人工护面块体实验室安放规律研究

王依娜，周加杰，陈松贵，陈汉宝，张 伟

(1.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456； 2.中交四航局 第二工程有限公司，广州 5103006)

1 概 述

斜坡式防波堤具有结构简单、施工方便和基础适应性强等特点[1]，因此在石料丰富的港口工程中，优先采用斜坡式防波堤。斜坡式防波堤主要由堤身石块和人工护面块体组成，而人工护面块体的稳定是保障整个防波堤正常发挥挡浪功能的关键。印度尼西亚是中国东盟最大的贸易伙伴，也是中国海外港口项目的主要所在地，但在印度尼西亚南岸，由于面对着广阔的印度洋，常年受到长周期涌浪的影响，波浪条件十分恶劣。《防波堤设计与施工规范》(JTS 154-1-2011)中规定：“设计波浪平均周期大于10 s或设计波高与设计波长之比小于1/30的坦波作用下，护面块体重量应通过模型试验验证。”[2]与中国沿海地区的波浪条件不同，印度尼西亚面临印度洋海岸波浪周期均大于10 s[3]，对于已建或在建的印尼南岸港口工程中，防波堤人工护面块体的重量均需通过物理模型试验得到。实验室中，人工护面块体的安放常常由实验员采用手摆的方式进行[4]，相对于现场施工的吊机安放，实验员摆放的块体更为紧密整齐，勾连性更好。因此，该实验方法降低了人工护面块体的安全可靠度，带来一定的失稳风险。

本文首先对现有的常用人工护面块体进行综述，讨论护面块体的稳定机理。其次，针对印尼防波堤工程中常用的两种护面块体——扭王字块(Accropode)和双联块体，采用人工摆放和机械摆放两种方式进行实验室安放试验，对块体的密实度和勾连性进行分析和讨论。

2 人工护面块体综述

2.1 人工护面块体种类

二战以前，斜坡式防波堤的护面块体主要以大石块或混凝土立方块为主。1950年，法国Sogreach水工试验所提出第一种自锁型人工护面块体四角锥体(Tetrapod)。随后的20年间，人们发明了数十种细杆型人工护面块体[5]，但大多数的人工护面块体只应用于少数的几个工程，最常用的块体是Dolos扭工字块(1963，俄罗斯)。1978年葡萄牙锡尼什港(Sines)防波堤失效的案例(初始设计使用的扭工字块)使得人们对细杆型护面块体的强度和稳定性重新进行考虑，后来该防波堤采用法国提出的Antifer立方块(1973)进行了修复。1980年，法国Sogreach水工试验所提出Accropode块体(扭王字块)。由于Accropode块体在结构强度和消浪性方面的兼顾以及单层随机安放的简便施工方法，一经提出便成为至今全球使用最为广泛的人工护面块体。接下来，美国提出的Coreloc块体(1996)和A-Jack块体(1998)也得到较为广泛的应用。与杆状自锁型护面块体平行发展的有单层空心块护面块体，其主要类型有Hollow Cube块(1991，德国)、Cob 块(1969，英国)、Shed块(1982，英国)和Seabee块(1978，澳大利亚)。2008年，中交一航院在Accropode块体的基础上，提出了结构更为复杂的双联型护面块体，该块体的稳定系数与Accropode类似[6]，并在印度尼西亚Gama工程中得到应用。

按块体安放方式，人工护面块体可分为两类——规则安放和随机安放。规则安放以空心立方块为主，除此以外，大多数的护面块体为随机安放。随机安放的护面块体发展经历了3代：第一代是以实心立方块、Antifer立方块等为代表，这一代块体形状简单，便于加工和制作，通常为双层随机安放块体。其最大的缺点是混凝土使用量较大，至今在一些混凝土价格比较便宜的地区仍有一些工程采用Antifer立方块作为人工护面块体。第二代是以Tetrapod四角锥、Dolos扭工字块为代表细杆型护面块体，此类型块体混凝土用量少，勾连性良好，通常为双层随机安放。其最大的缺点是块体本身的结构强度较低，双层安放施工比较复杂。第三代是以Accropode扭王字块、A-Jack块等为代表，这一类块体相对于第二代，通过增加单个块体的混凝土用量提升了块体结构强度，通常为单层随机安放。相对于双层安放的第二代块体，施工更为简单方便，消浪效果好，因此是目前工程中使用的主流块体。

2.2 人工护面块体的稳定机理

人工护面块体的稳定机理主要包括3方面：自重稳定、勾连稳定和摩擦稳定。

自重稳定是所有人工护面块体能够抗浪消浪并在斜坡上保持稳定的基础，根据Hudson公式[7]，块体的重量直接决定其抗浪稳定的能力。对于第一代人工护面块体，主要通过自重稳定来维持其在防波堤斜面上的稳定性。

勾连稳定是第二代和第三代护面块体区别于第一代的最大不同。通过块体与块体之间的交叉、重叠，使得块体之间发生自锁，提高了护面块体的整体性，进而使得相同重量的单个块体能够抵抗更大的波浪。Hudson公式中引入了稳定系数KD来表征勾连稳定对块体稳定重量的影响，KD越大，表明块体的勾连性越好。

摩擦稳定与勾连稳定的机理类似，但又有一定的不同。主要通过块体与块体之间相互挤压产生的摩擦力来提高护面块体的稳定性，利用摩擦稳定的块体外形一般都比较规则，便于加工和制作。镂空的内部结构一方面减少了混凝土用量，另一方面增加防波堤的消浪效果。

根据护面块体的稳定机理、安放方式和形状，将现有的常用人工护面块体分类列于表 1中，并给出每种块体的示意图[8-9]。

表1 人工护面块体分类

3 实验条件和方法

3.1 小型块体安放天车

为模拟施工现场的块体安放情况，加工的试验天车见图1。

图1 小型块体安放天车示意图

块体安放天车高0.9 m，横向导梁长度为1.2 m，截面为0.1 m边长的正方形，三角支撑底边宽0.7 m。纵向导梁长2 m。该实验室人工护面块体安放天车操作方便、简单。通过纵向导梁和横向导梁上的刻度标尺，可实现精准定位安放。块体的起吊、安放等过程全部采用该天车实现，能够最大程度地模拟现场块体施工过程，从而使块体稳定性试验结果更加可靠有效。纵向导梁长度和横向导梁宽度均可根据具体试验进行调整，适用范围广，该装置适用于实验室中二维断面物理模型试验和三维整体物理模型试验中人工护面块体的摆放。

3.2 模型设定

试验断面宽1 m，高0.6 m，坡比为1∶1.5。人工护面块体分别采用扭王字块和双联块体，扭王字块单块重236 g，高度为6.91 cm。双联块体单块重222 g，高度为6.78 cm。

试验时，分别采用人工摆放和机械摆放两种方式对块体进行摆放(图2)，将块体在坡面上摆成矩形，分别记录下矩形的沿坡面长度L和宽度B，为消除边界的影响，L和B的测量均为块体中心点之间的距离。L和B均在不同位置测量3次，取平均值，计算得到矩形面积S。

试验时，还利用弹簧秤测量每个块体滑动的水平力Fh和竖直力Fv，分别统计每排和每列的力的变化。每组实验重复3次，取平均值进行比较分析。

图2 扭王字块(左)和双联块体(右)摆放照片

4 实验结果分析

4.1 块体安放密度

扭王字块和双联块体的不同摆放方式的安放密度见表2和图3。可以看出，块体人工摆放的密度均大于机械摆放的密度，其中扭王字块多出6.36%，双联块体多出9.40%。从不同块体比较来看，相同重量的双联块体的百平米块数要少于扭王字块，两者之间存在差别的主要原因是双联块体为非对称异形结构，摆放时更容易出现较大的空隙。

表2 扭王字块和双联块体的不同摆放方式的安放密度

图3 扭王字块和双联块体不同摆放方式的安放密度

4.2 块体勾连性

分别对不同块体、不同摆放方式块体的临界水平滑动力Fh和临界竖直滑动力Fv进行测定，结果见图4和图5。可以看出，两种块体人工安放的块体临界滑动力均大于机械安放的值，且越靠中间越明显。对于扭王字块，Fh相差约50%，Fv相差约22%；对于双联块体，Fh相差约60%，Fv相差约19%，表明机械安放时的勾连性要小于人工安放。对于人工摆放的方式，双联块体的勾连效果要明显优于机械安放，但对于机械摆放，两种块体的勾连性没有明显的差别。这也从另一个角度说明人工安放时摆放的更为紧密，双联块体的非对称异形结构更容易实现块体的勾连。

图4 临界水平滑动力

图5 临界竖直滑动力

5 主要结论

本文综述了常用人工护面块体，并对护面块体的稳定机理进行了讨论。针对印尼防波堤工程中常用的两种人工护面块体——扭王字块和双联块体，使用自制的小型块体安放天车模拟施工现场块体吊机安放的施工过程，并与实验室中通常采用的人工摆放块体安放形式进行对比。研究发现，对于两种块体，机械摆放的块体密度和勾连性均低于人工摆放，密度低约5%～10%，勾连性低约20%～60%。