海外常用护面块体选型及设计

薛瑞龙，王福强，王玉平

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 概述

斜坡式海防构筑物是一种较经济的防护结构，它主要依靠堤身保护堤后水域或陆域及相关构建筑物避免遭受波浪侵袭、水流冲刷或泥沙淤积。斜坡式防护构筑物主要由堤心和护面层组成，而护面材料通常可用天然石料或人工混凝土块体。天然石料是较经济的方案，坚固耐久但消浪性不佳，当水深较大时所需石料的重量将会快速增大，所以许多工程咨询公司与研究机构研发了多种形状各异的人工护面块体替代天然石料。

在我国，常用的人工护面块体有四角锥体、扭工字块、扭王字块和栅栏板等，近年以扭王字块应用较多。扭王块是我国学者在上世纪80年代学习消化国外的AccropodeTM后进行了部分修改优化，并经30多年的运用，逐步成为我国最流行的人工护面块体。

在海外，人工块体的研究和应用非常积极，不断出现了以AccropodeTMII型、Core-LocTMI型、Core-LocTMII型、EcopodeTM和Xbloc@为主的钩联型块体，此类块体强健性好、消浪性佳、稳定性强、并可单层施工，应用非常广泛。本文结合所接触的设计和施工项目，介绍海外常用人工护面块体优缺点和应用研究，以供科研、设计和施工单位参考[1]。

2 海外常用人工护面块体

2.1 Tetrapod（四角椎体）

上世纪50年代，法国开发了一种异型人工护面块体——Tetrapod，见图1（a），该块体双层安装，主要以自重和钩联作用以达到稳定。

图1 人工护面块体型式Fig.1 The typesof artificial armor blocks

2.2 Dolos（扭工字块）

上世纪60年代，南非开发了Dolos块体，见图1（b），它以混凝土用量少以及便于施工成为当时最为流行的人工护面块体，该块体也是双层安装，以钩联作用达到稳定。

2.3 AccropodeTM I型和II型

上世纪80年代由法国开发了AccropodeTMI型，见图1（c），该块体是迄今为止全球最为流行的人工护面块体，我国的扭王字块也是以AccropodeTM为原型开发的。它是在当时学界逐渐认为单层安装比双层安装更加稳定的背景下开发出来的。该块体单层安装，减少了数量，节约了混凝土以及安装数量，并且不会出现像双层安装块体那样易发生滚落导致双层变单层而稳定性突降的情况。随后在本世纪初，为了节约混凝土用量进一步优化开发了AccropodeTMII型，见图1（d），两块体都以钩联作用达到稳定。

2.4 Core-LocTM I型和II型

上世纪90年代，美国陆军工程兵团开发了较AccropodeTMI型更加省料的Core-LocTMI型，见图1（e），以及本世纪初开发的Core-LocTMII型，其较I型变化不大。Core-LocTM块体造型纤细，单层安装，以钩联作用达到稳定，并且可以作为修复块体与扭工字块共同使用。

2.5 EcopodeTM

上世纪90年代法国又开发了一种环境友好型块体EcopodeTM，见图1（f），其视觉效果与天然石料相近，适用于海洋生物环境要求高的水域。该块体也是单层安装，以钩联作用达到稳定。

2.6 Xbloc@

本世纪初，在AccropodeTM的基础上DMC开发了一种新变体——Xbloc@，见图1（g），根据DMC在一定条件下进行比较认为该块体是省料最多的人工块体。该块体单层安装，稳定性高，以钩联作用达到稳定。

3 海外常用人工护面块体选型和对比分析

3.1 选型因素

一般EPC承包商或咨询设计方对人工护面块体的选型需要从稳定性、经济性、强健性和其他四方面分析确定。

3.1.1 稳定性

人工块体的稳定性分析可以分为：1）整体稳定性；2） 个体稳定性；3）残余稳定性。

整体稳定性是指构建筑物对波浪的整体防护能力，即破浪消能作用，主要受到块体的类别、整体空隙率以及安装方式（随机或规则安装）影响。在设计上，通常用稳定数Ns（用稳定数公式计算：在单位长度Dn范围内发生移动的块体数）或稳定系数KD（用Hudson公式计算）来评价块体的整体稳定性（见表1和表2）。

表1 堤身稳定系数KD表Table 1 The breakwater body stability coefficient KD

个体稳定性是指人工块体安装后自身在波浪作用下的抗滚抗滑等作用，主要与块体的重量和钩联效果有关，通常在设计方面不考虑。

残余稳定性是指如果人工块体在波浪作用下发生了滚滑或者块体断肢后的整体稳定和个体稳定作用，该方面研究尚不多，多数以增大块体重量提高稳定性储备为主要手段，但未考虑块体本身的形状效果。

表2 稳定数Ns表（坡度比1V∶1.5H）Table2 The stability number Ns(the ratioof slope is1V:1.5H)

3.1.2 经济性

从上世纪90年代以来开发的新型人工块体都以省料、方便施工为目的。最重要因素即安装层数，单层安装相较双层安装大大减少了混凝土用量以及安装个数。此外改进块体形状，增加块体整体孔隙率，减少材料量也是需要考虑的因素（见表3）。而在施工成本方面，优先选用易于预制，易于储存，易于转运以及易于安装的块体。总的来说，单层安放钩连型块体比双层安放经济性优秀。单层安装块体的经济性主要体现在混凝土用量方面，在施工方面如储存、转运和安装等方面差别不大。

表3 护面块体混凝土用量对比表Table 3 Comparativetable of theconcreteconsumption for armor blocks

3.1.3 强健性

人工块体的个体强健性直接决定了构建筑物的寿命，一般可以对块体进行3D建模分析其在波浪作用下的应力云图，或者可直观的从其外观进行选型，如粗壮型的AccropodeTM比纤细的Core-LocTM更加强健。此外，块体的强健性对块体的最大重量也有直接关系，如AccropodeTM最大可以做到28 m3，Core-LocTM最大仅能预制到11 m3，并且前者预制时可以配置钢筋，后者不建议配置。

另外块体的强健性还与块体安装破损率有关，以南亚某集装箱深水港的防波堤项目为例，采用了Core-LocTM块体，根据块体大小不同其安装破损率在0.5%~1%左右，块体越大，越容易破损。

3.1.4 其他

1） 环保性

在欧美发达国家，政府和个人都十分注重新建或改扩建构建筑物对周围生物的影响，所以选用更加环境友好型的块体非常必要，并且块体混凝土用量也与环保性有间接关系。以英国某项目为例，政府部门根据水工结构在海水中所使用的混凝土用量多少而进行审批，因为混凝土在海水里会释放不同的离子，影响海洋植物和鱼类。

2） 美观性

随着我国经济的增长，旅游业越加发达，近年来游艇码头或大型海滨浴场的需求非常旺盛，对相关的防波堤和护岸的视觉效果要求成为了关注点，所以建议选用美观性更佳的块体。EcopodeTM视觉上更接近天然石料，Core-LocTM支腿纤细安装过渡平滑视觉整体性好。图2分别是EcopodeTM，Core-LocTM和Xbloc@安装效果图，可进行视觉比较。

图2 护面块体安装效果图Fig.2 Install effectsof thearmor blocks

3） 修复性

海洋构建筑物经常遭受台风或长期季风的影响，此外由于各种施工因素，会导致个别块体滚滑或破损，必须尽快修复，例如Core-LocTM与Dolos可进行相互修补。

4） 专利

在海外，使用上述块体都需要向特定企业缴纳块体使用专利费，特别是在完全使用外资的情况下。仍以南亚某集装箱深水港的防波堤项目为例，Core-LocTM块体专利费约占块体相关造价的6%，约占总合同额的1%。

3.2 对比分析

针对以上选型因素的分析，表4总结了海外常用人工护面块体的对比情况。

表4 护面块体选型对比表Table4 Comparativetableof thetypeselection of armor blocks

4 海外常用人工护面块体设计应用研究

一般人工块体设计包括块体稳定重量、水下肩台、压脚石以及相应基础处理设计。

4.1 人工块体稳定重量设计

块体稳定重量设计一般采用Hudson公式或稳定数公式计算[2~3]。

4.1.1 Hudson公式

式中：Hs为设计波高 H13%；Δ = ρr/ρw-1，ρr和 ρw为块体和水的密度；Dn为块体名义尺寸；KD为块体稳定系数，见表1；cotα为护面坡度。

该公式的表述不同于国内直接使用块石/块体重量的方式，而采用了块石的中值粒径Dn，并根据等效立方体换算得到人工块体的体积V=Dn3。

4.1.2 稳定数公式

式中：Ns为稳定数，见表2。

人工块体的稳定重量设计已较成熟，可直接根据波高查表选取块体大小，而对于上述公式，Hudson公式和稳定数公式的实质是相近的，只是考虑方向和表述不同。

4.2 肩台设置

通常为了减少成本，坡面设计会采用“一坡到底”的形式，以减少堤心材料。但是，当水深逐渐增大时，该型式会出现以下问题：

1）水下垫层石施工难度增大，垫层石质量降低，不利于块体安装；

2）块体陆上安装距离增大，要求更大型号吊机，成本将增加；

3）块体个数增加，其沉降趋势增大。

如果一味采用“一坡到底”的形式，当超过一定深度后，结构经济性和安全性反倒不佳；同时，相关规范和资料也对人工块体在坡面的数量进行了限制，如国标要求扭王字块不超过18块[4]，Xbloc@技术规格书要求其不超过20块。所以建议在设计低水位以下1.5~2.0倍设计波高以下可增设肩台，而具体设计需根据现场设备、建材价格以及物模实验综合考虑肩台的设置及其标高。

4.3 压脚石及相应基础处理设计

压脚石的设计可分为稳定重量计算和基础处理方式两方面，稳定重量计算通常采用稳定数公式（深水区）或范德米尔公式（浅水区，即视为护面石考虑）。基础处理方式需根据地质情况区分，砂质地基可采用铺设土工布与二片石结合处理，或开挖基坑回填碎石处理；岩石地质可不处理直接安放块体和压脚石，见图3。

图3 坡脚基础处理方式Fig.3 The foundation treatment of slope toe

5 结语

国内水工施工企业纷纷进入海外市场，经常采用中国扭王字块进行设计和施工，扭王字块因经济性、环保性以及专利等问题，在许多地区都受限制，特别是外资投资项目。所以有必要将国外更流行的人工防护块介绍给国内同行。

本文从块体的稳定性、经济性、强健性、环保性、外观性等方面对海外经常使用的人工块体进行了对比分析，对常用人工块体的稳定重量、水下肩台设置和压脚石及相应基础处理设计进行了总结。

[1] 朴正，马小舟，董国海.斜坡式建筑物上异形人工护面块体的发展及应用[J].中国水运，2013（7）：298-300.PIAO Zheng,MA Xiao-zhou,DONG Guo-hai.Development and application of abnormal artificial armor blocksfor slopingbuildings[J].China Water Transport,2013(7):298-300.

[2]CIRIA,CUR,CETMEF.Therock manual[M].London:CIRIA C683,2007.

[3]CHL.The coastal engineering manual[M].The USA:Coastal Hydrauucs Laboratory,2002.

[4]JTJ154-1—2011，防波堤设计与施工规范[S].JTJ 154-1—2011,Code of design and construction of breakwaters[S].