土堤加糙透水式预制块护坡消浪效果模型试验

李火坤，杜 磊，李怡静，徐旺敏，刘伍根



土堤加糙透水式预制块护坡消浪效果模型试验

李火坤1，杜 磊1，李怡静1※，徐旺敏2，刘伍根2

（1.南昌大学建筑工程学院，南昌 330031； 2.上饶市水利科学研究所，上饶 334000）

波浪爬高是确定土堤堤顶高程的重要参数之一，土堤坡面护坡的消浪效果将直接影响波浪的爬高，在土堤护坡工程中，光面混凝土预制块护坡应用最为广泛，但其消浪效果较差，为了解决这一的问题，该文以鄱阳湖上饶片区堤防工程为例，通过增加护坡预制块糙渗系数提出了凹槽嵌固式正六边形预制块、Z字型混凝土预制块和嵌固式四边形空心预制块等3种护坡体型，通过建立护坡消浪室内物理模型试验系统，对比分析了3种预制块相对于传统光面混凝土预制块护坡的消浪效果，提出了3种预制块糙渗系数计算取值。试验结果表明：与光面混凝土预制块护坡相比，该文设计的3种预制块护坡对波浪的爬高都有较大幅度的抑制，坡面上波浪爬高试验结果从小到大依次为凹槽嵌固式正六边形预制块、Z字型混凝土预制块、嵌固式四边形空心预制块、光面混凝土预制块；3种预制块护坡相对于光面混凝土预制块的波浪爬高衰减率（波浪爬高减小比例）依次为35.0%、30.2%和26.23%，计算得到对应的糙渗系数取值分别为0.76、0.77、0.79。综合消浪效果及节约工程成本分析，采用凹槽嵌固式正六边形预制块护坡最佳，具有良好的推广价值和发展前景。

堤防；预制结构; 护坡；消浪；模型试验；糙渗系数

0 引 言

近十几年来，江西省针对鄱阳湖区重点圩堤防洪标准低、险工险段多的问题，开展了湖区堤防的除险加固建设，其建设项目主要有圩堤加高培厚、护坡护岸、堤基堤身防渗处理、涵闸加固等[1]。为保护堤防免受洪水冲刷、风浪冲击，多数湖区或河段都需设置护坡；堤防工程建设中，通常采用混凝土、干砌石、浆砌石、模装混凝土、草皮等不同材料的护坡，用以提高抗冲、消浪、抗渗能力。当波浪行近堤岸时，水体沿堤坡斜面爬升的垂直高度称为波浪爬高[2]，湖泊与水库的堤岸、以及海塘等水工建筑物均由设计水位和波浪爬高来确定堤顶高程，因此护坡的消浪效果将直接影响堤防的设计高度。传统光面混凝土预制块护坡在我国土堤护坡工程中应用最为广泛，但其也存在消浪效果差，无排水反滤和安全性差等一系列问题[3-4]，为解决这些问题，新型防浪预制块的提出显得尤为重要，如农业引水湖泊及水库堤防防护工程中，护坡预制块具有良好的消浪效果，可提高水库堤防防洪能力，保障农业生产安全，同时预制块护坡可起到降低堤防工程水土流失的作用[5-6]，因此新型防浪预制块的提出对土堤护坡工程具有重要意义。

在预制块护坡体型结构及其消浪效果研究方面, Mutray等[7]根据法国格勒诺布尔水力研究和应用公司研制的扭王字块设计出X型块体，并对该块体进行了安放和结构强度的研究。Merrifield等[8]设计的扭工字块体（杜洛斯方块）在东伦敦港防波堤中应用非常成功，扭工字块体孔隙率大，能较好地降低波浪爬高。张玉清等[9]结合沈阳市鸟岛公园河道护坡工程，设计了铰接式混凝土砌块，并从水土保持效益、生态景观效应和经济效应3个方面进行了分析，表明该护坡具有良好的推广前景。邓海忠等[10-11]对传统正六边棱柱体混凝土预制块护坡的结构和功能进行了改进，设计出堤坝凹形反滤排水式混凝土护坡预制块。王旭君等[12]针对传统正六边形混凝土预制块所具有的特性，经过大量研究和分析，提出了设置有连锁反滤凹槽的混凝土预制块，改进后的混凝土预制块可降低工程成本。余广明等[13]设计了翼型和蛙式2种混凝土护坡预制块，并对其进行了抗浪性能试验，试验表明块体的抗浪性能优越。当前预制块研究主要针对结构设计及在实际工程中应用等方面[9-13]，对于预制块糙渗系数研究较少，而糙渗系数直接影响土堤护坡波浪爬高，是土堤堤顶高程设计必不可少的参数，因此糙渗系数的获取为预制块的应用和推广带来极大便利。本文以鄱阳湖上饶片区堤防工程为例，在前人研究的基础上，提出3种预制块护坡体型，并基于重力相似准则设计并建立了护坡消浪室内物理模型试验系统，开展了波浪爬高室内模型试验，对比分析3种预制块相对于传统光面混凝土预制块的消浪效果，计算这3种预制块糙渗系数，拟基于消浪效果的试验结果和工程造价提出最佳护坡体型，以期在土堤护坡[14-18]工程中得以推广和发展。

1 预制块护坡体型设计

1.1 预制块结构体型设计

土堤波浪爬高的主要影响因素有斜坡坡度、堤前水深、坡面糙率和透水性、风浪要素以及相对于建筑物的入射波向等[19-21]。为了改善传统光面混凝土预制块安全性和整体性差、无反滤排水、波浪爬高高等问题[12]，本文以增加预制块糙率和透水性为基本原则，提出了凹槽嵌固式正六边形预制块、Z字型混凝土预制块和嵌固式四边形空心预制块3种护坡体型，该3种预制块护坡相对于传统光面混凝土预制块护坡增加了凹槽、消浪坎、排水孔以及锁卡等结构，其中凹槽和消浪坎可以很大程度上增加预制块糙率，排水孔及锁卡之间形成的空隙加大了预制块透水能力，锁卡的设计还可防止预制块发生滑移，增加护坡的整体稳定性。新型预制块护坡结构尺寸的设计主要依据为《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）(以下简称“规范”)要求以及近年来学者对护坡预制块的研究成果[7-13]。

1）凹槽嵌固式正六边形预制块护坡。该预制块是基于传统光面混凝土预制块改良设计的，预制块为边长40 cm的正六边形结构。排水孔孔径按规范要求取值为10 cm；锁卡设计为梯形，顶面和底面宽分别为4和7 cm，厚度与预制块相等；消浪坎高为5 cm；凹槽截面为直径5 cm半圆，预制块结构如图1所示。

2）Z字型混凝土预制块护坡。参考“规范”所列工程案例：①美国的密西西比河采用的铰链混凝土排，由尺寸为122 cm×36 cm×7.6 cm的加筋混凝土板组成；②长江武汉河段天兴洲护岸采用的铰链混凝土板，尺寸为100 cm×40 cm×8 cm。基于上述工程案例取Z字型混凝土预制块尺寸为100 cm×55 cm。该护坡通过锁卡之间形成的空隙来增加透水性，因此相对于凹槽嵌固式正六边形预制块锁卡尺寸有所增加，短边上锁卡尺寸较大，顶面和底面宽分别为10和15 cm，高为20 cm，长边锁卡顶面和底面宽分别为10和20 cm，高为5 cm。消浪坎的高度为5 cm，预制块结构如图2所示。

3）嵌固式四边形空心预制块护坡。该护坡与Z字型混凝土预制块相似均为四边形结构，基于上述规范所举工程案例取嵌固式四边形空心预制块尺寸为80 cm× 60 cm。预制块4条边上均设置了梯形锁卡，锁卡顶面和底面宽分别为10和20 cm，高为5 cm，由于该预制块单块块体面积较大，因此设计中加大了排水孔孔径，为15 cm，消浪坎未单独设计，而是将预制块长边锁卡抬高5 cm组成消浪坎，凹槽截面为宽5 cm，高5 cm矩形，结构如图3所示。

设计的3种预制块中凹槽嵌固式正六边形预制块表面粗糙度较大，且整体铺设效果美观；Z字型混凝土预制块结构简单，制作和铺设方便，锁卡和消浪坎尺寸较大，单个块体抗冲刷能力强，不易发生冲刷破坏；嵌固式四边形空心预制块结构较为复杂，但锁卡之间作用牢固，单个块体稳定性好，其中凹槽嵌固式正六边形预制块和嵌固式四边形空心预制块凹槽与排水孔之间相互连通，可加速预制块护坡表面水流排出，防止凹槽中滞留水流形成水垫层影响消浪效果。

1.2 预制块厚度计算

在波浪压力和浮托力作用下，为满足预制块护坡整体稳定要求，预制块护坡厚度可按《水工设计手册》中公式计算

式中为预制块厚度，m；为安全系数，可采用坝坡稳定安全系数；γ为钢筋混凝土容重，t/m3；γ为水的容重，t/m3；为沿堤坡方向预制块长度，m；为堤坡与水平线所成夹角，(°)；2为设计波高，m。

本文根据鄱阳湖上饶片区风浪特性按上式计算得凹槽嵌固式正六边形预制块厚度为12 cm，Z字型混凝土预制块和嵌固式四边形空心预制块厚度为15 cm。

2 预制块护坡消浪物理模型试验材料与方法

2.1 模型试验设计与试验装置

本次模型试验基于重力相似准则设计，以鄱阳湖上饶片区饶北河防洪堤左岸为例进行模型制作，堤防原型高度为5 m，堤防斜坡坡率=1∶2.5，模型几何比尺为1∶10。本次模型试验在波浪水槽中进行，水槽两侧为透明玻璃，总长8 m，宽0.4 m，高1 m，在水槽尾端填筑堤防模型，斜坡迎水面前侧放置造波机，如图4所示。造波系统采用推板式造波机，推板与槽底铰接且转动角度可供调节，以此产生不同波高的波浪，通过调节造波机控制器可产生不同周期的波浪，如图5所示。

各预制块按选定几何比尺1∶10制作，为保证试验结果的准确性，对光面混凝土预制块进行勾缝处理，反滤层采用2 cm厚细沙垫层和土工布组合进行反滤[22-23]。各预制块护坡铺设效果如图6所示。

1.预制块护坡 2.反滤层 3.土体 4.造波机

1.Prefabricated block revetment 2.Inverted filter 3.Soil 4.Wave maker

注：为堤前水深；为波高。

Note:is water depth;is wave height.

图4 试验布置示意图

Fig.4 Schematic diagram of experimental arrangement

a. 光面混凝土预制块护坡a. Smooth concrete prefabricated block revetmentb. 凹槽嵌固式正六边形预制块护坡b. Concave and embedded regular hexagon type prefabricated block revetment c. Z字型混凝土预制块护坡c. Z type prefabricated concrete block revetmentd. 嵌固式四边形空心预制块护坡d. Embedded quadrangle type prefabricated hollow block revetment

模型试验分别在3种不同堤前水深和3种不同造波周期组合工况下进行，即每组堤前水深分别进行3种不同造波周期下的波浪爬高试验。每种预制块模型在不同工况下共进行了9组试验，测量各组试验波浪爬高。波浪爬高测量采取摄影测量法[24-25]，波浪在坡面爬高的确定采用坡面波浪痕迹及摄影捕捉相结合的方法确定，该摄影测量为二维目标测量，在堤防模型两侧设置标尺，摄像机镜头与堤防斜坡面保持平行，则坡面上图像将按一定比尺缩小呈现在像平面上，找出视频中波浪爬高最大时刻截取图片，借助AutoCAD工程软件读取斜坡面上波浪爬高（水痕最高处）在标尺上读数；该方法的测量精度在模型试验之前进行了测试，每10 cm误差在±1 mm左右。

2.2 模型试验工况

模型试验堤前水深分别为23.6，30.6和37.15 cm，波浪周期分别为1.5，1.875和2.5 s，即各预制块都进行9个工况的模型试验，分别测量各工况坡面波浪爬高[26-29]，试验工况如表1所示。

表1 试验工况

3 模型试验结果与分析

3.1 消浪效果对比

模型试验中发现，各预制块坡面的最大波浪爬高均出现在前几个周期中，因此本文测量前20个周期各预制块波浪爬高值并取出最大波浪爬高进行消浪效果对比，统计9种工况下最大波浪爬高如表2所示。

表2 预制块坡面最大波浪爬高

除工况3、工况4和工况6外，其余6种工况坡面最大波浪爬高从小至大的总体规律依次为凹槽嵌固式正六边形预制块、Z字型混凝土预制块、嵌固式四边形空心预制块、光面混凝土预制块。从试验数据来看，工况3、工况4和工况6与其余6种工况下的坡面最大波浪爬高规律出现差异，其主要原因是该3种工况下波浪水流在坡面上出现了扰动现象，当坡面回落水流正好与来波相遇时，坡面波浪水流将发生扰动；由于波浪水流扰动的发生受波浪周期、波浪爬高以及回落水流流速等多个因素影响，因此在试验中很难避免，且同一工况下各预制块扰动程度也会不同；从试验拍摄的视频中可以看到，工况3和工况6下嵌固式四边形空心预制块扰动明显，工况4下光面混凝土预制块扰动明显。由于波浪水流扰动对预制块的消浪效果分析会产生一定程度的误判，因此在分析预制块护坡消浪效果时，该3个工况数据不计入最终的统计分析。

本文以光面混凝土预制块波浪爬高为基准，计算新设计的3种预制块相对于光面混凝土预制块波浪爬高衰减率用以分析其消浪效果，计算公式如下

式中为本文设计的3种预制块相对光面混凝土预制块波浪爬高衰减率，%；R为本文设计的3种预制块波浪爬高，m；R为光面混凝土预制块波浪爬高，m。

计算结果如表3所示，以该衰减率评定设计的3种预制块的消浪效果，由表3中数据可知，设计的3种预制块护坡中，凹槽嵌固式正六边形预制块护坡相对于光面混凝土预制块护坡消浪效果最好，波浪爬高衰减35.0%，其次是Z字型混凝土预制块，波浪爬高衰减30.2%，最后是嵌固式四边形空心预制块，波浪爬高衰减26.23%。

表3 各工况下3种预制块相对于光面混凝土预制块消浪效果

3.2 预制块糙渗系数计算

根据规范中波浪爬高计算公式

式中R为累计频率为的波浪爬高，m；Δ为斜坡的糙渗系数；为经验系数；为波浪爬高累计频率换算系数；为斜坡坡率，=cot；为堤前波浪平均爬高，m；为堤前波浪波长，m。

同一工况下，式（3）中除糙渗系数不同外其余各参数取值均相同，光面混凝土预制块糙渗系数取值在规范中已给出为1.0，根据试验中测量的光面混凝土预制块波浪爬高及新设计的3种预制块波浪爬高，采用比值法计算3种预制块糙渗系数[30]，计算结果如表4所示。

表4 预制块坡面最大波浪爬高及3种预制块糙渗系数

在实际工程设计中出于偏安全考虑，因此取6种工况中各预制块糙渗系数计算最大值作为最终取值，即凹槽嵌固式正六边形预制块糙渗系数为0.76，Z字型混凝土预制块糙渗系数为0.77，嵌固式四边形空心预制块糙渗系数为0.79。

3.3 工程造价分析

预制块护坡工程造价对比主要分为2个部分，一是相同厚度下各预制块护坡混凝土用量，二是根据消浪效果降低堤顶高程情况，通过这两部分对比分析综合评定各预制块护坡工程造价。

取相同厚度为15 cm的凹槽嵌固式正六边形预制块、Z字型混凝土预制块、嵌固式四边形空心预制块和光面混凝土预制块护坡计算其每100 m2护坡面积混凝土用量，计算公式如下

式中为每100 m2堤防所需混凝土用量，m3；V为各预制块单个块体混凝土用量，m3；S为各预制块单个块体所占面积（包括部分空隙面积），m2。

计算结果如表5所示，由表可知，同等厚度的情况下，凹槽嵌固式正六边形预制块相对于光面混凝土预制块每100 m2护坡面积混凝土用量减少17.13%；Z字型混凝土预制块增加14.67%；嵌固式四边形空心预制块减少11.40%。3种预制块相对于光面混凝土预制块波浪爬高均有所衰减，堤顶高程也可相应减小。以光面混凝土预制块护坡波浪爬高为1 m为例，凹槽嵌固式正六边形预制块护坡相对于光面混凝土预制块护坡可降低堤顶高程0.35 m，Z字型混凝土预制块护坡可降低堤顶高程0.30 m，嵌固式四边形空心预制块护坡可降低堤顶高程0.26 m。

表5 工程造价分析

综上分析可知，3种预制块相对于光面混凝土预制块护坡工程造价都有所降低，从造价考虑其中凹槽嵌固式正六边形预制块最好，其次是嵌固式四边形空心预制块，最后是Z字型混凝土预制块。其中凹槽嵌固式正六边形预制块相对于光面混凝土预制块消浪效果最好，且混凝土用量最少，故选取凹槽嵌固式正六边形预制块为最佳护坡体型。

4 结 论

本文以鄱阳湖上饶片区堤防工程为例，设计了3种防浪预制块，通过室内模型试验，研究了设计的凹槽嵌固式正六边形预制块、Z字型混凝土预制块和嵌固式四边形空心预制块相对于传统光面混凝土预制块的消浪效果，采用比值法计算了该3种预制块的糙渗系数，并进行了工程造价对比。得到主要结论如下：

1）波浪爬高受很多的因素影响，其中糙渗系数是非常重要的一个参数，当增大预制块表面糙率和透水性时，可以很大程度上降低波浪爬高。

2）凹槽嵌固式正六边形、Z字型、嵌固式四边形空心预制块中凹槽嵌固式正六边形预制块护坡相对光面混凝土预制块护坡波浪爬高衰减35.0%，糙渗系数为0.76；Z字型混凝土预制块波浪爬高相对光面混凝土预制块护衰减30.2%，糙渗系数为0.77；嵌固式四边形空心预制块波浪爬高相对光面混凝土预制块护坡衰减26.23%，糙渗系数为0.79。凹槽嵌固式正六边形预制块消浪效果最好，同时该预制块护坡体型具有最低的工程造价，为最佳护坡体型。

本文结果对于改善鄱阳湖区堤防护坡具有实用价值，波浪爬高的减小意味着可以降低堤防的堤顶高程，减小堤防工程量，降低工程造价。本文研究结果同样可以适用于其他地区的土堤护坡工程，但预制块厚度需根据实际工程中的风浪特性进行计算确定。

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Model test on wave dissipation effect of roughened embankment with permeable prefabricated block for slope protection

Li Huokun1, Du Lei1, Li Yijing1※, Xu Wangmin2, Liu Wugen2

(1.,,330031,; 2.,334000,)

Wave run-up is a key parameter in determining the crest elevation of earth embankments, and it is considerably affected by the wave reduction effect of protection slope. Smooth concrete prefabricated block is widely used in the slope protection of embankments. However, its wave reduction effect is relatively poor. To solve this problem, 3 new kinds of prefabricated blocks were designed to improve the wave reduction effect by increasing the roughness coefficient of the prefabricated block, including concave and embedded regular hexagon type prefabricated block, Z type prefabricated concrete block and embedded quadrangle type prefabricated hollow block. According to the formula in Handbook of hydraulic structure design, the thickness of prefabricated block was calculated, and then a laboratorial physical model experiment was performed in a wave flume for the slope protection and wave dissipation. Nine tests were carried out under 3 water depths (23.6, 30.6 and 37.15 cm) and 3 wave periods (1.5, 1.875 and 2.5 s). In the experiment, waves were produced by a wave maker, and the wave run-up was measured by a photogrammetric method. The wave reduction effects of the 3 new kinds of prefabricated blocks were assessed by the reduction ratio of the wave run-up compared with the smooth concrete prefabricated block. Additionally, the values of the 3 new kinds of prefabricated blocks’ roughness coefficient were proposed. The experiment results showed that, compared with the smooth concrete prefabricated block, the 3 kinds of prefabricated blocks proposed in this paper had obvious inhibiting effects on wave run-up. The concave and embedded regular hexagon type prefabricated block had the most inhibiting effect, followed by the Z type prefabricated concrete block and embedded quadrangle type prefabricated hollow block. Their wave run-up decay rates (the reduction ratio of the new designs to the smooth concrete prefabricated block) were 35.0%, 30.2% and 26.23%, respectively, and corresponding roughness coefficients were 0.76, 0.77 and 0.79, respectively. Finally, the economic benefits of the 3 kinds of new designed prefabricated blocks were analyzed in this paper. It was mainly divided into 2 parts, the revetment concrete amount with the same thickness, and the extent of crest elevation reduction by the wave reduction effects. According to the comprehensive comparison and analysis, the concave and embedded regular hexagon type prefabricated block consumed less concrete amount, which decreased by 17.13% compared with the smooth concrete prefabricated block, and wave run-up was more reduced. For example, if the wave run-up of the smooth concrete prefabricated block was 1.0 m, the concave and embedded regular hexagon type prefabricated block would be 0.65 m, the Z type prefabricated concrete block would be 0.70 m, and the embedded quadrangle type prefabricated hollow block would be 0.74 m. Consequently, considering the effect of revetment wave and economic benefit, the concave and embedded regular hexagon type prefabricated block is the best choice in the slope protection and has popularization value and development prospects.

embankments; prefabricated construction ; slope protection; attenuate waves; model test; roughness infiltration coefficient

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.021

S277; TV871

A

1002-6819(2017)-04-0146-07

2106-06-15

2017-02-13

国家自然科学基金项目(51269019，51469015，41501454)；江西省水利厅科技项目（KT201439）。

李火坤，男，湖南长沙人，教授，博士，主要从事水工水力学与工程安全检测方面研究。南昌南昌大学建筑工程学院，330031。 Eamil：lihuokun@ncu.edu.cn

李怡静，女，江西南昌人，副教授，博士，主要从事水利工程安全监测方向研究。南昌南昌大学建筑工程学院，330031。 Eamil：ejinn@ncu.edu.cn

李火坤，杜 磊，李怡静，徐旺敏，刘伍根. 土堤加糙透水式预制块护坡消浪效果模型试验[J]. 农业工程学报，2017，33(4)：146－152. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.021 http://www.tcsae.org

Li Huokun, Du Lei, Li Yijing, Xu Wangmin, Liu Wugen. Model test on wave dissipation effect of roughened embankment with permeable prefabricated block for slope protection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 146－152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.021 http://www.tcsae.org