連鎖混凝土護(hù)坡塊體穩(wěn)定厚度計(jì)算分析

郭　琦,張玲秋,吳　星,張　柳（.山東大學(xué)　土建與水利學(xué)院,濟(jì)南　5006；.鄒平縣住房保障和房產(chǎn)管理局,山東　鄒平　5600）

連鎖混凝土護(hù)坡塊體穩(wěn)定厚度計(jì)算分析

郭琦1,張玲秋2,吳星1,張柳1
（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,濟(jì)南250061；2.鄒平縣住房保障和房產(chǎn)管理局,山東鄒平256200）

摘要：本文利用有限元軟件對連鎖塊護(hù)坡進(jìn)行了穩(wěn)定分析，為該種新型護(hù)坡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的完善提供參考。波浪產(chǎn)生的浮托力是連鎖塊護(hù)坡破壞的主要因素，其滲透性、塊體間的連鎖咬合，都有利于增加護(hù)面層的整體性，有效減小護(hù)面層厚度。

關(guān)鍵詞：連鎖；混凝土護(hù)坡；浮托力；穩(wěn)定性

0　引言

混凝土連鎖塊體護(hù)坡是由一組尺寸、形狀和重量一致的混凝土預(yù)制塊，通過獨(dú)特的連鎖設(shè)計(jì)，塊與塊之間相互連接而形成的連鎖型矩陣。整個(gè)鋪面系統(tǒng)由連鎖型混凝土塊面層、級配碎石濾水層、土工布反濾層、基土層組成。這種護(hù)坡形式能有效抵抗外力，且整體柔性能適應(yīng)邊坡的變形，從而使結(jié)構(gòu)體系具有較高的穩(wěn)定性。

1　護(hù)坡穩(wěn)定性理論

混凝土護(hù)坡塊體在使用過程中受到的荷載包括：重力(扣除浮力)、墊層對塊體的支撐力以及塊體和墊層間的摩擦力，塊體間的咬合作用；動(dòng)水中還受到波浪的作用力。波浪作用下當(dāng)塊體所受凈浮托力大于塊體重量及塊體間摩擦和咬合力時(shí)，塊體被托起，以至脫落失穩(wěn)，進(jìn)一步引起其周圍護(hù)坡塊體的松動(dòng)破壞。故有一塊連鎖塊脫出時(shí)，即認(rèn)為混凝土連鎖塊體護(hù)坡的整體遭到破壞。

2　不同穩(wěn)定厚度公式的對比

以某航道護(hù)坡為對象，利用現(xiàn)有公式分別對其進(jìn)行穩(wěn)定厚度計(jì)算。該航道寬度為60m，底標(biāo)高32.07m，堤頂高程39.5m。最高通航水位27.35m，最低通航水位36.42m。邊坡坡度為1：3。混凝土護(hù)坡塊采用兩面連鎖型開孔塊。坡面底部設(shè)置趾墻，用于防止鋪面系統(tǒng)整體下滑。設(shè)計(jì)護(hù)坡塊體的尺寸為500mm×500mm×120mm。

我國的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB50286-2013》中共給出了在波浪作用下，三種不同的計(jì)算護(hù)坡護(hù)腳的方法：

（1）美國的Hudson公式：

（2）常用于干砌石護(hù)坡的培什金公式：

（3）混凝土板護(hù)面的厚度計(jì)算公式：

此外，國內(nèi)考慮連鎖作用使用的改進(jìn)Hudson公式：

以設(shè)計(jì)的波浪荷載值為準(zhǔn)，套用幾種公式計(jì)算所得的結(jié)果如下表1所示：

表1　各公式穩(wěn)定厚度計(jì)算值

3　基于ABAQUS的穩(wěn)定厚度分析

3.1模型基本情況

按照工程實(shí)際，取航道一邊坡體按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬。連鎖塊體護(hù)坡在實(shí)際工作時(shí)，主要依靠塊體間的連鎖作用保證其穩(wěn)定性不受破壞。為了模擬這種相互作用，在每塊護(hù)坡塊體的相互接觸面上均設(shè)置摩擦型接觸。護(hù)坡塊體與土體之間也設(shè)置為接觸。

3.2工況分析

為分析塊體尺寸對其承載能力的影響，在原有設(shè)計(jì)塊體尺寸（500mm×500mm×120mm）的基礎(chǔ)上，另外在此基礎(chǔ)上取將其厚度減半（500mm×500mm×60mm）的塊體同時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　 工況分析結(jié)果

對比規(guī)范中選取的四種公式在相同條件下的計(jì)算結(jié)果可知，每種公式的計(jì)算結(jié)果都有很大的不同。使用有限元軟件ABAQUS分析，當(dāng)設(shè)計(jì)護(hù)坡塊的厚度為60mm時(shí)，依然能夠抵御超過現(xiàn)有荷載一倍以上的波浪荷載。因此使用上述幾種公式所得出的最小穩(wěn)定厚度值已經(jīng)足以滿足設(shè)計(jì)要求，并且承載能力依然有富余，能夠保證護(hù)坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

四種公式中，前三者在計(jì)算時(shí)對塊體厚度最主要的影響因素有斜坡的坡度、塊體的材料密度，以及波浪的波高和波長。公式（4）雖考慮了塊體的連鎖作用，但只是取了一個(gè)粗略的連鎖系數(shù)，缺乏理論支持。此外連鎖混凝土具有不同于傳統(tǒng)護(hù)坡的良好滲透性，可以有效的降低波浪的浮脫作用而有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而該因素在上述公式中均沒有提到。因此工程上將這些公式用于連鎖混凝土的計(jì)算時(shí)結(jié)果都較保守。

4　結(jié)語

混凝土連鎖護(hù)坡塊體之間互相連鎖可增加護(hù)面層的整體性，有效減小護(hù)面層厚度。另外，由于護(hù)坡具有一定的滲透性，波生浮托力是砌塊護(hù)坡破壞的主要因素，因此增加護(hù)坡的滲透性同樣可有效減小護(hù)坡厚度。

由于國內(nèi)外在連鎖砌塊方面的研究較少，因此公式僅可作為初步設(shè)計(jì)時(shí)估算用，對于波浪要素影響較大的重要水利工程，仍需要通過模型試驗(yàn)確定砌塊厚度。

參考文獻(xiàn)：

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