透空块体安放方式对堤身稳定性影响试验研究

江 超，冯卫兵

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

透空块体安放方式对堤身稳定性影响试验研究

江 超，冯卫兵

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

随着人们环保意识的增强，自然石料来源越来越紧缺的前提下，透空块体将作为水运、水利及围垦工程的主要替代材料。然而透空块体的安放方式是影响堤身结构稳定性的重要因素之一。本文针对某一围垦工程的促淤堤，采用物理模型试验，研究了透空式四面体和透空式六面体其安放方式对堤身结构的稳定性影响，并在堤身稳定条件下测试了两种透空块体的空隙率。结果表明，对于透空式四面体由于块体之间的勾连性差，必须采用上下套叠安放才能保持堤身稳定，施工难度极大；而透空式六面体只需保持一定的间距，避免大面积块体水平叠放，即可满足稳定要求，且空隙率较传统抛石高，节省用料。

透空块体；块体安放方式；堤身稳定；空隙率

透空块体具有空腔结构，重量小，可以大大减轻结构自重，广泛应用于码头和防波堤的结构设计中。国内最早是中交第一航务工程勘察设计院于2003年提出和开发空心方块斜坡堤，谢世楞等［1］首次将空心方块体引入防波堤结构中，并且对空心块体斜坡堤的结构内力进行了分析［2］。周礼军等［3］研究了坡度对空心块体的消浪性能的影响。曲淑媛等［4］对多孔和单孔的透空块体摆放成斜坡堤和半圆形堤头的堤身稳定进行研究，提出了在满足设计要求的堤体空隙率情况下的人工透空块体的摆放网格。陈雪峰等［5］研究了暗基床上规则波作用下空心块体的失稳模式。刘猛［6］对新型空心块体的促淤堤的断面波浪特性展开了研究。陈旭达等［7］和房卓等［8］也对透空式结构进行了数学模型试验，为理论研究奠定基础。目前工程上不断提出新型的透空块体结构形式，由于透空块体之间的牵连性差，施工难度大，因此，对新型透空块体摆放方式与其结构稳定性的相互关系，开展试验研究是十分必要的。本文结合上海地区某工程的促淤堤设计断面，针对透空式四面体和透空式六面体的结构特性，分别设计了几种摆放方式，利用物理模型试验，比较了不同摆放方式的优缺点，在满足堤身稳定性的情况下，寻求比较合理、经济、便于施工的透空块体的摆放方式。

1 试验断面堤身结构及透空块体尺寸

1.1 试验断面堤身结构

堤身空隙率试验底高程设定为-2.6 m，堤顶高程为3.7 m。透空式四面体堤断面，堤前滩地高程为-2.6 m，堤顶高程为3.70 m，顶宽4.20 m，内外坡比均为1：1.25，采用单重约6.5 t的C60预制透空式四面体作为堤芯。内外坡脚各设一高程为-1.1 m，宽3.0 m的抛石护脚平台，护脚坡比为1：2。透空式六面体堤断面的滩地高程及堤身尺寸与上述透空式四面体断面相同，采用单重约为10 t的C30预制透空式六面体构筑堤芯。内外坡脚各设一高程为-0.6 m，宽3.0 m的抛石护脚平台，护脚坡比为1：3。两种堤身断面结构如图1、2所示（图中单位为m）。

1.2 透空块体尺寸

1.2.1 透空式四面体

透空式四面体块体采用素混凝土浇筑，单重为6.5 t，四面体棱长为2.7 m，四面均有正三角形开孔，其中底面开孔较大，开孔边长为1 830 mm，侧面开孔较小，开孔边长为954 mm。四角均做削角处理，其余交角处均设有加强角，避免应力集中。形状及尺寸如图1所示（图中单位为mm）。

图1 透空式四面体促淤堤堤身断面示意图Fig.1 Section of tetrahedron hollow block dike

图2 透空式六面体促淤堤堤身断面示意图Fig.2 Section of hexahedron hollow block dike

1.2.2 透空式六面体

透空式六面体块体也采用素混凝土浇筑，单重为10 t，透空式六面体边长为1.8 m，透空式六面体中央均有正方形开孔，开孔边长为0.6 m。形状及尺寸如图2所示（图中单位为mm）。

2 模型设计及试验方法

2.1 模型设计

试验在河海大学航道实验室80 m长的不规则波浪水槽中进行。水槽宽1.0 m，高1.6 m，有效试验断面0.5 m。模型按重力相似原则设计，模型比尺为1：25。模型块体采用水泥、黄砂、铁砂浇制而成，容重为2.3 t/m3，重量误差控制在±3%以内，几何尺度误差小于1%。两侧抛石棱体按单个称重控制在一定的范围内。堤坝波浪模型试验模型断面距生波板为45 m。

2.2 试验方法及试验组合

透空式四面体随机特殊的结构形式需要通过上下套叠增加块体之间的牵连性，底层块体定点随机安放，其他层块体的安放设计了四种不同的套叠方式，试验组次安排见表1。根据透空式六面体安放特性，底层块体分别采用不同间距的梅花交错式安放和不同间距的随机对齐式安放，并考虑到安放块体是否有扭角，设计了五组不同的底层块体安放方式，试验组次安排见表2。堤身断面波浪模型试验采用不规则波进行，每组重复试验3～5次。不规则波试验采用JONSWAP谱，试验中谱峰系数取为r=3.3。以上各组试验均用各风浪组合情况作用，波浪要素见表3。

图3 透空式四面体形状及尺寸Fig.3 Dimension of tetrahedron hollow block

图4 透空六面体形状及尺寸Fig.4 Dimension of hexahedron hollow block

3 试验结果分析

3.1 透空式四面体堤断面波浪模型试验

组次1：在多年平均潮位条件下即有块体滑落，各潮位与对应风浪组合条件下，仅累积作用一个风暴过程后，堤身即有失稳情况出现。

组次2：只有在多年平均高潮位遭遇100 a一遇风速组合波浪的作用下堤顶有个别块体晃动，晃动幅度为原型20 cm左右。其余组合作用下整个堤身均无出现块体位移或者滚落现象，堤身结构无变化，坡比和堤顶高程均可以保持原样。

组次3：表面仅有一层随机安放的块体，缺少块体之间的相互支撑作用，因此在多年平均高潮位遭遇100年一遇风速组合波浪的作用下，表面多个块体晃动，幅度相当于原型的25～50 cm。经波浪累积作用不足一个风暴过程的时间后，内侧坡已有4个块体滚落，坡度及堤顶高程均不能保持原样。

组次4：在各种潮位及相应的100 a一遇风速组合波浪分别作用一个风暴过程（相当于原型3 h）后，仅后坡1个块体出现滚落的现象，堤身整体结构无变化，坡比和堤顶高程均可以保持原样。

对于试验组次1，由于块体间没有相互嵌套，堤身结构松散，堤身难以抵挡波浪的水平冲击力。但是相对于其他三组试验的套叠方式，组次1的套叠方式施工难度最小。组次3由于套叠层数过多，顶部随机堆放的块体反而缺少相互勾连容易被波浪的水平冲击而失稳，且该组次的施工难度也最大。组次2、组次4的施工难度也比较大，但其结构在各种风浪组合作用后堤身能保持稳定。

3.2 透空式六面体堤断面波浪模型试验

组次1：在多年平均潮位遭遇100 a一遇风速的组合波浪作用初始，堤后坡已整体坍塌，大量块体滚落，导致块体失稳。

组次2：经各种潮位与对应波浪组合条件下的重复试验，堤身断面整体较为稳定，偶有个别块体滑落，但对堤身的整体结构、堤顶高程及坡比无影响。

组次3、组次4、组次5：在各种潮位及相应的波浪组合作用下，仅有个别块体表现出轻微晃动，无块体出现位移或滚落的现象，堤身整体结构稳定，坡比和堤顶高程均保持不变，在200 a一遇高潮位遭遇12级上限风速组合的波浪作用下亦稳定。

由此可见，由于组次1的底层块体间距较小，上层的块体几乎平行叠放于底层块体上，其间仅有微弱的摩擦力，不足以抵御波浪的水平力，无法满足堤身稳定性要求，其余4个组次均满足堤身稳定性要求。因此，对于六面体方块的堤身，应避免底层块体间距过小，由于底层块体排放过密，导致第二层及以上各层的块体处于水平叠放状态，难以抵御波浪冲击的水平力，使得堤身整体失稳。同时，在安放第二层块体时应保证块体倾斜插入底层空隙中，使堤身块体之间具有一定的相互支撑，确保断面结构的整体稳定。

表1 透空式四面体促淤堤堤身稳定性试验块体摆放方式Tab.1 Block placing methods of the experiments on stability of tetrahedron hollow block dike

表2 透空式六面体促淤堤堤身稳定性试验块体摆放方式Tab.2 Block placing methods of the experiments on stability of hexahedron hollow block dike

表3 试验波浪要素Tab.3 Wave parameters of the experiments

3.3 透空式块体堤身空隙率试验

试验中根据不同的促淤堤滩面高程、不同的底层块间距以及块体随机安放方式条件下的堤身空隙率进行了研究。为减小安放过程的随机性，块体安放重复6次。试验结果表明，透空式四面体促淤堤的空隙率在63%～67%之间变化，平均空隙率为64.968%，最大空隙率为66.677%。透空式六面体促淤堤的空隙率在61%～63%之间变化，平均空隙率为62.098%，最大空隙率为62.755%。由此可见，透空六面体的空隙率变化范围比透空四面体的略小，且无论是透空四面体还是透空六面体的空隙率均比天然石料要大，据此只要满足堤身结构稳定，透空块体较天然石料节省材料。

4 结论

（1）在一定的坡比下，人工透空四面体无套叠随机安放堆叠而成的促淤堤结构松散，块体间勾连性差，难以抵御波浪水平冲击力。虽然改进后的套叠安放方式对堤身抵御波浪水平冲击力有益，可保持堤身稳定，但是套叠层数和密度并非越大越好。套叠层数和密度越大，则会出现堤身中下部有较好的勾连性，而上部块体则勾连性差，导致上层块体难以抵御波浪水平冲击力而失稳，且套叠层数和密度越大，施工难度也越大。（2）人工透空六面体块体无法像透空式四面体一样套叠安放，如果上下层块体水平叠放无法抵御波浪水平力而失稳。将底部块体之间留有一定的间距进行安放，再将第二层块体倾斜插入空隙中，形成上下层块体嵌套结构，可抵御波浪水平冲击力。试验结果表明，底层块体之间的距离、角度都允许有一定幅度的变化，只需保证第二层块体倾斜插入空隙中，因而施工难度不大。（3）透空式四面体促淤堤的空隙率在63%～67%之间变化，平均空隙率为64.968%，最大空隙率为66.677%。透空式六面体促淤堤的空隙率在61%～63%之间变化，平均空隙率为62.098%，最大空隙率为62.755%。透空六面体的空隙率变化范围比透空四面体的略小，且两者的空隙率均比天然石料要大。

［1］谢世楞，谢善文，吴进，等.软基上的空心方块斜坡堤［J］.海洋工程，2004，22（4）：1-6. XIE S L，XIE S W，WU J，et al.Hollow-block Mound Breakwaters on Soft Soil Foundation［J］.The Oceaning Engineering，2004，22（4）：1-6.

［2］郄禄文，谢世楞.斜坡堤空心方块的内力分析［J］.中国港湾建设，2004（2）：10-12. QIE L W，XIE S L.Analysis of Internal Stress of Hollow Blocks for a Mound Breakwater［J］.China Harbour Engineering，2004（2）：10-12.

［3］周礼军，张浩，刘佳.坡度对新型六面空心块体消浪性能影响试验分析［J］.中国水运，2010，10（12）：236-237.

［4］曲淑媛，郭科，佟德胜.空心方块斜坡堤块体安放方法的试验研究［J］.水运工程，2005（2）：1-6. QU S Y，GUO K，TONG D S.Experimental Study on Block Placing Method of Hollow Block Sloping Dike.Port and Waterway Engineering，2005（2）：1-6.

［5］陈雪峰，王桂萱，李玉成，等.波浪作用下空心块体稳定性分析初探［J］.中国海洋平台，2007，22（2）：5-8. CHEN X F，WANG G X，LI Y C，et al.Study on the Stabilization of the Hollow Block under Wave Action［J］.China Offshore Platform，2007，22（2）：5-8.

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［7］陈旭达，张宁川.一种新型透空式防波堤水动力特性试验研究［J］.水道港口，2011，32（1）：7-11. CHEN X D，ZHANG N C.Study of Hydrodynamic Performance of a New-type Penetrating Breakwater［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32（1）：7-11.

［8］房卓，张宁川，臧志鹏.透空式梳式防波堤的数值模拟和波浪透射系数的研究［J］.水道港口，2011，32（2）：86-93. FANG Z，ZHANG N C，ZANG Z P.Numerical Simulations of Open Comb-type Breakwater and Research on its Wave Transmission Coefficient［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32（2）：86-93.

Experimental study on block placing method of the stability of hollow block dike

JIANG Chao,FENG Wei-bing
（College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

Under the condition of people′s awareness of environmental protection and the increasing shortage of natural stone sources,the major alternative material of water transportation,water conservancy and reclamation engineering is the hollow block.However,the placing method of the block is one of the important factors affecting the structural stability of the slope dike.In this paper,the study of the tetrahedron and hexahedron hollow block dikes was based on physical simulation experiment with a particular siltation embankment.Different placing methods were designed respectively to test the impact on the dike stability,and the void rate of steady dike was measured.The results show that the tetrahedron hollow blocks must be nested to maintain the stability of the dike due to the poor internal implication,but the construction is extremely difficult.The stability conditions of the hexahedron hollow blocks dikes could be given by keeping the space properly between the blocks in the bottom.It is worth noting that stacking these blocks extensively in the horizontal plane should be avoided.In addition,the void rate of this type of dikes is larger than the rate of dikes with traditional rock blocks.

hollow block;block placing method;dike stabilization;void rate

U 656.3；TV 139.16

A

1005-8443（2017）01-0016-04

2016-08-04；

2016-09-30

江超（1992-），女，江苏南通人，硕士研究生，主要从事河口海岸及近海工程水动力环境的研究工作。

Biography：JIANG Chao（1992-），female，master student.