四脚空心消浪块体的研究进展综述

臧振涛，傅歆华

（1.浙江水院勘测设计研究有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

四脚空心块作为一种常见的消浪块体，与扭王字块、四脚锥体和扭工字块等相比，该块体不仅具有投资少、施工方便、外形美观、孔隙率高等优点[1]，而且利用与相邻块体间的摩擦力保持单个块体的稳定，使每个块体水动力稳定性的差异性很小、整体稳定性更好[2]。目前，四脚空心块常应用于气候条件不恶劣的外海或赶潮段的护面消浪结构中。

1 传统四脚空心块简介

20世纪60年代末，以空心造型为主的人工护面块体开始独立发展起来，其中四脚空心块是典型代表之一。四脚空心块主要依靠块体与块体之间的摩擦力保持相互稳定，同时为了保持其护面结构外观及整体稳定性，在设计过程中对预留的缝、高差等也有一定的要求[3]。最初日本提出安放2层四脚空心块作为护面结构，国内进行单层与2层安放模型试验。试验表明，单层安装与2层安装的稳定性基本一致，只是波浪爬高稍大[4]。此后，秦山核电站消浪护岸采用单层安装，并取得良好的防护效果。目前四脚空心块多采用单层摆放，使其具有孔隙率高、造价低等特点。

传统四脚空心块各部分尺寸主要是采用GB/T 51015 —2014《海堤工程设计规范》[5]及JTS 154 — 1 — 2011《防波堤设计与施工规范》[6]所提出的（见图1），并根据不同的防洪标准、波浪要素等进行计算稳定重量[7-8]，同时关于传统四脚空心块的预制及安装工艺，许多学者结合具体工程案例提出一系列成熟的方法[9-10]。目前，四脚空心块护面结构已在许多新建或加固的海堤、海塘、堤防等工程中应用[11-12]。

图1 四脚空心块形状尺寸图

2 块体结构形状优化

传统四脚空心块在被广泛应用时，表现出一些不足之处，如由于相邻块体间的“脚”部相互紧靠，当堤身发生不均匀沉降变形及遭受强风浪长期作用时，易发生“脚”部挤压破碎（见图2），降低护面结构的消浪效果以及外观效果。

图2 传统四脚空心块破坏图

2.1 新筑块体结构形状优化

为了解决四脚空心块“脚”部挤压破碎的问题，2012年陈振华在分析总结四脚空心块破坏形式及受力状况的基础上，提出一种“凸脚收分”的四脚空心块改进方法（见图3）[13-14]。该方法特点主要包括：①混凝土材料中掺加有三元共聚纤维或增强型聚丙烯纤维等阻裂工程纤维；②块体外侧“脚”改为具有收分的棱台形，使得其外侧面与铅垂线夹角 α 为 6° ～ 12°，内侧面与铅锤面夹角 β为 20° ～30°（见图3）。目前该四脚空心块已在萧围东线和余姚治江围涂的部分工段应用，并取得良好的效果（见图4）。

图3 改进四脚空心块示意图

图4 改进四脚空心块的现场效果图

2.2 已筑块体结构形状优化

对于按现有规范设计的已筑四脚空心块，其挤压破碎现象已越来越多，工程界常规的维修方法是将坡面上的四脚空心方块全部拆除后重新安装，并更新被挤碎的四脚空心块。然而，工程运行不久后又会出现新的凸脚挤碎现象，并没有从根本上解决凸脚挤碎问题。为此结合2.1节的块体改进思想，提出对已筑四脚空心块“脚”部的外侧进行“凸脚削角”处理，使相邻块体之间形成用于防止凸脚挤碎的空隙，以解决现有的凸脚容易挤碎的问题。“凸脚削角”主要包括垂直削角收分以及斜向削角收分（见图5）。

图5 传统四脚空心块的优化改进方案图

3 既有块体提标加固

20世纪90年代末，浙江省范围内的海堤（海塘）设计为50 a一遇防洪标准，消浪护面结构多采用四脚空心块为主，随着社会经济的快速发展，原有的海堤堤防工程已不能满足防护需求，需要进行提标加固。在提标加固时，充分利用原有四脚空心块、降低投资成本，2017年，陈忆蓉等人结合工程实际情况，提出相应的提标加固改进方法（见图6）[15]，主要对已有块体采用“凸脚削角”，同时在相邻块体缝隙间钻孔并在孔内填塞混凝土柱或灌混凝土，使块体之间相互“嵌卡”“链接”在一起，在保证其具有原孔隙率高、消浪效果好、节省建材等特点的同时，提高其护面结构的整体稳定性，达到提标加固的目的。

图6 既有四脚空心块护面提标示意图

针对新筑四脚空心块的提标加固，可在不增加块体重量的前提下，通过优化浇筑工艺，对块体的侧面结构尺寸作局部改进，使得相邻块体间的中间部分存在一凹一凸的面，利用“嵌卡”作用增加块体间嵌固力（见图7）。

图7 新筑四脚空心块护面提标示意图

4 块体优化原理分析

针对四脚空心块在实际工程应用中出现的“脚”部挤压破碎现象，通过分析上述优化改进方法可知，无论采用“凸脚收分”还是“凸脚削角”，其主要目的都是增加相邻块体间“脚”部的空隙，防止相邻块体间“脚”部因直接接触而发生挤压破碎的问题。这种块体优化改进方法还能够增加护面结构的表面粗糙度，使其消浪能力得以提升，降低工程施工、运行维护成本，提升护面结构的美观效果。

在四脚空心块护面结构提标加固的优化中，当采用“凸脚收分”“凸脚削角”并结合“嵌卡加固”工艺时，块体极限平衡下的受力简图见图8。

图8 四脚空心块受力简图

由图8可知，四脚空心块临界稳定力学平衡方程为：

W ′ cosα + Fμ+ Ft= Fn（1）

式中：W ′为块体浮重（kN）；Fμ为块体间的摩擦力（kN）；Ft为块体间的嵌卡力（kN）；Fn为法向波浪力（kN）。由式（1）可知，在四脚空心块重量、摩擦系数一定时，其所能承受的波浪力与块体间的嵌卡力成正比（斜率为1），如当卡槽孔径为20 cm，嵌套部分抗剪强度为3.2 N/mm2时，利用嵌卡作用产生的力为100.48 kN，能够很大程度上提高块体间的作用力。因此，利用“嵌卡加固”工艺，选择抗剪强度高的材料以提高相邻四脚空心块之间的相互作用力，在保证护面块体具有良好的孔隙率、消浪效果等特点的前提下，提高其抗风浪能力和整体稳定性是可行的。

5 结 语

四脚空心块作为一种常见的混凝土消浪块体，由于其具有孔隙率高、节省建材等特点，被广泛应用于沿海堤防工程中。文章结合工程实际，介绍传统四脚空心块的特点，并针对其在工程应用中出现的“碎脚”问题，总结分析“凸脚收分”的四脚空心块改进方法，并针对已有四脚空心块工程提出“凸脚削角”优化改进的方法。同时针对有关四脚空心块护面结构提标加固的问题，利用“凸脚收分”“凸脚削角”“嵌卡加固”等措施对新建、已建四脚空心块护面结构进行优化，并结合块体受力分析护面结构提标加固的效果。