聚氨酯碎石護坡波浪作用特性

丁 潔，董永福

(中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120)

沿海地區圍堤、防波堤、護岸等斜坡式結構多采用人工塊體護面，以消弱波浪作用、降低波浪爬高。人工塊體護面用量大、造價高，如能在護面結構和材料選取等方面取得突破和創新，可以取得良好的經濟和社會效益。聚氨酯碎石護坡是利用聚氨酯優良的物理力學及黏結性能，將碎石整合為一個強度大、多孔隙的整體結構，孔隙結構通過吸收外荷載作用達到消浪、降低爬高的效果。國際上，聚氨酯碎石常用于道路路面、河道防沖結構、堤壩護面，相關研究與應用[1-2]持續了20余年。在國內，聚氨酯碎石常用于透水路面結構[3-4]，并開展了大量關于結構設計與材料配比、結構透水性能、材料強度與力學特性等研究；在河口地區航道整治建筑物中，作為堤身材料，開展了空心塊體生態堤結構[5]等有關生態結構的研究，但尚未能開展工程應用；在內河航道工程護岸上，作為護面結構開展了工程應用[6-7]，也在波浪條件下開展了波浪爬高及波壓力的室內試驗研究[8]，在風浪較大的河口地區堤壩上尚未開展過相關工程應用和研究。

本研究開展了風浪作用較大的河口地區的堤壩上聚氨酯碎石護坡的工程設計與應用，并通過理論研究、現場監測與物理模型試驗進行對比分析，進一步對聚氨酯碎石護坡的結構穩定性、消浪效果及波浪力分布特征開展研究。

1 基本情況

1.1 設計方案概況

護坡結構應用于橫沙東灘某大型灘涂整治工程，現場試驗位置選擇在工程砂庫北圍堰上，總長度108 m。

堤壩采用袋裝砂堤身，道渣貼坡后鋪設450 g/m2無紡土工布與30 cm厚的碎石墊層，邊坡坡度1:2；碎石墊層外側鋪設聚氨酯碎石護坡，根據聚氨酯碎石厚度不同分為3段，坡頂厚度分別為20、25、30 cm，每段長度36 m。見圖1。

圖1 聚氨酯碎石護坡試驗斷面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 現場監測與物模試驗

1.2.1現場監測方案

在聚氨酯碎石護坡上(厚度25 cm)，沿斷面方向等距離安裝6個波浪壓強測點，在外側平臺(2.0 m)上設置1個壓力式水位計和1個壓力式波浪傳感器，同步采集水位和波浪數據。波浪壓強測點及波浪、水位監測點布置見圖2。

圖2 監測斷面

1.2.2室內物理模型試驗

斷面物理模型試驗[9]在水槽中進行，用來研究聚氨酯碎石護坡結構的穩定性、波浪爬高以及波壓力分布規律。試驗采用正態模型，按照Froude數相似律設計。根據模型砂的選取、設計水位、波浪要素、試驗斷面及試驗設備條件等因素，模型幾何比尺取1:15。試驗采用的聚氨酯及碎石與原型密度一致，聚氨酯碎石護坡滿足重力相似。護面厚度滿足幾何相似，在相同級配規律條件下，孔隙率與原型相同。根據相關研究成果[10-12]，為滿足護面受力與原型滿足重力相似，當幾何比尺取1:15時，塊石粒徑比尺取1:10。波浪按重力相似準則模擬，不規則波波譜采用JONSWAP譜，每組試驗不規則波波數大于150個，每組試驗重復3次。

在聚氨酯護坡外表面和內表面分別安裝波浪測點同步測量壓強。點位布置與現場監測點位布置相同。斷面物理模型試驗開展了表1所示的兩組水位及波浪條件的研究，波浪壓強測量研究組次見表2。波浪爬高在坡度為1:3的單坡結構上，采用50 a一遇設計水位和波浪條件開展試驗研究。

表1 物理模型試驗水文條件

表2 波浪壓強測量物理模型試驗組次

2 結構穩定性分析

聚氨酯碎石護坡在聚氨酯黏結劑的黏結作用下形成整體，提高了碎石材料的強度，同時其多孔隙結構消散與吸收了波浪沖擊力。目前，聚氨酯碎石護坡的護面及邊坡尚無有效理論公式計算確定。根據歐洲相關機構研究成果和示范工程應用情況，聚氨酯碎石護坡厚度取值范圍為10～30 cm。物理模型試驗采用20、30 cm兩種厚度開展試驗研究，現場工程采用了20、25、30 cm共3種厚度，通過測量和觀察的方式判斷結構穩定性。

根據室內物理模型試驗成果，對厚度分別為20和30 cm、邊坡坡比1:2的聚氨酯碎石護坡(碎石粒徑20～40 mm)結構開展研究。結果表明堤頂、斜坡及坡腳處的聚氨酯碎石護坡均為穩定狀態。

在現場監測時段里，出現了幾組波浪較大的情況，各組監測水位和波高見表3。在這幾組波浪作用下，聚氨酯碎石護坡結構穩定、防護效果良好。

表3 結構特征與水文條件

因此，綜合現場監測情況和物理模型試驗結果可以認為，在1:2邊坡坡度下，20～30 cm厚的聚氨酯碎石護坡可抵御H13%不小于3.0 m的波浪作用。

3 波浪爬高分析

聚氨酯碎石護坡通過多孔結構吸收波能，有效減小了波浪爬高。

根據行業標準，斜坡堤波浪爬高計算公式如下：

R=KΔR1H

(1)

R1=K1th(0.432M)+[(Rl)m-K2]R(M)

(2)

(3)

(4)

R(M)=1.09M3.32exp(-1.25M)

(5)

式中：R為波浪爬高(m)；KΔ為與斜坡護面結構形式有關的糙滲系數；R1為KΔ=1、H=1 m時的波浪爬高(m)；H為建筑物所在處進行波的波高(m)；M為與斜坡的m值有關的函數，m為斜坡坡度系數；(Rl)m為相應于某一d/L時的爬高最大值(m)，L為波長(m)；d為建筑物前水深(m)；R(M)為爬高函數；K1、K2、K3為系數，按規范[9]取值。

在結構邊坡尺度和波浪條件相同的情況下，式中R1、M、(Rl)m、R(M)等與護面結構的糙滲系數都無關。因此，護面結構的糙滲系數KΔ是一個相對獨立的計算參數，波浪爬高R與之成線性關系。結合有關聚氨酯碎石護坡波浪爬高的研究成果、物理模型試驗，研究聚氨酯碎石材料的糙滲系數KΔ。

1)相關研究(與混凝土板護面的對比)。荷蘭代爾夫特科技大學等機構對巴斯夫公司生產的聚氨酯碎石護坡開展了波浪爬高研究，研究表明：由于聚氨酯碎石護坡的粗糙表面和多孔隙構造具有高導水率特征，大部分波能耗散發生在波浪爬高過程中。與不透水的護坡(混凝土板護面)相比，聚氨酯碎石護坡的波浪爬高可顯著降低15%～25%。根據行業標準，混凝土板的糙滲系數為0.9。因此，在相同的結構尺度和波浪條件下，可以估計聚氨酯碎石材料的糙滲系數為0.68～0.77。

2)工程現場監測。根據現場對聚氨酯碎石護坡和附近亂石混凝土(類似拋石外澆筑混凝土)護坡爬高的同步量測，分別為4.45～4.90 m和5.23～5.93 m。與亂石混凝土相比，聚氨酯碎石護坡降低波浪爬高約20%～23%。結合波浪條件，估算得聚氨酯碎石材料的糙滲系數為0.75～0.85。

工程現場爬高獲取數據不穩定，可能存在一定誤差。總體上，以上兩種方式結果較為接近。因此，在工程設計中，取0.80～0.85是安全的。

4 波壓強特征分析

現場監測與物理模型試驗條件并不是一一對應的。一是現場水文要素的不確定性，監測結果未能與物理模型試驗完全匹配；二是現場監測的聚氨酯碎石護坡厚度與物理模型試驗也不一致。因此，對兩項波壓強數據進行處理：先將測量波壓強值扣減凈水壓強，以消除水位不同的問題；再將壓強值經公式P/(ρgH)處理為相對波壓強，以消除波高不同的問題。

4.1 波壓力分布形態

現場監測得到護面上波壓力分布形態與室內試驗有一定相似性。水位附近波浪力最大；水位以上部分，波壓力越往上越小，衰減較快；水位以下部分，波壓力越往下越小，但較水位以上的區域衰減較慢，見圖3。這與柵欄板、混凝土面板等面板型護面結構受力分布相似。

圖3 實測與物模波壓力分布

4.2 波壓強值

經公式P/(ρgH)處理后，現場測得的每組相對波浪壓強最大值為0.35～0.68。相近波高下(組1和組2，組3和組4)，水位越高，相對波壓強越?。幌嘟幌?組1和組4、組2和組3)，波高越大，相對波壓強越小，均成反比特征，見圖3和表4、5。

表4 現場監測組相對波浪壓強P/(ρgH)

室內物理模型試驗測得的每組相對波浪強最大值為0.50～0.64，且與水位、波高關系不大，見表5。

表5 室內試驗對照組相對波浪壓強P/(ρgH)

與物理模型試驗比較，在波高較大的情況下，現場監測的相對波浪壓強P/(ρgH)偏小。經現場調查，這可能是現場波高監測點設在堤腳平臺處，在波浪較大的時段，波浪反射作用影響大。同時，由于研究監測點位未連續布置，最大波壓強可能有漏測情況，根據物理模型試驗結論，聚氨酯碎石護坡上最大波壓強不小于0.5ρgH。

5 結語

1)聚氨酯碎石護坡是利用具有生物親和性化學黏結劑聚氨酯(PU)的優良物理力學及黏結性能，將碎石強化整合為一個堅固、穩定多孔隙的整體結構，從而實現吸收外荷載作用，達到消浪、防沖的效果。本研究選擇了風浪較大的河口堤壩，開展了護面結構設計與結構特性研究等，并首次在大風浪地區應用了20、25、30 cm共3種厚度的聚氨酯碎石護坡結構。

2)采用理論研究、物理模型試驗和現場監測相結合的手段，進一步對聚氨酯碎石護坡的特性和作用機理、波浪作用下爬高、結構受力特點和分布情況開展了研究，得到以下研究結論：①在H13%=2.0～3.0 m的波浪作用下，邊坡1:2、厚20～30 cm的聚氨酯碎石護坡是穩定的；②與混凝土板相比，聚氨酯碎石護坡能有效降低波浪爬高，工程設計中糙滲系數可取0.80～0.85；③聚氨酯碎石護坡水位附近波壓強最大，且不小于0.5ρgH。

致謝：本文得到了項目組徐元、陳海英、黃東海、楊一琛、王曉峰及南京水利科學研究院項目物理模型試驗研究組等的大力支持，在此表達誠摯的尊敬和衷心的感謝！