一种新型单层人工块体Crablock 的工程应用

杨小龙

(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

护面结构是抛石斜坡堤至关重要的组成部分，直接关系到防波堤的可靠性。 护面结构的类型从最初的块石护面， 逐渐发展成各种不同类型的混凝土人工护面块体。

人工护面块体从最初的的方块(Cube)， 到1950 法国率先成功发明的四角锥人工块体(Tetrapod)[1-3]， 相继出现多种不同类型的人工块体， 如1963 年南非发明的扭工字块(Dolos)、1973 年法国发明的Antifer 块体。 1981 年法国发明AccropodeTM单层块体后， 单层块体发展迅速——1996 年美国发明Core-Loc 块体， 1999 年法国发明性能更优越的AccropodeTMⅡ块体，2001 年荷兰发明Xbloc 块体。 这些人工块体都得到广泛的应用， 并积累了丰富的工程设计与施工经验。

本文介绍阿拉伯联合酋长国发明的一种新型单层人工块体Crablock， 如图1a) 所示。 该块体完全对称并在2014 年成功应用于某防波堤项目，如图1b) 所示。 Broere[4]、 Bonfantini[5]、 Salauddin等[6-7]对该块体进行了一系列的物模试验研究， 得到该块体的主要性能指标。 为此， 本文总结对比该块体与上述几种主流的单层块体设计参数及施工方法的异同， 为使用该块体的防波堤项目的设计与施工提供参考。

图1 新型单层人工块体Crablock

2 物理模型试验

2.1 块体摆放形式

Salauddin 等对14 种摆放形式和摆放密度的组合进行研究， 其中11 个断面中采用了常规的1∕10护面块体质量的垫层块石， 3 个矩形规则摆放的断面中采用了更小些的1∕25 护面块体质量的垫层块石。 典型的矩形规则摆放和金字塔规则摆放如图2所示。

图2 块体典型摆放形式

试验中Crablock 的坡度为1∶4∕3， 类似Accropode。块体摆放的试验结果如下:

1)采用1∕25 块体质量的偏小垫层块石时， 块体按照矩形规则摆放后联锁效果好， 安装密度能达到较高的0.68∕(Dn为块体等效宽度)。 常规的1∕10 块体质量的垫层， 对矩形规则摆放不适用。

2)金字塔随机摆放时， 块体的联锁效果良好，安装密度能达到0.61∕。 但坡面上矩形规则摆放几乎无法实施。

2.2 块体越浪量

为了测定Crablock 块体的越浪特性， 现有的物模试验研究采用了EurOtop[8]中计算越浪的堤角处波高Hm0。 Salauddin 等的试验结果表明: 对于不同的块体安装密度和摆放形式， 试验测定的越浪量基本相同。

此外， 将实测的越浪量结果与采用van der Meer 等在EurOtop 中提出的新斜坡式防波堤越浪公式计算的结果(按糙率系数γf=0.45)以及欧洲某越浪量试验项目获得的其他单层块体的越浪量结果进行对比分析。 结果表明: Crablock 块体实测的越浪量比经验公式计算结果大， 也比欧洲越浪量试验研究中单层块体Accropode、 Core-loc 和Xbloc 的越浪量偏大。 表明Crablock 块体的糙率系数比0.45 大。

式中:q为平均越浪量；g为重力加速度；Hm0为有效波高； α 为防波堤护面坡角； γb为肩台折减系数； γf为糙率系数； γβ为斜向浪折减系数； γν为挡墙折减系数； ξm-1，0为相似度系数；Rc为挡墙顶部到水面的超高。

2.3 块体稳定性

Rock Manual中人工块体的稳定数Ns和破坏指标Nod， 即块体等效宽度内护面层中脱落的块体数量定义如下:

式中:KD为块体稳定性系数； α 为斜坡堤的角度；Hs为设计有效波高； Δ 为相对密度；N为护面层脱落块体总数量；B为试验段宽度；Dn为块体等效宽度。

Salauddin 等对该块体在2 种摆放形式(即矩形、金 字 塔) 及3 种 安 装 密 度(即0.69∕、0.66∕、0.63∕)对应的块体摆放的试验结果表明:

1)块体发生脱落破坏时， 块体的稳定系数Ns均不小于2.8；

2)块体安装密度0.63∕时， 2 种摆放形式下， 即使波浪较小时， 块体均出现较大的位移和晃动。 考虑到实际工程中一旦出现过大的位移或晃动可能导致块体出现断肢等破坏， 而且金字塔形摆放的最大密度只能达到0.63∕， 所以决定该块体不能采用金字塔形安装方式， 且安装密度不能低于0.63∕。

参考AccropodeTM、 Core-Loc 等单层块体的设计容许破坏标准， 即Nod=0， 并考虑到单层块体一旦破坏就失效的严重后果， 选取Crablock 稳定系数时也考虑了1.5 的安全系数， 试验最终结果如下:Ns取值在2.8～3.3。

3 同等类型块体对比

单层人工块具有稳定性高、 混凝土用量较传统的双层人工块体大大减少等优势， 因此在防波堤工程中得到广泛的应用。 人工块体的设计[9-11]重点是稳定性和可靠性。 块体安装方式的复杂程度也是块体选型设计的重要因素。

结合上述Crablock 块体的物模试验， 对该块体 与 AccropodeTM、 AccropodeTMⅡ、 Core-Loc、Xbloc 4 种主流的单层人工块体在安装方式、 越浪量、 稳定性等方面的性能进行对比分析， 结果如表1 所示。

表1 Crablock 块体与同等类型块体的性能参数对比

从以上可知: Crablock 块体的稳定指标偏高，考虑到该块体目前的应用案例仅有1 个， 但其余4 种块体已积累了丰富的工程应用经验， 因此实际工程应用时对该块体的稳定系数取值须结合物模验证， 同时须参考其余块体进行120%设计有效波浪工况的进一步验证。

该块体在试验中矩形规则摆放形式表现出良好的稳定性和联锁效果， 可达到较大的安装密度，并且规则摆放比随机摆放更具美感， 是该块体在中东地区应用的原因之一。

然而， 与上述4 种主流的单层人工块体不同，Crablock 块体需要在更小的垫层块石上才能够获得更好的块体联锁和更大的安装密度， 以此获得更高的稳定系数， 这与常规垫层质量取1∕10 的块体质量差别较大， 设计时须注意， 并加强施工期的防护措施。

该块体的实际糙率系数推荐值在已有的物模试验中还未明确， 但根据物模实测的越浪量结果，其糙率系数比0.45 更大， 建议初定断面高程时可按同等类型块体的糙率系数考虑， 最终由物模试验确定。

该块体的安装密度系数比其余4 种块体都大，意味着同等情况下该块体的混凝土用量以及块体预制安装的数量都会增加。

4 结论

1)Crablock 的稳定数Ns在2.8 ～3.3 之间， 比当前主流的块体有较大的提高。 须注意的是， 设计时稳定数取值越大， 容许发生的块体位移和晃动的数目越大。 容许破坏Nod=0 时， 只计入从护面层中脱落块体的个数， 而未计入发生位移和晃动的块体数目。

2)建议按照矩形规则安装的方式， 以获得良好的联锁效果及较大的安装密度， 从而有利于块体的稳定。

3)该块体在采取矩形规则安装方式时， 须采用比传统设计1∕10 块体质量更小的垫层块石， 即1∕25 的护面块体质量。 因此， 施工期在未安装块体前， 须加强施工期的临时防护措施。

4)该块体的越浪糙率系数有待进一步研究，但糙率系数不小于0.45 已得到试验验证。 设计时须结合物模试验确定最终的越浪量。