人工護面塊體實驗室安放規律研究

王依娜，周加杰，陳松貴，陳漢寶，張 偉

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，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構簡單、施工方便和基礎適應性強等特點[1]，因此在石料豐富的港口工程中，優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面塊體組成，而人工護面塊體的穩定是保障整個防波堤正常發揮擋浪功能的關鍵。印度尼西亞是中國東盟最大的貿易伙伴，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。《防波堤設計與施工規范》(JTS 154-1-2011)中規定：“設計波浪平均周期大于10 s或設計波高與設計波長之比小于1/30的坦波作用下，護面塊體重量應通過模型試驗驗證。”[2]與中國沿海地區的波浪條件不同，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，人工護面塊體的安放常常由實驗員采用手擺的方式進行[4]，相對于現場施工的吊機安放，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面塊體的安全可靠度，帶來一定的失穩風險。

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

2 人工護面塊體綜述

2.1 人工護面塊體種類

二戰以前，斜坡式防波堤的護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面塊體四角錐體(Tetrapod)。隨后的20年間，人們發明了數十種細桿型人工護面塊體[5]，但大多數的人工護面塊體只應用于少數的幾個工程，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(初始設計使用的扭工字塊)使得人們對細桿型護面塊體的強度和穩定性重新進行考慮，后來該防波堤采用法國提出的Antifer立方塊(1973)進行了修復。1980年，法國Sogreach水工試驗所提出Accropode塊體(扭王字塊)。由于Accropode塊體在結構強度和消浪性方面的兼顧以及單層隨機安放的簡便施工方法，一經提出便成為至今全球使用最為廣泛的人工護面塊體。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用。與桿狀自鎖型護面塊體平行發展的有單層空心塊護面塊體，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塊體的基礎上，提出了結構更為復雜的雙聯型護面塊體，該塊體的穩定系數與Accropode類似[6]，并在印度尼西亞Gama工程中得到應用。

按塊體安放方式，人工護面塊體可分為兩類——規則安放和隨機安放。規則安放以空心立方塊為主，除此以外，大多數的護面塊體為隨機安放。隨機安放的護面塊體發展經歷了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，通常為雙層隨機安放塊體。其最大的缺點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仍有一些工程采用Antifer立方塊作為人工護面塊體。第二代是以Tetrapod四角錐、Dolos扭工字塊為代表細桿型護面塊體，此類型塊體混凝土用量少，勾連性良好，通常為雙層隨機安放。其最大的缺點是塊體本身的結構強度較低，雙層安放施工比較復雜。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構強度，通常為單層隨機安放。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 人工護面塊體的穩定機理

人工護面塊體的穩定機理主要包括3方面：自重穩定、勾連穩定和摩擦穩定。

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

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

摩擦穩定與勾連穩定的機理類似，但又有一定的不同。主要通過塊體與塊體之間相互擠壓產生的摩擦力來提高護面塊體的穩定性，利用摩擦穩定的塊體外形一般都比較規則，便于加工和制作。鏤空的內部結構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。

根據護面塊體的穩定機理、安放方式和形狀，將現有的常用人工護面塊體分類列于表 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，橫向導梁長度為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。縱向導梁長2 m。該實驗室人工護面塊體安放天車操作方便、簡單。通過縱向導梁和橫向導梁上的刻度標尺，可實現精準定位安放。塊體的起吊、安放等過程全部采用該天車實現，能夠最大程度地模擬現場塊體施工過程，從而使塊體穩定性試驗結果更加可靠有效。縱向導梁長度和橫向導梁寬度均可根據具體試驗進行調整，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面塊體的擺放。

3.2 模型設定

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

試驗時，分別采用人工擺放和機械擺放兩種方式對塊體進行擺放(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，分別統計每排和每列的力的變化。每組實驗重復3次，取平均值進行比較分析。

圖2 扭王字塊(左)和雙聯塊體(右)擺放照片

4 實驗結果分析

4.1 塊體安放密度

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

表2 扭王字塊和雙聯塊體的不同擺放方式的安放密度

圖3 扭王字塊和雙聯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進行測定，結果見圖4和圖5。可以看出，兩種塊體人工安放的塊體臨界滑動力均大于機械安放的值，且越靠中間越明顯。對于扭王字塊，Fh相差約50%，Fv相差約22%；對于雙聯塊體，Fh相差約60%，Fv相差約19%，表明機械安放時的勾連性要小于人工安放。對于人工擺放的方式，雙聯塊體的勾連效果要明顯優于機械安放，但對于機械擺放，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，雙聯塊體的非對稱異形結構更容易實現塊體的勾連。

圖4 臨界水平滑動力

圖5 臨界豎直滑動力

5 主要結論

本文綜述了常用人工護面塊體，并對護面塊體的穩定機理進行了討論。針對印尼防波堤工程中常用的兩種人工護面塊體——扭王字塊和雙聯塊體，使用自制的小型塊體安放天車模擬施工現場塊體吊機安放的施工過程，并與實驗室中通常采用的人工擺放塊體安放形式進行對比。研究發現，對于兩種塊體，機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%。