斜坡式拋石結(jié)構(gòu)護(hù)底的倒濾設(shè)計

宋建東

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州510230)

根據(jù)JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范》[1]的要求，對于可沖刷地基上的斜坡堤，水下棱體的大塊石均應(yīng)拋置于厚度不小于0.5 m的小塊石或者土工織物軟體排上。但是對于有局部巖石裸露的砂質(zhì)海岸，土工織物容易被局部刺破而無法使用；而且目前施工采用的土工布都不能滿足50 a的耐久性設(shè)計要求，大部分土工布在使用年限達(dá)到約20 a時就已經(jīng)腐蝕破壞[2-3]。而采用預(yù)鋪小塊石的方案，國標(biāo)規(guī)范沒有詳細(xì)的粒徑和級配的理論要求，同時對于小塊石的厚度也沒有嚴(yán)格的理論依據(jù)。拋石結(jié)構(gòu)護(hù)底的倒濾設(shè)計成為一個不容忽視的設(shè)計重點。

本文依據(jù)國外各倒濾設(shè)計的原理，結(jié)合國外某項目的設(shè)計和施工經(jīng)驗，闡述倒濾的兩種作用機(jī)理；針對護(hù)底結(jié)構(gòu)的不同倒濾要求，采用不同的倒濾機(jī)理進(jìn)行設(shè)計。充分彌補(bǔ)了國標(biāo)規(guī)范的設(shè)計不足，為其他類似的項目提供設(shè)計參考。

1 項目概況

項目位于非洲某區(qū)域，護(hù)岸長度650 m。護(hù)岸采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，護(hù)底結(jié)構(gòu)采用護(hù)面塊石順延的形式，在護(hù)底結(jié)構(gòu)和原泥面之間鋪設(shè)300 mm厚的碎石墊層，斷面見圖1。原地面為砂質(zhì)海岸，局部區(qū)域有突出的孤石。

圖1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

2 塊石的設(shè)計計算

2.1 護(hù)面塊石

護(hù)面塊石的穩(wěn)定質(zhì)量可按照式(1)計算：

(1)

式中：W為塊石穩(wěn)定質(zhì)量(kg)；ρb為塊石密度(kg/m3)；H為設(shè)計波高(m)；KD為形狀系數(shù)；ρ為水的密度(kg/m3)；α為斜坡角度(°)。根據(jù)計算可知，護(hù)面塊石的穩(wěn)定質(zhì)量為0.66 kg，采用400～800 kg的塊石，厚度為1.22 m。

2.2 護(hù)底塊石

根據(jù)JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范》可知，護(hù)底結(jié)構(gòu)處在1倍設(shè)計波高以下時，護(hù)底塊石結(jié)構(gòu)質(zhì)量可以采用計算質(zhì)量的0.3～0.4倍，本項目為了減少級配種類，護(hù)底結(jié)構(gòu)采用護(hù)面順延的形式。

3 護(hù)底結(jié)構(gòu)的倒濾設(shè)計

3.1 倒濾原理

根據(jù)設(shè)計手冊Interfacestabilityofgranularfilterstructures[4]可知，倒濾標(biāo)準(zhǔn)可分為兩個類型，分別為傳統(tǒng)倒濾標(biāo)準(zhǔn)(嚴(yán)格倒濾標(biāo)準(zhǔn))和幾何倒濾標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 傳統(tǒng)倒濾標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)的倒濾標(biāo)準(zhǔn)又稱為嚴(yán)格倒濾標(biāo)準(zhǔn)，其要求倒濾層和內(nèi)基層都要足夠穩(wěn)定，內(nèi)基層不得穿透倒濾層，以防止內(nèi)基層發(fā)生內(nèi)部侵蝕，該倒濾標(biāo)準(zhǔn)對于倒濾層和內(nèi)基層都做出嚴(yán)格的級配要求。根據(jù)設(shè)計手冊TheRockManual[5]，其具體標(biāo)準(zhǔn)見式(2)(3)。

倒濾層和內(nèi)基層的倒濾要求為：

(2)

式中：D15f為倒濾層倒濾曲線15%比例處的粒徑大?。籇85b為內(nèi)基層倒濾曲線85%比例處的粒徑大??；D15b為內(nèi)基層倒濾曲線15%比例處的粒徑大小。

倒濾層和內(nèi)基層的穩(wěn)定性要求為：

(3)

式中：D60為本層倒濾曲線60%比例處的粒徑大?。籇10為本層倒濾曲線10%比例處的粒徑大小。

3.3 幾何穩(wěn)定倒濾標(biāo)準(zhǔn)

內(nèi)基層無法滿足傳統(tǒng)倒濾標(biāo)準(zhǔn)，在可穿透倒濾層的前期下，內(nèi)基層顆粒在微弱的極限啟動流速狀態(tài)下所需要的最厚防護(hù)倒濾層。其作用原理見圖2。

注：τ0為倒濾層頂部處水流力；τbf為倒濾層底部處水流力；為內(nèi)基層顆粒臨界穿透狀態(tài)下的倒濾層頂部處水流力；τbf，k為內(nèi)基層顆粒臨界穿透狀態(tài)下的倒濾層底部處水流力。

該理論采用適當(dāng)級配的塊石，通過足夠的塊石厚度，對底部水流力超過臨界啟動水流力的狀態(tài)進(jìn)行倒濾防護(hù)，倒濾層的塊石厚度為：

(4)

式中：Df為倒濾層厚度(m)；d15f為倒濾層級配曲線15%比例處的粒徑大?。沪羕為紊流密度系數(shù)；Δf為倒濾層水下相對密度；Δb為內(nèi)基層水下相對密度；d50f為倒濾層中值粒徑；d50b為內(nèi)基層中值粒徑；ψcf為倒濾層的臨界掩護(hù)系數(shù)；ψcb為內(nèi)基層的臨界掩護(hù)系數(shù)；y為內(nèi)基層的顆粒輸移系數(shù)；VGf為倒濾層顆粒的不均勻系數(shù)；VGb為內(nèi)基層顆粒的不均勻系數(shù)。

1)紊流密度系數(shù)αk。對于穩(wěn)定的水流狀況，紊流密度系數(shù)αk取最小值0.05；對于水流變化較大的湍流，紊流密度系數(shù)αk取最大值0.5。

2)相對密度Δf和Δb。相對密度為：

(5)

式中：ρi為塊石自身密度；ρw為水的密度。

3)顆粒輸移系數(shù)y。根據(jù)設(shè)計手冊Interfacestabilityofgranularfilterstructures的試驗結(jié)果可知，該參數(shù)取0.625。

4)顆粒的不均勻系數(shù)VGf和VGb。顆粒的不均勻系數(shù)為：

(6)

式中：d15為顆粒級配曲線15%比例處的粒徑大??；d50為顆粒級配曲線50%比例處的粒徑大小。

5)臨界掩護(hù)系數(shù)ψcf和ψcb。根據(jù)Egiazaroff的研究結(jié)果[6]可知，臨界掩護(hù)系數(shù)ψcb和ψcf可以按式(7)計算：

ψ=0.1lg-2(19d15/f50)

(7)

式中：d15為顆粒級配曲線15%比例處的粒徑大??；d50為顆粒級配曲線50%比例處的粒徑大小。

倒濾層上方有塊石層覆蓋時，倒濾層的綜合臨界掩護(hù)系數(shù)ψf需要根據(jù)上部覆蓋塊石和倒濾層的級配轉(zhuǎn)換：

(8)

式中：η為相對荷載因子；d50f為倒濾層級配曲線50%比例處的粒徑大??；d50t為覆蓋塊石層級配曲線50%比例處的粒徑大?。籨15t為覆蓋塊石層級配曲線15%比例處的粒徑大??；Dt為覆蓋塊石層的厚度。

針對砂質(zhì)海岸的塊石防護(hù)倒濾設(shè)計，幾何倒濾的設(shè)計方法可以有效接近塊石護(hù)底厚度的合理計算方法。

4 本方案的護(hù)底倒濾設(shè)計計算

4.1 護(hù)底塊石與碎石墊層之間的倒濾

根據(jù)設(shè)計手冊TheRockManual，護(hù)底塊石與碎石墊層之間的倒濾采用嚴(yán)格倒濾標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行倒濾設(shè)計，采用護(hù)底塊石的級配規(guī)格為400～800 kg，碎石墊層的級配規(guī)格為80～150 mm，相應(yīng)的級配見表1。

表1 塊石級配計算結(jié)果

4.2 碎石墊層與砂質(zhì)泥面之間的倒濾

根據(jù)設(shè)計手冊Interfacestabilityofgranularfilterstructures，采用幾何倒濾進(jìn)行碎石墊層與砂質(zhì)泥面之間的倒濾設(shè)計。根據(jù)勘察報告，砂質(zhì)土的db15取0.2×10-3m、db50取0.4×10-3m；塊石的密度取26.5 kg/m3，砂質(zhì)土的密度取18 kg/m3。根據(jù)計算公式可知：Δf=1.585，Δb=0.756，ψcf=0.0789，ψcb=0.1，VGf=0.297，VGb=0.5，η=0.253，ψf=2.517×10-3。最終計算可得，泥面以上最小的碎石防護(hù)厚度Df為0.251 m，最終設(shè)計的碎石厚度取0.3 m。

5 結(jié)語

1)根據(jù)國外某項目的設(shè)計和施工經(jīng)驗，當(dāng)前國標(biāo)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范》規(guī)范對于斜坡式拋石結(jié)構(gòu)的護(hù)底設(shè)計過于籠統(tǒng)；對于有局部裸露巖石狀態(tài)下的海岸，當(dāng)前國標(biāo)規(guī)范對于護(hù)底結(jié)構(gòu)的設(shè)計描述缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝?，甚至有設(shè)計不足的風(fēng)險。

2)對于護(hù)底結(jié)構(gòu)不同層級之間的倒濾關(guān)系，分別采用嚴(yán)格倒濾原理和幾何穩(wěn)定倒濾原理，對復(fù)雜地貌和浪況狀態(tài)下的斜坡式拋石結(jié)構(gòu)的護(hù)底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡篂V設(shè)計，極大彌補(bǔ)了國標(biāo)規(guī)范的設(shè)計不足。