一種新型單層人工塊體Crablock 的工程應用

楊小龍

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司， 廣東 廣州510230)

1 概述

護面結構是拋石斜坡堤至關重要的組成部分，直接關系到防波堤的可靠性。 護面結構的類型從最初的塊石護面， 逐漸發展成各種不同類型的混凝土人工護面塊體。

人工護面塊體從最初的的方塊(Cube)， 到1950 法國率先成功發明的四角錐人工塊體(Tetrapod)[1-3]， 相繼出現多種不同類型的人工塊體， 如1963 年南非發明的扭工字塊(Dolos)、1973 年法國發明的Antifer 塊體。 1981 年法國發明AccropodeTM單層塊體后， 單層塊體發展迅速——1996 年美國發明Core-Loc 塊體， 1999 年法國發明性能更優越的AccropodeTMⅡ塊體，2001 年荷蘭發明Xbloc 塊體。 這些人工塊體都得到廣泛的應用， 并積累了豐富的工程設計與施工經驗。

本文介紹阿拉伯聯合酋長國發明的一種新型單層人工塊體Crablock， 如圖1a) 所示。 該塊體完全對稱并在2014 年成功應用于某防波堤項目，如圖1b) 所示。 Broere[4]、 Bonfantini[5]、 Salauddin等[6-7]對該塊體進行了一系列的物模試驗研究， 得到該塊體的主要性能指標。 為此， 本文總結對比該塊體與上述幾種主流的單層塊體設計參數及施工方法的異同， 為使用該塊體的防波堤項目的設計與施工提供參考。

圖1 新型單層人工塊體Crablock

2 物理模型試驗

2.1 塊體擺放形式

Salauddin 等對14 種擺放形式和擺放密度的組合進行研究， 其中11 個斷面中采用了常規的1∕10護面塊體質量的墊層塊石， 3 個矩形規則擺放的斷面中采用了更小些的1∕25 護面塊體質量的墊層塊石。 典型的矩形規則擺放和金字塔規則擺放如圖2所示。

圖2 塊體典型擺放形式

試驗中Crablock 的坡度為1∶4∕3， 類似Accropode。塊體擺放的試驗結果如下:

1)采用1∕25 塊體質量的偏小墊層塊石時， 塊體按照矩形規則擺放后聯鎖效果好， 安裝密度能達到較高的0.68∕(Dn為塊體等效寬度)。 常規的1∕10 塊體質量的墊層， 對矩形規則擺放不適用。

2)金字塔隨機擺放時， 塊體的聯鎖效果良好，安裝密度能達到0.61∕。 但坡面上矩形規則擺放幾乎無法實施。

2.2 塊體越浪量

為了測定Crablock 塊體的越浪特性， 現有的物模試驗研究采用了EurOtop[8]中計算越浪的堤角處波高Hm0。 Salauddin 等的試驗結果表明: 對于不同的塊體安裝密度和擺放形式， 試驗測定的越浪量基本相同。

此外， 將實測的越浪量結果與采用van der Meer 等在EurOtop 中提出的新斜坡式防波堤越浪公式計算的結果(按糙率系數γf=0.45)以及歐洲某越浪量試驗項目獲得的其他單層塊體的越浪量結果進行對比分析。 結果表明: Crablock 塊體實測的越浪量比經驗公式計算結果大， 也比歐洲越浪量試驗研究中單層塊體Accropode、 Core-loc 和Xbloc 的越浪量偏大。 表明Crablock 塊體的糙率系數比0.45 大。

式中:q為平均越浪量；g為重力加速度；Hm0為有效波高； α 為防波堤護面坡角； γb為肩臺折減系數； γf為糙率系數； γβ為斜向浪折減系數； γν為擋墻折減系數； ξm-1，0為相似度系數；Rc為擋墻頂部到水面的超高。

2.3 塊體穩定性

Rock Manual中人工塊體的穩定數Ns和破壞指標Nod， 即塊體等效寬度內護面層中脫落的塊體數量定義如下:

式中:KD為塊體穩定性系數； α 為斜坡堤的角度；Hs為設計有效波高； Δ 為相對密度；N為護面層脫落塊體總數量；B為試驗段寬度；Dn為塊體等效寬度。

Salauddin 等對該塊體在2 種擺放形式(即矩形、金 字 塔) 及3 種 安 裝 密 度(即0.69∕、0.66∕、0.63∕)對應的塊體擺放的試驗結果表明:

1)塊體發生脫落破壞時， 塊體的穩定系數Ns均不小于2.8；

2)塊體安裝密度0.63∕時， 2 種擺放形式下， 即使波浪較小時， 塊體均出現較大的位移和晃動。 考慮到實際工程中一旦出現過大的位移或晃動可能導致塊體出現斷肢等破壞， 而且金字塔形擺放的最大密度只能達到0.63∕， 所以決定該塊體不能采用金字塔形安裝方式， 且安裝密度不能低于0.63∕。

參考AccropodeTM、 Core-Loc 等單層塊體的設計容許破壞標準， 即Nod=0， 并考慮到單層塊體一旦破壞就失效的嚴重后果， 選取Crablock 穩定系數時也考慮了1.5 的安全系數， 試驗最終結果如下:Ns取值在2.8～3.3。

3 同等類型塊體對比

單層人工塊具有穩定性高、 混凝土用量較傳統的雙層人工塊體大大減少等優勢， 因此在防波堤工程中得到廣泛的應用。 人工塊體的設計[9-11]重點是穩定性和可靠性。 塊體安裝方式的復雜程度也是塊體選型設計的重要因素。

結合上述Crablock 塊體的物模試驗， 對該塊體 與 AccropodeTM、 AccropodeTMⅡ、 Core-Loc、Xbloc 4 種主流的單層人工塊體在安裝方式、 越浪量、 穩定性等方面的性能進行對比分析， 結果如表1 所示。

表1 Crablock 塊體與同等類型塊體的性能參數對比

從以上可知: Crablock 塊體的穩定指標偏高，考慮到該塊體目前的應用案例僅有1 個， 但其余4 種塊體已積累了豐富的工程應用經驗， 因此實際工程應用時對該塊體的穩定系數取值須結合物模驗證， 同時須參考其余塊體進行120%設計有效波浪工況的進一步驗證。

該塊體在試驗中矩形規則擺放形式表現出良好的穩定性和聯鎖效果， 可達到較大的安裝密度，并且規則擺放比隨機擺放更具美感， 是該塊體在中東地區應用的原因之一。

然而， 與上述4 種主流的單層人工塊體不同，Crablock 塊體需要在更小的墊層塊石上才能夠獲得更好的塊體聯鎖和更大的安裝密度， 以此獲得更高的穩定系數， 這與常規墊層質量取1∕10 的塊體質量差別較大， 設計時須注意， 并加強施工期的防護措施。

該塊體的實際糙率系數推薦值在已有的物模試驗中還未明確， 但根據物模實測的越浪量結果，其糙率系數比0.45 更大， 建議初定斷面高程時可按同等類型塊體的糙率系數考慮， 最終由物模試驗確定。

該塊體的安裝密度系數比其余4 種塊體都大，意味著同等情況下該塊體的混凝土用量以及塊體預制安裝的數量都會增加。

4 結論

1)Crablock 的穩定數Ns在2.8 ～3.3 之間， 比當前主流的塊體有較大的提高。 須注意的是， 設計時穩定數取值越大， 容許發生的塊體位移和晃動的數目越大。 容許破壞Nod=0 時， 只計入從護面層中脫落塊體的個數， 而未計入發生位移和晃動的塊體數目。

2)建議按照矩形規則安裝的方式， 以獲得良好的聯鎖效果及較大的安裝密度， 從而有利于塊體的穩定。

3)該塊體在采取矩形規則安裝方式時， 須采用比傳統設計1∕10 塊體質量更小的墊層塊石， 即1∕25 的護面塊體質量。 因此， 施工期在未安裝塊體前， 須加強施工期的臨時防護措施。

4)該塊體的越浪糙率系數有待進一步研究，但糙率系數不小于0.45 已得到試驗驗證。 設計時須結合物模試驗確定最終的越浪量。