王依娜，周加杰，陳松貴，陳漢寶，張 偉

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456； 2.中交四航局 第二工程有限公司，廣州 5103006)

1 概 述

斜坡式防波堤具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便和基礎(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，因此在石料豐富的港口工程中，優(yōu)先采用斜坡式防波堤。斜坡式防波堤主要由堤身石塊和人工護(hù)面塊體組成，而人工護(hù)面塊體的穩(wěn)定是保障整個防波堤正常發(fā)揮擋浪功能的關(guān)鍵。印度尼西亞是中國東盟最大的貿(mào)易伙伴，也是中國海外港口項目的主要所在地，但在印度尼西亞南岸，由于面對著廣闊的印度洋，常年受到長周期涌浪的影響，波浪條件十分惡劣?！斗啦ǖ淘O(shè)計與施工規(guī)范》(JTS 154-1-2011)中規(guī)定：“設(shè)計波浪平均周期大于10 s或設(shè)計波高與設(shè)計波長之比小于1/30的坦波作用下，護(hù)面塊體重量應(yīng)通過模型試驗驗證?！盵2]與中國沿海地區(qū)的波浪條件不同，印度尼西亞面臨印度洋海岸波浪周期均大于10 s[3]，對于已建或在建的印尼南岸港口工程中，防波堤人工護(hù)面塊體的重量均需通過物理模型試驗得到。實驗室中，人工護(hù)面塊體的安放常常由實驗員采用手?jǐn)[的方式進(jìn)行[4]，相對于現(xiàn)場施工的吊機(jī)安放，實驗員擺放的塊體更為緊密整齊，勾連性更好。因此，該實驗方法降低了人工護(hù)面塊體的安全可靠度，帶來一定的失穩(wěn)風(fēng)險。

本文首先對現(xiàn)有的常用人工護(hù)面塊體進(jìn)行綜述，討論護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理。其次，針對印尼防波堤工程中常用的兩種護(hù)面塊體——扭王字塊(Accropode)和雙聯(lián)塊體，采用人工擺放和機(jī)械擺放兩種方式進(jìn)行實驗室安放試驗，對塊體的密實度和勾連性進(jìn)行分析和討論。

2 人工護(hù)面塊體綜述

2.1 人工護(hù)面塊體種類

二戰(zhàn)以前，斜坡式防波堤的護(hù)面塊體主要以大石塊或混凝土立方塊為主。1950年，法國Sogreach水工試驗所提出第一種自鎖型人工護(hù)面塊體四角錐體(Tetrapod)。隨后的20年間，人們發(fā)明了數(shù)十種細(xì)桿型人工護(hù)面塊體[5]，但大多數(shù)的人工護(hù)面塊體只應(yīng)用于少數(shù)的幾個工程，最常用的塊體是Dolos扭工字塊(1963，俄羅斯)。1978年葡萄牙錫尼什港(Sines)防波堤失效的案例(初始設(shè)計使用的扭工字塊)使得人們對細(xì)桿型護(hù)面塊體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性重新進(jìn)行考慮，后來該防波堤采用法國提出的Antifer立方塊(1973)進(jìn)行了修復(fù)。1980年，法國Sogreach水工試驗所提出Accropode塊體(扭王字塊)。由于Accropode塊體在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和消浪性方面的兼顧以及單層隨機(jī)安放的簡便施工方法，一經(jīng)提出便成為至今全球使用最為廣泛的人工護(hù)面塊體。接下來，美國提出的Coreloc塊體(1996)和A-Jack塊體(1998)也得到較為廣泛的應(yīng)用。與桿狀自鎖型護(hù)面塊體平行發(fā)展的有單層空心塊護(hù)面塊體，其主要類型有Hollow Cube塊(1991，德國)、Cob 塊(1969，英國)、Shed塊(1982，英國)和Seabee塊(1978，澳大利亞)。2008年，中交一航院在Accropode塊體的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的雙聯(lián)型護(hù)面塊體，該塊體的穩(wěn)定系數(shù)與Accropode類似[6]，并在印度尼西亞Gama工程中得到應(yīng)用。

按塊體安放方式，人工護(hù)面塊體可分為兩類——規(guī)則安放和隨機(jī)安放。規(guī)則安放以空心立方塊為主，除此以外，大多數(shù)的護(hù)面塊體為隨機(jī)安放。隨機(jī)安放的護(hù)面塊體發(fā)展經(jīng)歷了3代：第一代是以實心立方塊、Antifer立方塊等為代表，這一代塊體形狀簡單，便于加工和制作，通常為雙層隨機(jī)安放塊體。其最大的缺點(diǎn)是混凝土使用量較大，至今在一些混凝土價格比較便宜的地區(qū)仍有一些工程采用Antifer立方塊作為人工護(hù)面塊體。第二代是以Tetrapod四角錐、Dolos扭工字塊為代表細(xì)桿型護(hù)面塊體，此類型塊體混凝土用量少，勾連性良好，通常為雙層隨機(jī)安放。其最大的缺點(diǎn)是塊體本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，雙層安放施工比較復(fù)雜。第三代是以Accropode扭王字塊、A-Jack塊等為代表，這一類塊體相對于第二代，通過增加單個塊體的混凝土用量提升了塊體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通常為單層隨機(jī)安放。相對于雙層安放的第二代塊體，施工更為簡單方便，消浪效果好，因此是目前工程中使用的主流塊體。

2.2 人工護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理

人工護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理主要包括3方面：自重穩(wěn)定、勾連穩(wěn)定和摩擦穩(wěn)定。

自重穩(wěn)定是所有人工護(hù)面塊體能夠抗浪消浪并在斜坡上保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)，根據(jù)Hudson公式[7]，塊體的重量直接決定其抗浪穩(wěn)定的能力。對于第一代人工護(hù)面塊體，主要通過自重穩(wěn)定來維持其在防波堤斜面上的穩(wěn)定性。

勾連穩(wěn)定是第二代和第三代護(hù)面塊體區(qū)別于第一代的最大不同。通過塊體與塊體之間的交叉、重疊，使得塊體之間發(fā)生自鎖，提高了護(hù)面塊體的整體性，進(jìn)而使得相同重量的單個塊體能夠抵抗更大的波浪。Hudson公式中引入了穩(wěn)定系數(shù)KD來表征勾連穩(wěn)定對塊體穩(wěn)定重量的影響，KD越大，表明塊體的勾連性越好。

摩擦穩(wěn)定與勾連穩(wěn)定的機(jī)理類似，但又有一定的不同。主要通過塊體與塊體之間相互擠壓產(chǎn)生的摩擦力來提高護(hù)面塊體的穩(wěn)定性，利用摩擦穩(wěn)定的塊體外形一般都比較規(guī)則，便于加工和制作。鏤空的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一方面減少了混凝土用量，另一方面增加防波堤的消浪效果。

根據(jù)護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理、安放方式和形狀，將現(xiàn)有的常用人工護(hù)面塊體分類列于表 1中，并給出每種塊體的示意圖[8-9]。

表1 人工護(hù)面塊體分類

3 實驗條件和方法

3.1 小型塊體安放天車

為模擬施工現(xiàn)場的塊體安放情況，加工的試驗天車見圖1。

圖1 小型塊體安放天車示意圖

塊體安放天車高0.9 m，橫向?qū)Я洪L度為1.2 m，截面為0.1 m邊長的正方形，三角支撐底邊寬0.7 m?？v向?qū)Я洪L2 m。該實驗室人工護(hù)面塊體安放天車操作方便、簡單。通過縱向?qū)Я汉蜋M向?qū)Я荷系目潭葮?biāo)尺，可實現(xiàn)精準(zhǔn)定位安放。塊體的起吊、安放等過程全部采用該天車實現(xiàn)，能夠最大程度地模擬現(xiàn)場塊體施工過程，從而使塊體穩(wěn)定性試驗結(jié)果更加可靠有效?？v向?qū)Я洪L度和橫向?qū)Я簩挾染筛鶕?jù)具體試驗進(jìn)行調(diào)整，適用范圍廣，該裝置適用于實驗室中二維斷面物理模型試驗和三維整體物理模型試驗中人工護(hù)面塊體的擺放。

3.2 模型設(shè)定

試驗斷面寬1 m，高0.6 m，坡比為1∶1.5。人工護(hù)面塊體分別采用扭王字塊和雙聯(lián)塊體，扭王字塊單塊重236 g，高度為6.91 cm。雙聯(lián)塊體單塊重222 g，高度為6.78 cm。

試驗時，分別采用人工擺放和機(jī)械擺放兩種方式對塊體進(jìn)行擺放(圖2)，將塊體在坡面上擺成矩形，分別記錄下矩形的沿坡面長度L和寬度B，為消除邊界的影響，L和B的測量均為塊體中心點(diǎn)之間的距離。L和B均在不同位置測量3次，取平均值，計算得到矩形面積S。

試驗時，還利用彈簧秤測量每個塊體滑動的水平力Fh和豎直力Fv，分別統(tǒng)計每排和每列的力的變化。每組實驗重復(fù)3次，取平均值進(jìn)行比較分析。

圖2 扭王字塊(左)和雙聯(lián)塊體(右)擺放照片

4 實驗結(jié)果分析

4.1 塊體安放密度

扭王字塊和雙聯(lián)塊體的不同擺放方式的安放密度見表2和圖3?？梢钥闯?，塊體人工擺放的密度均大于機(jī)械擺放的密度，其中扭王字塊多出6.36%，雙聯(lián)塊體多出9.40%。從不同塊體比較來看，相同重量的雙聯(lián)塊體的百平米塊數(shù)要少于扭王字塊，兩者之間存在差別的主要原因是雙聯(lián)塊體為非對稱異形結(jié)構(gòu)，擺放時更容易出現(xiàn)較大的空隙。

表2 扭王字塊和雙聯(lián)塊體的不同擺放方式的安放密度

圖3 扭王字塊和雙聯(lián)塊體不同擺放方式的安放密度

4.2 塊體勾連性

分別對不同塊體、不同擺放方式塊體的臨界水平滑動力Fh和臨界豎直滑動力Fv進(jìn)行測定，結(jié)果見圖4和圖5?？梢钥闯觯瑑煞N塊體人工安放的塊體臨界滑動力均大于機(jī)械安放的值，且越靠中間越明顯。對于扭王字塊，F(xiàn)h相差約50%，F(xiàn)v相差約22%；對于雙聯(lián)塊體，F(xiàn)h相差約60%，F(xiàn)v相差約19%，表明機(jī)械安放時的勾連性要小于人工安放。對于人工擺放的方式，雙聯(lián)塊體的勾連效果要明顯優(yōu)于機(jī)械安放，但對于機(jī)械擺放，兩種塊體的勾連性沒有明顯的差別。這也從另一個角度說明人工安放時擺放的更為緊密，雙聯(lián)塊體的非對稱異形結(jié)構(gòu)更容易實現(xiàn)塊體的勾連。

圖4 臨界水平滑動力

圖5 臨界豎直滑動力

5 主要結(jié)論

本文綜述了常用人工護(hù)面塊體，并對護(hù)面塊體的穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了討論。針對印尼防波堤工程中常用的兩種人工護(hù)面塊體——扭王字塊和雙聯(lián)塊體，使用自制的小型塊體安放天車模擬施工現(xiàn)場塊體吊機(jī)安放的施工過程，并與實驗室中通常采用的人工擺放塊體安放形式進(jìn)行對比。研究發(fā)現(xiàn)，對于兩種塊體，機(jī)械擺放的塊體密度和勾連性均低于人工擺放，密度低約5%～10%，勾連性低約20%～60%。