深水防波堤新型消浪護面塊體開發(fā)及其性能參數(shù)測試研究

戈龍仔,高 峰,陳漢寶

(1.交通運輸部 天津水運工程科學研究所,天津300456;2.港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室,天津300456;3.工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456)

近年來隨著我國港口建設(shè)的快速發(fā)展,近岸優(yōu)良海岸線資源日趨枯竭,港口建設(shè)的選址不得不向深水邁進,天然水深超過20 m 的港口選址情況不斷增多。外海水深越深,伴隨著的風、浪、流影響往往也就越大,從而可能導致防波堤的護面塊體直接面對更大外海波浪沖擊而破碎,波能在其表面集中釋放,易出現(xiàn)塊體滾落或斷裂現(xiàn)象。對于深水防波堤的設(shè)計,柳玉良等[1]提出在水深20 m 及其以深水域,需設(shè)計安全性和耐久性較好的斜坡式結(jié)構(gòu);王美茹[2]在波浪作用下深水斜坡堤和深水直立堤結(jié)構(gòu)選型等某些關(guān)鍵性技術(shù)問題方面提出了相應(yīng)建議;柳玉良[3]提出,在深水條件下按照現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范確定的穩(wěn)定重量往往偏輕,需要加大重量;李炎保等[4]統(tǒng)計國內(nèi)外防波堤損壞原因得到不同條件塊體失穩(wěn)形式的概率;李賀青和柳玉良[5]提出了深水防波堤不同位置護面塊體重量取值問題的建議。通過對以往的相關(guān)研究資料統(tǒng)計分析可知,較淺水情況,深水護面塊體尺寸和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的尺寸會隨深度增加,設(shè)計的結(jié)構(gòu)斷面用料也會大幅增加。外側(cè)防護主要表現(xiàn)在塊體重量增加,一般將超過20×103kg,如中國石油和委瑞內(nèi)拉石油公司廣東石化2 000×107kg/a重質(zhì)原油加工工程原油碼頭工程護面塊體采用了63×103kg扭王字塊,有些工程扭王字塊用量甚至達到70×103kg以上,如日本和韓國在防波堤工程中都有應(yīng)用80×103kg的Sea Lock塊體和100×103kg 的Dimple塊體的實例。另外,深水防波堤的建造及破壞案例證明,往往是由于最外層護面塊體喪失了護坡功能,而最終導致整個防波堤破壞。在20世紀70年代建造的世界上最大水深50 m 的葡萄牙錫尼斯港斜坡式堤,其主堤在1978年2月的一次風暴潮期間受到了嚴重破壞,之后又分別于1978年12月和1979年2月被風暴潮襲擊造成了更加嚴重的破壞,調(diào)查發(fā)現(xiàn)均是由于Dolos塊體護面斷裂、缺失,最后上部胸墻基底被淘空后,發(fā)生傾倒坍塌。修復(fù)該堤時,在原破壞斷面基礎(chǔ)上,將內(nèi)、外坡度放緩,改為鋪設(shè)90×103kg槽形和錐形混凝土方塊。

綜上所述,對于外海深水防波堤建設(shè),為保證防波堤穩(wěn)定性,采用重量大和自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的消浪護面塊體已成為必然趨勢,因此交通運輸部對“新型深水防波堤結(jié)構(gòu)型式與消浪塊體穩(wěn)定性研究”基礎(chǔ)研究項目開展專題研究,提出結(jié)合深水防波堤的環(huán)境特點,遵循塊體設(shè)計中的消浪性、穩(wěn)定性與施工便利性三大因素,開發(fā)了一種適合深水大浪條件下的新型護面消浪塊體。結(jié)合這一研究專題,在考察國內(nèi)外常見塊體形狀演變規(guī)律及對現(xiàn)有塊體在外觀、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性對比分析的基礎(chǔ)上,最終提出新塊體開發(fā)的思路。針對新塊體開展了包括主要性能參數(shù)、失穩(wěn)和消浪機理等物理模型試驗研究,并通過與現(xiàn)有扭王字塊的全方位對比,分析了新塊體在工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 新塊體提出思路

在開發(fā)新型塊體選型前,首先對已用人工護面塊體的發(fā)展過程及現(xiàn)狀應(yīng)用情況分別進行調(diào)查和統(tǒng)計,參考以往研究成果,樸正等[6]對不同類型常用人工塊體的發(fā)展過程做了簡要的回顧和介紹;薛瑞龍等[7]針對涉外項目常用的人工護面塊體分別從穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、強健性、環(huán)保性和外觀性等方面進行了統(tǒng)計對比分析進行闡述;王美茹等[8]重點介紹一種用于直立式岸壁的新型消浪塊體,并對其結(jié)構(gòu)特點、適用條件、消波原理、消波效果以及和天力消波塊的對比試驗結(jié)果進行分析?；谡{(diào)研統(tǒng)計分析得出,塊體的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性是衡量塊體主要指標,為了找出新塊體開發(fā)思路,因此首先對原有塊體其經(jīng)濟性和穩(wěn)定性進行對比分析,找出以往塊體的優(yōu)缺點,為新開發(fā)塊體選型提供參考指導。護面塊體層所需人工塊體數(shù)量(N)和混凝土總量(Q)在工程上對工程材料和施工周期有很大的影響,塊體數(shù)量越多,護面層部分的施工周期越長;反之,則施工周期越短,是工程上確定是否采用該塊體影響因素,為經(jīng)濟性方案衡量的重要指標;穩(wěn)定性指標即采用選取相同波高作用下,所需塊體的穩(wěn)定重量大小進行衡量。本研究利用現(xiàn)有常用的四角錐體、扭工字塊、扭王字塊、Core-Loc和Xbloc塊體,采用《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》(JTS 154-2018)[9]中規(guī)定的如下公式進行計算對比分析:

式中:N為人工塊體個數(shù);Q為人工塊體混凝土用量(m3);W為單個塊體的穩(wěn)定重γ為水的重度(k N/m3),γb為塊體重度(k N/m3);n'為護面塊體的層數(shù);c為塊體形狀系數(shù);P'為護面塊體層的空隙率;KD為塊體穩(wěn)定系數(shù),即穩(wěn)定性;A為塊體所占面積;H為設(shè)計波高;α為斜坡與水平面的夾角(°)。

根據(jù)式(1)～式(3)計算得出單個塊體的穩(wěn)定重量(W)、混凝土總量(Q)以及與設(shè)計波高(H)的關(guān)系見圖1。由圖1a可見,在護面塊體重量相同的條件下,四腳錐體所需的混凝土用量最多,Xbloc塊體的混凝土用量最少,扭王字塊略大于Xbloc塊體的混凝土用量。由圖1b可見,設(shè)計波高相同條件下,所需穩(wěn)定重量四腳錐體最大,扭王字塊最小,Xbloc塊體略大于扭王字塊。從經(jīng)濟性和穩(wěn)定性來看,Xbloc塊體和扭王字塊均屬于一種穩(wěn)定性較好且經(jīng)濟的人工護面塊體。另外結(jié)合本次新開發(fā)塊體將應(yīng)用深水又大浪條件,與淺水防波堤的不同,其深水防波堤的斷面設(shè)計有明顯的坡腳、斜坡、戧臺和坡頂,因此需考慮該塊體對坡腳的適應(yīng)性、斜坡最多塊體的個數(shù)和相互咬合的特性。由于大塊體本身結(jié)構(gòu)應(yīng)力也相應(yīng)增加,則在形狀上需考慮設(shè)計得更粗壯,即周圍支撐的桿件盡可能短而粗。

圖1 設(shè)計波高、塊體混凝土用量和穩(wěn)定重量之間關(guān)系Fig.1 Relationship among designed wave height,volume of block concrete and stable weight

結(jié)合上述關(guān)于現(xiàn)有塊體經(jīng)濟性和穩(wěn)定性對比分析結(jié)果,提出新開發(fā)的人工塊體在現(xiàn)有Xbloc塊體與扭王字塊相結(jié)合基礎(chǔ)上進行改良的思路。以Xbloc塊體為主體,將Xbloc塊體在施工時塊體安裝過程易破損尖角4個腰桿置置換與扭王字塊桿件的臺體狀;中間豎桿保持不變,但為了使新塊體在平面上三點著地的特性,僅將中間豎桿繞中軸轉(zhuǎn)45°;另外為了使新塊體桿件集中應(yīng)力均勻分散,則對新塊體每條邊進行倒角處理。新塊體在工程應(yīng)用上的安放方式,仍與扭王字塊相同即規(guī)則和隨機擺放兩種,具體演變見圖2。新開發(fā)人工塊體結(jié)構(gòu)尺寸之間關(guān)系見圖3,由圖3結(jié)構(gòu)尺寸,計算得到新塊體體積為:V=0.229h3(h為塊體高度)。將新開發(fā)塊體和現(xiàn)有常用體積進行對比,結(jié)果見表1。

圖2 新塊體改良演變過程Fig.2 Improving process of new type block

圖3 新開發(fā)塊體結(jié)構(gòu)和尺寸Fig.3 Structure and dimensions of the new type block

表1 新開發(fā)塊體與現(xiàn)有塊體體積統(tǒng)計Table 1 Volume statistics of the new type block and the existing blocks

2 新開發(fā)塊體性能參數(shù)測試

按照《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》(JTS 154-2018)[9]規(guī)定,塊體的設(shè)計性能參數(shù)主要包括:形狀系數(shù)(c)、塊體空隙率(P')(%)、人工塊體個數(shù)(N)、人工塊體混凝土總量(Q)、塊體穩(wěn)定系數(shù)(KD)(即穩(wěn)定性)以及塊體糙滲系數(shù)(KΔ)(即消浪效果)。

為了對新型塊體上述各參數(shù)模型進行測試,分別制作了60,90,120和150 g四種不同重量護面塊體,試驗時塊體擺放方式與扭王字塊相同。

綜合考慮試驗場地限制、造波機能力,以及在波浪(短周期和長周期涌浪)作用下護面塊體較大失穩(wěn)率等因素,參照《波浪模型試驗規(guī)程》(JTJ/T 234-2001)[10],具體研究試驗條件為:一、試驗水位:模型試驗水位(d)選擇0.25,0.35和0.45 m 三種;二、試驗波浪:考慮造波能力和試驗堤頂不越浪,以及設(shè)計波高作用下允許塊體失穩(wěn)等條件,因此波浪試驗周期擇1.0,1.3,1.6和1.9 s四種,試驗波要素采用不規(guī)則波試驗,頻譜采用JONSWAP 譜 (γ=3.3),有效波高(Hs)采用0.07～0.25 m 的范圍,從0.07 m 逐步增加(表2)。

表2 模型試驗條件Table 2 Model test conditions

2.1 新塊體形狀系數(shù)(c)值測定

對于新開發(fā)人工塊體形狀系數(shù)(c)值,可依據(jù)《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》(JTS 154-2018)[9]中護面塊體厚度計算公式進行計算:

當測出塊體厚度(h)和塊體重量(W)后,返求可以得出形狀系數(shù)(c)值。具體過程:將60,90,120和150 g四種不同重量護面塊體安放至斷面上,斷面位置見圖4,在斷面的斜坡不同位置進行多次h值測量,結(jié)果見表3,最后取4組測試結(jié)果進行c值計算,取平均值ˉc=1.40。

圖4 試驗斷面斜坡位置塊體厚度測量Fig.4 Measurement of block thickness at section slope

表3 新塊體形狀系數(shù)(c)值計算結(jié)果Table 3 The shape coefficient(c)of the new type block

2.2 人工塊體個數(shù)(N)測定

與形狀系數(shù)(c)值測量方法相同,將新塊體直接在模型上隨機擺放,測量一定面積上的數(shù)量,然后再將模型上測得結(jié)果按假定試驗比尺分別反推至原體上人工塊體數(shù)(N)和混凝土用量(Q)。新塊體在不同坡度的斷面上所擺放的新塊體重量(W)與人工塊體個數(shù)數(shù)量(N)關(guān)系見圖5。

2.3 新塊體空隙率(P')測定

根據(jù)式(1)及2.2 節(jié)測得N和c,以及4 種(60,90,120和150 g)模型設(shè)計的不同W,進行返求得到空隙率(P')值分別為56.08%,52.55%,53.45% 和49.68%,取其平均值得到新塊體空隙率為53.3%。

圖5 新塊體重量與人工塊體個數(shù)、混凝土用量之間關(guān)系Fig.5 Relationship between the new block weight and the block numbers placed,the volume of block concrete

2.4 新塊體混凝土用量(Q)測定

利用2.2節(jié)測得新人工塊體個數(shù)(N)和公式(2),進行返求得到新塊體重量(W)與混凝土用量(Q)的關(guān)系(圖5)。

2.5 新塊體穩(wěn)定系數(shù)(K D)測定

利用式(3),在已知H和W時,采用設(shè)計斷面(圖3)進行測試:利用模型設(shè)計的60,90,120和150 g四種重量塊體,不同水位波高組合作用,記錄不同工況下的塊體失穩(wěn)率(n);穩(wěn)定性的判定標準采用《波浪模型試規(guī)程》(JTJ/T 234-2011)[10]中對扭王字塊的同樣要求,從而返求得到KD值(表4),統(tǒng)計臨界穩(wěn)定時,KD值為22.2～63.6,為安全取KD=22.2。

表4 新塊體穩(wěn)定系數(shù)(K D)試驗結(jié)果Table 4 Results from the test of stability coefficient(K D)value of the new type block

2.6 新塊體糙滲系數(shù)(KΔ)測定

通過測量新塊體糙滲系數(shù)(KΔ)來掌握其消浪效果,具體方法為通過測量波浪在塊體的表面爬高大小,測試試驗分別在其迎浪側(cè)面安放不透混凝土板和新塊體兩種不同材質(zhì)試驗斷面,測試在相同波浪作用下爬高結(jié)果,試驗過程中始終保持堤頂無越浪。對于不透混凝土板,由《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145-2015)[11]可知其糙滲系數(shù)KΔ=1.000,因此新塊體糙滲系數(shù)(KΔ)即為相同波浪作用下新塊體試驗斷面波浪爬高結(jié)果與不透混凝土板試驗斷面波浪爬高結(jié)果的比值(表5),取上述計算結(jié)果平均值得到新塊體糙滲系數(shù)KΔ=0.513。

表5 新型塊體糙滲系數(shù)(KΔ)測試結(jié)果Table 5 Results from the tests of roughness coefficient(KΔ)of the new type block

3 新開發(fā)塊體與傳統(tǒng)護面塊體對比分析及應(yīng)用

經(jīng)各種護面塊體工程應(yīng)用統(tǒng)計情況可知,扭王字塊是目前國內(nèi)外常用、公認性能較好的一種單層安放塊體,對此選擇與其進行對比分析(表6)。由表6可見,1)在節(jié)約工程造價的經(jīng)濟方面,新塊體優(yōu)于扭王字塊;2)在塊體對波浪消浪效果方面,兩者相差不大;3)從2種塊體安裝的難易程度上看,根據(jù)安裝工人反饋,新塊體優(yōu)于扭王字塊;4)在涉外工程項目中,從專利權(quán)的限制等方面考慮,新塊體有優(yōu)勢。因此,從實驗室測試對比來看,新塊體略優(yōu)于扭王字塊,這也充分體現(xiàn)出新開發(fā)塊體為結(jié)合扭王字塊和XBLOC優(yōu)點改良的結(jié)果。

表6 新塊體與傳統(tǒng)扭王字塊對比Table 6 Comparison between the new type block and the traditional Accropode

綜上所述,新型塊體開發(fā)是在了解國、內(nèi)外已有成熟產(chǎn)品和整理相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,通過理論分析和試驗研究系統(tǒng)論證的成果,目前塊體已成功應(yīng)用于實際工程上,這為下一步推廣與應(yīng)用提供了科學依據(jù),且自主研發(fā)新型塊體結(jié)構(gòu)有助于提高交通水運行業(yè)的整體實力,也為提升我國沿海深水港口的建設(shè)水平和防災(zāi)減災(zāi)能力提供支撐。由于工程具有復(fù)雜性,非常必要進一步完善新開發(fā)塊體在已建成或在建的港口工程防波堤與護岸上應(yīng)用回訪和跟蹤制度,結(jié)合原型觀測結(jié)果與試驗研究成果,建立完整人工護面塊體研究與應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫,充分發(fā)揮新開發(fā)塊體在保護堤壩穩(wěn)定和消浪等方面應(yīng)有的功能,為節(jié)省工程投資和工程順利完成提供保障。

4 結(jié) 論

針對深水防波堤建設(shè)中對保證防波堤穩(wěn)定至關(guān)重要的消浪護面塊體問題,經(jīng)過對不同類型常用人工塊體的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性對比分析,結(jié)合深水防波堤的環(huán)境特點,提出了一種基于現(xiàn)有塊體改良的十字型新型消浪塊體。對新塊體主要設(shè)計參數(shù)、失穩(wěn)和消浪機理開展了試驗研究,同時將新型塊體與現(xiàn)有扭王字塊體進行多方面比較,得到主要結(jié)論如下:

1)通過物理模型試驗研究確定了新開發(fā)塊體的性能設(shè)計參數(shù),包括:形狀系數(shù)(c)和塊體空隙率(P')、人工塊體個數(shù)(N)和混凝土用量(Q)與單個塊體的穩(wěn)定重量(W)關(guān)系,穩(wěn)定系數(shù)(KD)以及糙滲系數(shù)(KΔ)。

2)將新塊體與傳統(tǒng)扭王字塊護面塊體對比,進一步驗證了其具有一定的優(yōu)越性,新開發(fā)塊體已獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實用新型專利證書,并成功應(yīng)用于交通運輸部天津水運工程科學研究所大比尺波浪水槽消波段。

由于目前新塊體僅獲得了實驗室試驗成果,因此在工程應(yīng)用上,新型塊體的應(yīng)用成功與否,還有待于經(jīng)受更多試驗的檢驗,如考慮波浪方向影響的三維穩(wěn)定試驗等,甚至是原型現(xiàn)場的試驗。因此在此次研究的基礎(chǔ)上,今后將進一步深入開展相關(guān)試驗研究,并爭取通過工程實踐來證明其性能,使其更具普遍性和應(yīng)用推廣價值。

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