國(guó)內(nèi)外規(guī)范關(guān)于水流作用下護(hù)底塊石穩(wěn)定質(zhì)量計(jì)算方法對(duì)比

馬 勇，王 馨，黃丹蘋，覃 杰，陳良志

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

近年來(lái)，隨著我國(guó)承建海外工程的增多，在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范尚未得到境外業(yè)主和咨詢工程師普遍認(rèn)可的情況下，熟悉和掌握國(guó)際規(guī)范成為海外工程人員的必修課；同時(shí)，為了更好地推動(dòng)中國(guó)規(guī)范走向海外，開(kāi)展國(guó)內(nèi)與國(guó)際規(guī)范的對(duì)比研究也極為必要。

在護(hù)岸、防波堤、圍堰合龍、大江大河截流、河流整治等工程中，經(jīng)常需要采用塊石進(jìn)行護(hù)底防護(hù)，以抵御水流作用對(duì)地基土的沖刷破壞，避免構(gòu)筑物的堤腳結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降，確保堤腳及構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。關(guān)于水流作用下護(hù)底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量計(jì)算，國(guó)內(nèi)外均已開(kāi)展了大量研究，根據(jù)模型試驗(yàn)、理論推導(dǎo)和工程經(jīng)驗(yàn)，國(guó)際上已總結(jié)提出了多種成熟的計(jì)算理論[1]。基于已有研究成果，國(guó)內(nèi)外常用規(guī)范中對(duì)于水流作用下護(hù)底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量計(jì)算問(wèn)題，均給出了明確的計(jì)算方法，可通過(guò)計(jì)算公式直接計(jì)算塊石的質(zhì)量或粒徑，但因各種經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)的前提和背景有所不同，往往產(chǎn)生多個(gè)不同的計(jì)算結(jié)果，給設(shè)計(jì)和使用人員帶來(lái)較多不便。在海外的水運(yùn)工程中，護(hù)底塊石的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題普遍存在，尤其在護(hù)岸工程，基于多個(gè)海外工程對(duì)該問(wèn)題的處理經(jīng)驗(yàn)，本文針對(duì)水流作用下護(hù)底塊石穩(wěn)定質(zhì)量的計(jì)算方法進(jìn)行國(guó)內(nèi)外規(guī)范的對(duì)比分析，可為類似海外工程提供借鑒。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外常用規(guī)范中給出的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，主要對(duì)比的規(guī)范為：中國(guó)的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、美國(guó)的CoastalEngineeringManual[3]、日本的TechnicalStandardsandCommentariesforPortandHarborFacilitiesinJapan[4]和國(guó)際通用手冊(cè)TheRockManual[5]。

1 各國(guó)規(guī)范推薦計(jì)算方法

1.1 中國(guó)規(guī)范

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》給出水流作用下護(hù)底塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑及質(zhì)量的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

1.2 美國(guó)規(guī)范

CoastalEngineeringManual給出水流作用下護(hù)底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

M50=2.6M30

(6)

式中：D30為細(xì)粒質(zhì)量占比為30%對(duì)應(yīng)的塊石粒徑(m)；M30為細(xì)粒質(zhì)量占比為30%對(duì)應(yīng)的塊石質(zhì)量(kg)；Sf為安全系數(shù)，最小取值為1.1；Cs為初始運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)，帶棱角的塊石取0.30，圓潤(rùn)塊石取0.38；h為水深(m)；K1為邊坡修正系數(shù)；θ為邊坡坡度；φ為護(hù)面結(jié)構(gòu)休止角(°)，對(duì)于塊石取40°。

1.3 日本規(guī)范

TechnicalStandardsandCommentariesforPortandHarborFacilitiesinJapan給出水流作用下護(hù)底塊石穩(wěn)定質(zhì)量的計(jì)算公式如下：

(7)

式中：yd為Isbash系數(shù)，掩埋塊石取1.20，裸露塊石取0.86；Sr為塊石的相對(duì)密度；θ′為河道縱向坡度。

1.4 國(guó)際通用手冊(cè)

TheRockManual關(guān)于水流作用下護(hù)底塊石穩(wěn)定質(zhì)量的計(jì)算推薦以下3種方法：

1)Pilarczyk法：

(8)

(9)

式中：Dn50為塊石的公稱中值粒徑(m)，Dn50=0.84D50；ψsc為穩(wěn)定校正系數(shù)，對(duì)于連續(xù)的護(hù)底塊石取0.75；ψcr為護(hù)底塊石的臨界起動(dòng)系數(shù)，取0.035；kt為紊動(dòng)系數(shù)，根據(jù)紊動(dòng)程度取值；kh為速度系數(shù)；ksl為邊坡坡度系數(shù)。

2)Escarameia & May法：

(10)

(11)

式中：cT為紊動(dòng)系數(shù)，對(duì)護(hù)底塊石cT=12.3r-0.20，其中r為海床面0.1倍水深處的紊動(dòng)強(qiáng)度；ub為距海床面0.1倍水深處底流速(m/s)，ub范圍為(0.74～0.90)v。

3)Maynord法：

(12)

ksl=-0.67+1.49cotα-0.45cot2α+0.045cot3α

(13)

式中：fg為級(jí)配系數(shù)，其值為D85/D15，其中D85、D15為細(xì)粒質(zhì)量占比為85%、15%對(duì)應(yīng)的塊石粒徑(m)；Cst為穩(wěn)定系數(shù)，帶棱角的塊石取0.3，圓潤(rùn)塊石取0.375；Cv為速度分布系數(shù)；CT為護(hù)底厚度系數(shù)；ksl邊坡坡度系數(shù)；α為坡面與水平面夾角(°)。此方法根據(jù)D50計(jì)算M50的公式與式(2)相同。

2 工程案例計(jì)算對(duì)比

2.1 計(jì)算結(jié)果

某海外運(yùn)河航道擴(kuò)建升級(jí)工程，浚深后航道底高程為-16.5 m，底寬250 m，兩側(cè)邊坡采用塊石護(hù)面防護(hù)，坡度為1:2.5，極端高水位為1.78 m，極端低水位為0.55 m，運(yùn)河內(nèi)最大水流流速為3.2 m/s(洪水期)。

對(duì)于本工程所需的護(hù)底塊石質(zhì)量，采用上述國(guó)內(nèi)外規(guī)范推薦的方法分別進(jìn)行計(jì)算，其中塊石密度取2 650 kg/m3，水密度取1 025 kg/m3，重力加速度g取9.81 m/s2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外規(guī)范推薦方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.2 影響因素分析

對(duì)比上述各種方法的計(jì)算結(jié)果，可以看出不同方法的計(jì)算考慮因素和計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，經(jīng)綜合分析，其中流速、水深、邊坡坡度、河道縱坡、紊動(dòng)程度是主要控制因素，以上述工程案例為依托，分析不同因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響見(jiàn)圖1、表2。

注：圖a)～c)的中國(guó)與日本規(guī)范的曲線重合。

表2 不同方法計(jì)算的不同水流紊動(dòng)程度下的護(hù)底塊石質(zhì)量M50

通過(guò)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1)不同規(guī)范推薦公式考慮的影響因素存在一定的差異，見(jiàn)表3。

表3 不同規(guī)范推薦公式的影響因素對(duì)比

2)在不考慮河道縱向坡度的條件下，對(duì)于掩埋狀態(tài)的護(hù)底塊石，中國(guó)與日本規(guī)范的計(jì)算公式完全一致，因此在相關(guān)影響因素的分析曲線中，兩種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果完全重合。但對(duì)于河道縱向坡度的影響，兩種規(guī)范有顯著的差異；此外，兩種計(jì)算公式中同一位置的計(jì)算參數(shù)(中國(guó)規(guī)范中的C，日本規(guī)范中的yd)分別代表不同的影響因素，這也造成兩種計(jì)算公式在某些條件下出現(xiàn)差異。

3)中國(guó)和日本規(guī)范、TheRockManual推薦的Escarameia & May法均未考慮水深和邊坡坡度的影響，計(jì)算考慮因素較為簡(jiǎn)單；美國(guó)規(guī)范、TheRockManual推薦的Pilarczyk法和Maynord法，綜合考慮了水流流速、水深和邊坡坡度等多方面的因素，考慮更為全面。

4)對(duì)比這些方法的計(jì)算結(jié)果可以看出，Escarameia & May法的計(jì)算結(jié)果明顯偏大，本方法是基于Izbash公式，在TheRockManual的第5.2.1.4節(jié)中說(shuō)明Izbash公式的適用條件為h/D50為5～10，所以在水深較大的條件下，Escarameia & May法的計(jì)算結(jié)果可能出現(xiàn)不合理，須謹(jǐn)慎使用。

5)在水深較小的條件下，Pilarczyk法的計(jì)算結(jié)果可能出現(xiàn)明顯突變，須謹(jǐn)慎使用。

6)Pilarczyk法和Escarameia & May法都考慮了水流紊動(dòng)程度的影響，在紊動(dòng)程度較強(qiáng)的情況下，Escarameia & May法的計(jì)算結(jié)果將遠(yuǎn)超其他計(jì)算方法，須謹(jǐn)慎使用。

3 結(jié)語(yǔ)

1)中國(guó)規(guī)范和日本規(guī)范推薦的計(jì)算公式基本一致，兩種經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)源自同一理論，但對(duì)于河道縱向坡度的考慮，兩種方法出現(xiàn)了顯著差異，后續(xù)將進(jìn)一步分析差異出現(xiàn)的原因。

2)水深對(duì)于護(hù)底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量是一個(gè)敏感因素，隨著水深的增加，護(hù)底塊石的穩(wěn)定性增強(qiáng)，也即所需的塊石穩(wěn)定質(zhì)量減小，但是中國(guó)規(guī)范、日本規(guī)范和TheRockManual推薦的Escarameia & May法均未考慮水深影響，在深水條件下，可能導(dǎo)致計(jì)算所需的塊石質(zhì)量偏大。此外，Escarameia & May法應(yīng)存在一定的水深適用條件，建議在h/D50為5～10的條件下使用。在水深較小的條件下，Pilarczyk法的計(jì)算結(jié)果可能出現(xiàn)明顯突變，也須謹(jǐn)慎使用。

3)從計(jì)算結(jié)果和影響因素等方面綜合考慮，美國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果可以較好地包絡(luò)其他方法，但其未能考慮紊動(dòng)程度的影響，在強(qiáng)紊動(dòng)的水流條件下，建議對(duì)照Pilarczyk法和Escarameia & May法綜合評(píng)估確定塊石質(zhì)量。

4)在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工程所遵循的規(guī)范體系及工程條件，選取對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法，并建議采用多種方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算；同時(shí)，因計(jì)算公式主要由試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)推導(dǎo)得來(lái)，存在一定的局限性，實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)開(kāi)展物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保工程的安全可靠。