混凝土聯(lián)鎖塊軟體排受波浪作用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

章云，郝宇馳，王費(fèi)新，朱平

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

河流治理中護(hù)灘結(jié)構(gòu)大致分為3類：第1類是散拋塊體護(hù)灘；第2類是壩體護(hù)灘；第3類是軟體排護(hù)灘。軟體排護(hù)灘可將有利的灘槽形態(tài)加以穩(wěn)定?；炷谅?lián)鎖塊軟體排是潮汐河段航道治理工程中重要的護(hù)底結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)外潮汐河段及河口護(hù)底工程中應(yīng)用廣泛[1-4]。鄭英等[5]通過(guò)水槽試驗(yàn)對(duì)四面六邊透水框架護(hù)灘結(jié)構(gòu)效果進(jìn)行了研究。吳蘇舒等[6]對(duì)不同部位護(hù)底混凝土聯(lián)鎖排的穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出水流作用下不同部位排體的穩(wěn)定厚度計(jì)算公式，還結(jié)合長(zhǎng)江口深水航道整治工程驗(yàn)證了公式的合理性。田鵬等[7]研究分析了軟體排不同部位在不同水深、波浪、流速等條件下的壓載失穩(wěn)形式、過(guò)程。何陽(yáng)等[8]通過(guò)物模對(duì)波流共同和單獨(dú)波浪作用下混凝土塊軟體排的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

JTJ 239—2005《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[9]中軟體排抗掀動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算公式為：

式中：V為軟體排邊緣流速，m/s；Vcr為軟體排邊緣臨界流速，m/s；茲為系數(shù)；酌m為軟體排重度，kg/m3；酌w為水體重度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；tm為排體等效厚度，m。

該公式考慮了垂線平均流速、塊體水下重度和厚度等，但未考慮波浪作用的影響。在潮汐河段高灘部位的護(hù)底軟體排，低潮位時(shí)水深值很小，且江面開(kāi)闊，波浪較大，波浪對(duì)軟體排穩(wěn)定的影響較大，不容忽略。

潮汐河段軟體排特別是淺水區(qū)軟體排的穩(wěn)定性，除受徑潮流影響外，受波浪作用的影響也非常明顯[10-11]。故本文圍繞潮汐河段護(hù)底軟體排穩(wěn)定性等問(wèn)題，結(jié)合長(zhǎng)江下游潮汐河段及長(zhǎng)江口航道整治工程實(shí)踐，選取不同波高、波周期、水深等工況條件進(jìn)行模擬，分析波浪作用下混凝土聯(lián)鎖塊軟體排穩(wěn)定性及其失穩(wěn)的原因?；谀Ｐ陀?jì)算結(jié)果，提出一種新型塊體結(jié)構(gòu)，并分析其對(duì)提高穩(wěn)定性的作用。

1 混凝土聯(lián)鎖塊軟體排結(jié)構(gòu)及分析

1.1 軟體排結(jié)構(gòu)

本文以改進(jìn)型聯(lián)鎖塊、加長(zhǎng)型1 m混凝土聯(lián)鎖塊和加長(zhǎng)型2 m聯(lián)鎖塊3種結(jié)構(gòu)類型為研究對(duì)象。塊體形式如下：改進(jìn)型聯(lián)鎖塊長(zhǎng)度l為48 cm、加長(zhǎng)型1 m聯(lián)鎖塊長(zhǎng)度l為1 m和加長(zhǎng)型2 m混凝土聯(lián)鎖塊長(zhǎng)度l為2 m，寬度b為48 cm，厚度d分為12 cm和20 cm 2種類型，頂面倒角為8 cm，底面倒角為4 cm塊體形式。聯(lián)鎖塊體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 聯(lián)鎖塊體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of interlocking block

1.2 結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)壓載失穩(wěn)機(jī)理分析可知[7]，波浪作用下軟體排結(jié)構(gòu)失穩(wěn)主要表現(xiàn)為：水質(zhì)點(diǎn)發(fā)生周期性運(yùn)動(dòng)，在邊緣塊體的迎浪面和底面產(chǎn)生波浪力，若波浪力產(chǎn)生的繞邊緣塊后趾的傾覆力矩大于由塊體有效重力產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩，則塊體發(fā)生掀動(dòng)；當(dāng)邊緣塊掀動(dòng)至卷邊失穩(wěn)，則會(huì)帶動(dòng)后續(xù)軟體排掀動(dòng)，最終導(dǎo)致整塊軟體排發(fā)生失穩(wěn)破壞。故邊緣排穩(wěn)定性是軟體排整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，邊緣塊體的掀動(dòng)是引起整體排體不穩(wěn)定的重要原因。

根據(jù)壓載塊失穩(wěn)機(jī)理分析和受力分析可知[7]，引起塊體失穩(wěn)的力有波浪正向水平力P與波浪豎向浮托力Pu，保持穩(wěn)定的力有塊體有效重力G，見(jiàn)圖2。波浪正向水平力在塊體厚度方向上近似矩形分布；波浪浮托力Pu沿混凝土聯(lián)鎖塊底部近似三角形分布。

圖2 壓載塊受力簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified load on ballast block

本文在上述研究的基礎(chǔ)上建立軟體排受波浪作用數(shù)學(xué)模型，分析波浪作用下塊體穩(wěn)定性影響因素與受力特點(diǎn)，根據(jù)分析結(jié)果提出一種卸壓型塊體結(jié)構(gòu)形式，并評(píng)估其改進(jìn)效果。

2 混凝土聯(lián)鎖塊軟體排受波浪力作用數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

基于流體不可壓縮的假定，其連續(xù)性方程及動(dòng)量方程分別為：

式中：VF為開(kāi)放流動(dòng)的體積分?jǐn)?shù)；籽為流體密度；t為時(shí)間參數(shù)；R為紊流擴(kuò)散源項(xiàng)；孜為坐標(biāo)系數(shù)；啄為壓力參數(shù)；RDIF為湍流擴(kuò)散項(xiàng)；RSOR為質(zhì)量源項(xiàng)；速度分量（u，v，w）分別對(duì)應(yīng)于（x，y，z）坐標(biāo)系或（r，茲，z）坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)方向值；（Ax，Ay，Az）為 3 個(gè)方向自由面流動(dòng)的面積分?jǐn)?shù)；（Gx，Gy，Gz）為體加速度；（fx，fy，fz）為黏性加速度；（bx，by，bz）為孔隙介質(zhì)中流動(dòng)產(chǎn)生的損耗。（us，vs，ws）表示流體在源表面相對(duì)于源自身的速度；（uw，vw，ww）是源分量的速度，對(duì)于一般運(yùn)動(dòng)物理模型中的質(zhì)量源，其速度一般為非零。

2.2 軟體排模型

建立混凝土聯(lián)鎖塊三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。軟體排長(zhǎng)度20 m，排體計(jì)算區(qū)域前后分別預(yù)留100 m、50 m長(zhǎng)過(guò)渡段。

2.3 模型驗(yàn)證

由于塊體不僅受到上、下波浪壓力，同時(shí)也受到排布的作用。因此試驗(yàn)驗(yàn)證的塊體所受波浪力時(shí)，需同時(shí)測(cè)量上、下、前、后表面以及排布下壓強(qiáng)。故在排布下的底床以及塊周邊布置波壓測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

圖3 波壓力測(cè)試點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of wave pressure test point arrangement

選取部分工況進(jìn)行受力測(cè)試，與水槽物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證。圖4給出厚度d0=0.20 m，水深h0=1.00 m的改進(jìn)型壓載塊在波浪參數(shù)為周期T0=4.00 s，波高H0=0.60 m的波浪作用下的波壓對(duì)比圖（節(jié)選部分測(cè)點(diǎn)對(duì)比結(jié)果）。

圖4 測(cè)點(diǎn)波壓對(duì)比圖Fig.4 Comparison of wave pressure at measuring points

通過(guò)測(cè)點(diǎn)波壓力對(duì)比，測(cè)點(diǎn)波壓力過(guò)程線與物模實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，故建立的軟體排受波浪力數(shù)學(xué)模型是可行的。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬

混凝土聯(lián)鎖塊穩(wěn)定性數(shù)模計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。圖5與圖6分別給出改進(jìn)型d1=0.20 m、h1=5.00 m、T1=7.50 s、H1=3.0 m波浪作用下的混凝土聯(lián)鎖塊波壓分布圖與波浪力矩圖。

表1 波浪作用下混凝土聯(lián)鎖塊壓載塊穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 1 Stability calculation results of concrete interlocking block ballast block under wave action

圖5 波壓分布圖Fig.5 Wave pressure distribution

圖6 波浪力矩圖Fig.6 Wave torque diagram

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)模中的波壓數(shù)據(jù)進(jìn)行受力分析計(jì)算波浪力矩，并通過(guò)穩(wěn)定力矩與波浪力矩的比值（穩(wěn)定系數(shù)，k）判斷壓載塊的穩(wěn)定性，若k大于1，對(duì)應(yīng)工況下壓載塊穩(wěn)定，且k值越大，壓載塊越穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由計(jì)算結(jié)果可知：

1）混凝土聯(lián)鎖塊軟體排所受到的波浪力矩均隨波高和波周期的增加而明顯增加；同時(shí)淺水條件下，水深值越小，波浪力矩越大，塊體穩(wěn)定性越差。

2）波浪作用下水質(zhì)點(diǎn)發(fā)生周期性的運(yùn)動(dòng)軟體排四周產(chǎn)生水壓差，當(dāng)該壓差作用在塊體上形成的波浪力距大于軟體排的穩(wěn)定力矩時(shí)，造成軟體排邊緣塊體結(jié)構(gòu)發(fā)生掀動(dòng)失穩(wěn)，最終導(dǎo)致整塊軟體排發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3）根據(jù)失穩(wěn)原因，以及工況9~12結(jié)果，可知通過(guò)加長(zhǎng)壓載塊長(zhǎng)度，增加塊體重力力矩，可在一定程度上平滑波浪力矩，提高塊體的穩(wěn)定性。

4）進(jìn)一步討論通過(guò)改變塊體的結(jié)構(gòu)形式來(lái)提高混凝土聯(lián)鎖塊穩(wěn)定性的措施。

4 混凝土聯(lián)鎖塊軟體排塊體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 卸壓型壓載塊

卸壓型壓載塊是在原型壓載塊（即改進(jìn)型壓載塊）基礎(chǔ)上設(shè)置卸壓孔，通過(guò)減少壓載塊受到的豎向波壓力來(lái)減少波浪力矩，以提高壓載塊的穩(wěn)定性，同時(shí)節(jié)省混凝土用量。卸壓孔的位置位于壓載塊中間或?qū)ΨQ位置，塊體長(zhǎng)度、寬度及倒角均不變。卸壓孔的設(shè)置形式分別為：1）中間開(kāi)單孔，孔徑0.18 m；2）對(duì)稱開(kāi)4孔，孔徑0.09 m。2種形式的開(kāi)孔總截面和總體積是相同的。結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖7。

圖7 卸壓型壓載塊結(jié)構(gòu)示意圖（cm）Fig.7 Structural diagram of unpressurized ballast block（cm）

4.2 計(jì)算結(jié)果

將卸壓型塊體結(jié)構(gòu)在波浪作用下的受力情況與原型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 混凝土聯(lián)鎖塊搭接處卸壓式壓載塊穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 2 Stability calculation results of unpressurized ballast blocks at lap joints of concrete interlocking blocks

由表2計(jì)算結(jié)果可知：波浪作用下卸壓型塊體可通過(guò)降低波浪力矩增加穩(wěn)定性，且對(duì)稱開(kāi)孔的穩(wěn)定性效果更優(yōu)于中間開(kāi)孔；卸壓型塊體結(jié)構(gòu)還可以減少工程中混凝土材料的使用量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)受波浪力作用的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排數(shù)學(xué)模型的模擬分析，得到以下結(jié)論：

1）波浪的作用使軟體排四周產(chǎn)生水壓差，當(dāng)該壓差作用形成的波浪力矩大于軟體排的穩(wěn)定力矩時(shí)，軟體排塊體結(jié)構(gòu)發(fā)生掀動(dòng)失穩(wěn)，這是軟體排在波浪作用下失穩(wěn)的主要原因。

2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可知一定條件下塊體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨波高的增加而減??；隨波周期增大而減?。浑S水深增加而增加。

3）提出了卸壓型塊體結(jié)構(gòu)。卸壓型結(jié)構(gòu)，一方面可通過(guò)減少壓載塊所受到的波壓力來(lái)減少波浪力矩，提高壓載塊的穩(wěn)定性；另一方面在很大程度上減少混凝土用量，節(jié)約資源。通過(guò)模型驗(yàn)證了卸壓型壓載塊可以增大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，且對(duì)稱開(kāi)孔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更優(yōu)于中間開(kāi)孔。

4）除上述因素外，軟體排穩(wěn)定性還受到土質(zhì)、水流、波向等因素的影響。同時(shí)考慮到改進(jìn)型壓載塊軟體排在徑潮流河段深水航道等工程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，而加長(zhǎng)型和卸壓型壓載塊尚處于研究階段，故后續(xù)可結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)這2種新型壓載塊軟體排的應(yīng)用進(jìn)行更深入地探討與分析，例如卸壓孔開(kāi)孔的數(shù)量、卸壓孔斷面形狀、面積和開(kāi)孔位置等。