四棱台状防汛堵口多面体混凝土预制块设计

陈 丹,魏月梅

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210006；2.江苏苏盛工程造价咨询有限公司，江苏 南京 210029)

1 研究背景

汛期洪水和风暴潮的侵袭能力超过河湖堤防抗御洪水的能力所造成的口门过流现象称为堤防决口.堤防发生决口水毁的过程中选择适当时机对口门进行封堵称为堵口.一直以来，河湖堤防决口封堵抢险中多采用直接抛石和铅丝笼、竹笼装石或大体积沙袋抛堵等传统方式.但这些堵口抢险材料需要外部调运、现场装填，施工强度大、作业难度高，而且由于单体重量小、无法岸上联结成整体，致使封堵效果受到的影响较大.另外，石料沙土等材料均为不可再生资源，过度开采不利于环境保护与区域生态文明建设.近年来，多面体混凝土预制块作为一种新型的防汛堵口材料在内河水域防汛抢险中正逐步得到研究应用并取得了较好的应用效果[1-3].工程实际表明，多面体混凝土预制块具有体积大、重量重、抗冲能力强，取材方便、生态环保、加工制作方便、可在施工现场联结成大块构件以进一步加大整体重量、能够有效削减流速快速封堵决口等诸多优点[4-6].为此，本文结合城市内河河流特征，对一种四棱台状多面体混凝土预制块进行了构件形状设计、水流冲击力计算、单体抗冲击力计算和稳定系数计算，并给出了应用于决口封堵工程实际的四棱台状多面体混凝土预制块的2个构建方案及其造价.

2 设计分析

2.1 构件形状

已有的研究成果和工程实际应用表明[7-10]，正四面体状多面体混凝土预制块和四棱台状多面体混凝土预制块是河湖堤防决口封堵抢险工程中最常采用的两种多面体混凝土预制块.比较而言，相同重量的正四面体状多面体混凝土预制块的体积较小、边棱较长，而且生产预制、码堆存储、单体相互联结等各方面均较为不便.因此本文推荐四棱台状多面体混凝土预制块，其形状尺寸(见图1).

图1 正四面体状多面体混凝土预制块构件示意图

根据以往研究成果和抢险施工实际要求，拟给出四棱台状多面体混凝土预制块的构建方案，并结合进行水流冲击力计算和单体抗冲击力计算后获取的稳定系数分析进一步确定和优化构件尺度.按照此思路，拟设定四棱台状多面体混凝土预制块的高度h=60～80 cm，拟选取斜面倾角α=60°～70°，考虑到在工程施工过程中也可以将四棱台状多面体混凝土预制块倒立放置，故选择顶面正方形边长b=50 cm(方案1)和b=60 cm(方案2)2个构建方案.

在方案1中，四棱台状多面体混凝土预制块顶面正方形边长b=50 cm、底面正方形边长a=100 cm，斜面倾角α需结合稳定系数和重量需求分析试算确定.据此推算，四棱台状多面体混凝土预制块积V为

(1)

式(1)中，V的单位为m3.

四棱台状多面体混凝土预制块单件重量T=2.4V=0.35tanα，单位为t；四棱台状多面体混凝土预制块单件浮重度T浮=0.2tanα，单位为t；四棱台状多面体混凝土预制块侧面面积S侧:

S侧=0.25(a2-b2)/cosα=0.187 5/cosα

(2)

式(2)中，S侧的单位为m2.

在方案2中，四棱台状多面体混凝土预制块顶面正方形边长b=60 cm、底面正方形边长a=120 cm、α为斜面倾角.据此推算，四棱台状多面体混凝土预制块积V：

(3)

式(3)中，V的单位为m3.

四棱台状多面体混凝土预制块单件重量T=2.4V=0.6tanα，单位为t；四棱台状多面体混凝土预制块单件浮重度T浮=0.35tanα，单位为t；四棱台状多面体混凝土预制块侧面面积S侧=0.25(a2-b2)/cosα=0.27/cosα，单位为m2；斜面倾角α需结合稳定系数和重量需求分析试算确定.

2.2 构件单体设计

为了进一步量化和优化四棱台状多面体混凝土预制块构件单体设计尺寸，运用恒定总流动量方程分析计算水流对预制块构件的冲击力，然后计算水流对预制块构件的冲击力和预制块构件抗冲击力(摩擦力)的比值，即可得到四棱台状多面体混凝土预制块构件单体稳定系数K，抢险施工实际对稳定系数的需求目标拟为1.2.

2.2.1 水流冲击力计算

四棱台状多面体混凝土预制块被抛入水之后，其所遭受的行近水流的冲击力FR可根据恒定总流动量方程：

FR=β0ρQV0

(4)

式中：β0—动量修正系数，取1.0；

ρ—水体密度，取1.0×103kg/m3；

Q—决口处水流流量，Q=A×V0， m3；

A—预制块上的水流冲击面面积，m3；

V0—水流行近流速，m/s.

2.2.2 单体抗冲击力计算

四棱台状多面体混凝土预制块自身的抗冲击力可通过下列公式计算：

f=T浮×μ

(5)

式(5)中，μ为四棱台状多面体混凝土预制块与基地之间的摩擦系数，通常可取为0.3.

运用式(5)计算可得：方案1中四棱台状多面体混凝土预制块的抗冲击力f=T浮×μ=0.06tanα，单位为t；方案2中四棱台状多面体混凝土预制块的抗冲击力f=T浮×μ=0.105tanα，单位为t.

2.2.3 稳定系数计算

四棱台状多面体混凝土预制块的稳定系数K为抗冲击力与冲击力比值，在上述计算中得到四棱台状多面体混凝土预制块所受冲击力FR及其抗冲击力f的基础上，计算方案1中四棱台状多面体混凝土预制块的稳定系数:

K=f/FR=

方案2中四棱台状多面体混凝土预制块的稳定系数：

K=f/FR=

如果沿行近水流流向布设单体相互联结的四棱台状多面体混凝土预制块，则块群的联结整体稳定系数为构件数n乘以单件构件的稳定系数.按上述规则可通过试算得出方案1和方案2中四棱台状多面体混凝土预制块联结整体稳定系数，试算过程(见表1～表2).

表1 混凝土预制块联结整体稳定系数试算过程表(方案1)

表2 混凝土预制块联结整体稳定系数试算过程表(方案2)

河湖堤防决口的已有研究成果表明，河湖堤防遇险决口后，决口处水流行近流速往往会增大到3.0～4.0 m/s，这就会使得单个混凝土预制块无法保持自身稳定，故需要根据工程实际中决口处水流行近流速的具体情况采用多件联结、整体抛投的方法进行封堵[9].基于已有研究成果和本文关于四棱台状多面体混凝土预制块的稳定系数的计算结果，并考虑到四棱台状多面体混凝土预制块的生产预制、运输存储和抢险施工等多方面的因素，工程实际中四棱台状多面体混凝土预制块构建方案1拟采用的尺度为顶面边长×底面边长×高=0.5 m×1.0 m×0.7 m，据此计算可知此时四棱台状多面体混凝土预制块的斜面倾角α≈70°、体积V=0.408 m3、单体重量T=1.0 t；构建方案2拟采用的尺度为顶面边长×底面边长×高=0.6 m×1.2 m×0.8 m，据此计算可知此时四棱台状多面体混凝土预制块的斜面倾角α≈70°、体积V=0.672 m3、单体重量T=1.6 t.另外，根据沿海港口类似工程概算定额进行造价估算，构建方案1中每个四棱台状多面体混凝土预制块造价约为430.0元，每个预制块所配套的钢丝绳、钢丝绳夹等联结件的造价约为15.0元；构建方案2中每个四棱台状多面体混凝土预制块造价约为640.0元，每个预制块所配套的钢丝绳、钢丝绳夹等联结件的造价约为16.0元.

3 结 论

四棱台状多面体混凝土预制块是一种新型的河湖决口封堵材料，具有体积大、重量重、易于预制、取材方便、生态环保、抗冲能力强、能快速封堵决口等诸多优点.为此，本文结合城市内河河流特征，对四棱台状多面体混凝土预制块进行了构件形状设计、水流冲击力计算、单体抗冲击力计算和稳定系数计算，并给出了应用于决口封堵工程实际的自重分别约为 1.0 t和1.6 t的四棱台状多面体混凝土预制块的2个构建方案及其造价.另外，综合考虑决口封堵工程应中的各种实际情况，四棱台状多面体混凝土预制块采用强度等级为 C25的混凝土进行预制、预制块表面设置构造钢筋网、棱台棱角处设置 3 cm 倒角，可有效避免存储、搬动、运输过程中的相互碰撞；四棱台状多面体混凝土预制块的两个顶面均预设暗槽式吊钩、4个侧面预设暗槽式联结扣环，可方便相邻构件的联结和码堆存储.

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