形狀設(shè)計(jì)、水流沖擊力計(jì)算、單體抗沖擊力計(jì)算和穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，并給出了應(yīng)用于決口封堵工程實(shí)際的四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的2個(gè)構(gòu)建方案及其造價(jià).

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 構(gòu)件形狀

已有的研究成果和工程實(shí)際應(yīng)用表明[7-10]，正四面體狀多面體混凝土預(yù)制塊和四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊是河湖堤防決口封堵?lián)岆U(xiǎn)工程中最常采用的兩種多面體混凝土預(yù)制塊.比較而言，相同重量的正四面體狀多面體混凝土預(yù)制塊的體積較小、邊棱較長(zhǎng)，而且生產(chǎn)預(yù)制、碼堆存儲(chǔ)、單體相互聯(lián)結(jié)等各方面均較為不便.因此本文推薦四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊，其形狀尺寸(見(jiàn)圖1).

圖1 正四面體狀多面體混凝土預(yù)制塊構(gòu)件示意圖

根據(jù)以往研究成果和搶險(xiǎn)施工實(shí)際要求，擬給出四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的構(gòu)建方案，并結(jié)合進(jìn)行水流沖擊力計(jì)算和單體抗沖擊力計(jì)算后獲取的穩(wěn)定系數(shù)分析進(jìn)一步確定和優(yōu)化構(gòu)件尺度.按照此思路，擬設(shè)定四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的高度h=60～80 cm，擬選取斜面傾角α=60°～70°，考慮到在工程施工過(guò)程中也可以將四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊倒立放置，故選擇頂面正方形邊長(zhǎng)b=50 cm(方案1)和b=60 cm(方案2)2個(gè)構(gòu)建方案.

在方案1中，四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊頂面正方形邊長(zhǎng)b=50 cm、底面正方形邊長(zhǎng)a=100 cm，斜面傾角α需結(jié)合穩(wěn)定系數(shù)和重量需求分析試算確定.據(jù)此推算，四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊積V為

(1)

式(1)中，V的單位為m3.

四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊單件重量T=2.4V=0.35tanα，單位為t；四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊單件浮重度T浮=0.2tanα，單位為t；四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊側(cè)面面積S側(cè):

S側(cè)=0.25(a2-b2)/cosα=0.187 5/cosα

(2)

式(2)中，S側(cè)的單位為m2.

在方案2中，四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊頂面正方形邊長(zhǎng)b=60 cm、底面正方形邊長(zhǎng)a=120 cm、α為斜面傾角.據(jù)此推算，四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊積V：

(3)

式(3)中，V的單位為m3.

四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊單件重量T=2.4V=0.6tanα，單位為t；四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊單件浮重度T浮=0.35tanα，單位為t；四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊側(cè)面面積S側(cè)=0.25(a2-b2)/cosα=0.27/cosα，單位為m2；斜面傾角α需結(jié)合穩(wěn)定系數(shù)和重量需求分析試算確定.

2.2 構(gòu)件單體設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步量化和優(yōu)化四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊構(gòu)件單體設(shè)計(jì)尺寸，運(yùn)用恒定總流動(dòng)量方程分析計(jì)算水流對(duì)預(yù)制塊構(gòu)件的沖擊力，然后計(jì)算水流對(duì)預(yù)制塊構(gòu)件的沖擊力和預(yù)制塊構(gòu)件抗沖擊力(摩擦力)的比值，即可得到四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊構(gòu)件單體穩(wěn)定系數(shù)K，搶險(xiǎn)施工實(shí)際對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的需求目標(biāo)擬為1.2.

2.2.1 水流沖擊力計(jì)算

四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊被拋入水之后，其所遭受的行近水流的沖擊力FR可根據(jù)恒定總流動(dòng)量方程：

FR=β0ρQV0

(4)

式中：β0—?jiǎng)恿啃拚禂?shù)，取1.0；

ρ—水體密度，取1.0×103kg/m3；

Q—決口處水流流量，Q=A×V0， m3；

A—預(yù)制塊上的水流沖擊面面積，m3；

V0—水流行近流速，m/s.

2.2.2 單體抗沖擊力計(jì)算

四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊自身的抗沖擊力可通過(guò)下列公式計(jì)算：

f=T浮×μ

(5)

式(5)中，μ為四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊與基地之間的摩擦系數(shù)，通?？扇?.3.

運(yùn)用式(5)計(jì)算可得：方案1中四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的抗沖擊力f=T浮×μ=0.06tanα，單位為t；方案2中四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的抗沖擊力f=T浮×μ=0.105tanα，單位為t.

2.2.3 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的穩(wěn)定系數(shù)K為抗沖擊力與沖擊力比值，在上述計(jì)算中得到四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊所受沖擊力FR及其抗沖擊力f的基礎(chǔ)上，計(jì)算方案1中四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的穩(wěn)定系數(shù):

K=f/FR=

方案2中四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的穩(wěn)定系數(shù)：

K=f/FR=

如果沿行近水流流向布設(shè)單體相互聯(lián)結(jié)的四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊，則塊群的聯(lián)結(jié)整體穩(wěn)定系數(shù)為構(gòu)件數(shù)n乘以單件構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù).按上述規(guī)則可通過(guò)試算得出方案1和方案2中四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊聯(lián)結(jié)整體穩(wěn)定系數(shù)，試算過(guò)程(見(jiàn)表1～表2).

表1 混凝土預(yù)制塊聯(lián)結(jié)整體穩(wěn)定系數(shù)試算過(guò)程表(方案1)

表2 混凝土預(yù)制塊聯(lián)結(jié)整體穩(wěn)定系數(shù)試算過(guò)程表(方案2)

河湖堤防決口的已有研究成果表明，河湖堤防遇險(xiǎn)決口后，決口處水流行近流速往往會(huì)增大到3.0～4.0 m/s，這就會(huì)使得單個(gè)混凝土預(yù)制塊無(wú)法保持自身穩(wěn)定，故需要根據(jù)工程實(shí)際中決口處水流行近流速的具體情況采用多件聯(lián)結(jié)、整體拋投的方法進(jìn)行封堵[9].基于已有研究成果和本文關(guān)于四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，并考慮到四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的生產(chǎn)預(yù)制、運(yùn)輸存儲(chǔ)和搶險(xiǎn)施工等多方面的因素，工程實(shí)際中四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊構(gòu)建方案1擬采用的尺度為頂面邊長(zhǎng)×底面邊長(zhǎng)×高=0.5 m×1.0 m×0.7 m，據(jù)此計(jì)算可知此時(shí)四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的斜面傾角α≈70°、體積V=0.408 m3、單體重量T=1.0 t；構(gòu)建方案2擬采用的尺度為頂面邊長(zhǎng)×底面邊長(zhǎng)×高=0.6 m×1.2 m×0.8 m，據(jù)此計(jì)算可知此時(shí)四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的斜面傾角α≈70°、體積V=0.672 m3、單體重量T=1.6 t.另外，根據(jù)沿海港口類似工程概算定額進(jìn)行造價(jià)估算，構(gòu)建方案1中每個(gè)四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊造價(jià)約為430.0元，每個(gè)預(yù)制塊所配套的鋼絲繩、鋼絲繩夾等聯(lián)結(jié)件的造價(jià)約為15.0元；構(gòu)建方案2中每個(gè)四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊造價(jià)約為640.0元，每個(gè)預(yù)制塊所配套的鋼絲繩、鋼絲繩夾等聯(lián)結(jié)件的造價(jià)約為16.0元.

3 結(jié) 論

四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊是一種新型的河湖決口封堵材料，具有體積大、重量重、易于預(yù)制、取材方便、生態(tài)環(huán)保、抗沖能力強(qiáng)、能快速封堵決口等諸多優(yōu)點(diǎn).為此，本文結(jié)合城市內(nèi)河河流特征，對(duì)四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊進(jìn)行了構(gòu)件形狀設(shè)計(jì)、水流沖擊力計(jì)算、單體抗沖擊力計(jì)算和穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，并給出了應(yīng)用于決口封堵工程實(shí)際的自重分別約為 1.0 t和1.6 t的四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的2個(gè)構(gòu)建方案及其造價(jià).另外，綜合考慮決口封堵工程應(yīng)中的各種實(shí)際情況，四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊采用強(qiáng)度等級(jí)為 C25的混凝土進(jìn)行預(yù)制、預(yù)制塊表面設(shè)置構(gòu)造鋼筋網(wǎng)、棱臺(tái)棱角處設(shè)置 3 cm 倒角，可有效避免存儲(chǔ)、搬動(dòng)、運(yùn)輸過(guò)程中的相互碰撞；四棱臺(tái)狀多面體混凝土預(yù)制塊的兩個(gè)頂面均預(yù)設(shè)暗槽式吊鉤、4個(gè)側(cè)面預(yù)設(shè)暗槽式聯(lián)結(jié)扣環(huán)，可方便相鄰構(gòu)件的聯(lián)結(jié)和碼堆存儲(chǔ).

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