装配式生态预制块力学特性研究及应用

楚万强 李欢 张玉昶

关键词：装配式生态预制块；库岸边坡；力学特性

目前，全国已经建成了大、中、小水库９．８万多座［１］，总库容８９８３亿ｍ３，已基本建成江河防洪、城乡供水、农田灌溉等水利基础设施体系，而水库边坡防护的安全与稳固是水利基础设施体系发挥作用的重要保障［１－２］。水库护坡按材料及施工工艺不同可分为堆石护坡、干（浆）砌石护坡、现浇混凝土板护坡、机织模袋混凝土护坡、混凝土预制块护坡、生态护坡等［３－５］。

库岸迎水坡受波浪冲击严重，水位涨落及水流冲刷易对坡体造成破坏。近年来，多位学者从理论、试验及数值模拟层面对预制块护坡进行了研究［６－１０］。根据《堤防工程管理设计规范》（ＳＬ／Ｔ１７１—２０２０）［１１］，防洪工程须满足下列条件：１）经久耐用，抵抗水流冲刷能力较强，也有很高的抗磨损能力；２）对河床的挤压、变形有很强的抵抗能力；３）施工方便，有利于迅速修整、维护；４）便于取材，提高经济效益。针对上述要求，装配式混凝土预制块是一种合适的护坡选择。本文对一种库岸边坡装配式生态预制块单体强度和多体力学特性进行试验研究和数值测试，并介绍了其在工程实践中的应用情况和应用潜力。

１装配式生态预制块单体强度

混凝土预制块设计时必须保证护坡结构稳定，有一定的柔性和自我修复能力、抗折能力，以及施工中便于搬运和铺设，同时考虑混凝土砌块最优消浪性能的开孔率（７．５％）以及强度、密度。以Ｐ．Ｏ４２．５普通硅酸盐水泥、人工砂和粒径５～１５ｍｍ碎石为试验原材料，在基本明确配合比后，对水灰比为０．５、１．０的预制块试样进行室内试验，得到其强度参数（内摩擦角和黏聚力）随龄期变化曲线，见图１、图２。

对比可知，随着龄期的增长，水灰比为０．５、１．０的试样强度参数均快速增长，其中水灰比为１．０的试样内摩擦角在龄期为６０ｄ后增长减缓，而水灰比为０．５的试样内摩擦角继续快速增长。此外，仅龄期为７ｄ时水灰比为０．５的试样内摩擦角略小于水灰比为１．０的，其余龄期数据显示，水灰比为０．５的试样内摩擦角和黏聚力均大于水灰比为１．０的，故最终选用水灰比为０．５。

通过对单体预制块进行一系列尺寸参数的拉伸、压缩和剪切力学性质测试，并充分考虑现场生产施工简便性后，确定单体预制块尺寸。在力学强度指标差异不大的情况下，尽量考虑较大尺寸，以减少预制块生产数量，最终确定装配式生态预制块长×宽尺寸以５００ｍｍ×５００ｍｍ为主。对于预制块厚度，首先通过计算得到适宜的厚度。根据Ｐｉｌａｒｚｙｋ公式、Ｂｒｅｔｅｌｅｒ公式［１２］与潘军宁等根据砌块护坡稳定性系列试验研究导出的公式［１３］，计算得到１２０、１５０、１８０ｍｍ共３种厚度。然后采用等效应力（Ｍｉｓｅｓ应力）对３种厚度单体预制块力学行为进行有限元数值模拟［１０］，其物理力学参数见表１。

单体预制块拉伸、压缩、剪切加载方式下最大应力见表２。厚度变化对预制块应力分布影响较小，最大应力差别不大。

对３种厚度的单体预制块养护情况进行观察，厚度１５０、１８０ｍｍ的预制块表面粗糙、美观度低、养护成本高、易产生裂缝。最终确定采用厚１２０ｍｍ、碎石粒径为５～１５ｍｍ、水泥用量３００ｋｇ／ｍ３、抹面厚３～５ｍｍ的预制块。这种装配式生态预制块具有质量较轻、便于搬运安装、节约原材料、强度高等优点，能有效降低波浪冲击对护坡造成的影响，且通过改变砌块的铺砌方式和颜色能形成美丽的景观。

２装配式生态预制块护坡机制研究

采用方块规整排列、方块交错排列和拼接镶嵌排列３种多体排列方式（模型示意见图３），进行整体结构拉伸、压缩、剪切加载数值测试。

２．１整体结构拉伸加载数值测试

３种多体排列方式整体结构拉伸数值测试结果见图４。规整排列与交错排列预制块之间没有连接能力，其连接能力仅取决于块体间黏结材料的抗拉强度，且拉断后彻底不再具有连接能力。而带有拼接槽的装配式生态预制块的抗拉能力由块体间黏结材料抗拉强度和拼接槽提供的自身抗拉强度确定。此种预制块在承受拉力达到黏结强度后也会出现块体间部分断裂分离情况，在继续拉伸情况下上部开始相互接触继续受力，拼接槽可确保超额拉力的传导，使其他块体持续分担拉力，从而使得多体结构具有良好整体性。

对拼接镶嵌排列预制块整体结构进行抗拉强度参数敏感性分析。整体结构初始拉裂由切应力和拉应力共同作用造成。初始抗裂过程中轻微提升黏聚力比提升抗拉强度更为有效。纵向拉力加载下，黏聚力与列间开裂关系较大，抗拉强度与行间开裂的关系较大。开始拉伸时，预制块间主要受块间摩擦力（切应力）和局部拉应力作用。较低黏聚力和抗拉强度的部分很快分离，高抗拉强度和黏聚力部分则整体不分离。在后续拉伸过程中列间分离主要受黏聚力影响，黏聚力小则列间分离快，且分离区域多。行间分离主要受抗拉强度影响，抗拉强度越大，则整体结构承受的拉应力越大、越不易开裂。

２．２整体结构压缩加载数值测试

对预制块整体结构进行压缩加载数值测试（垂直压缩荷载方向上整体结构位移云图见图５）。竖向压缩荷载作用下预制块行间不会出现竖向分离情况，但在泊松效应下，横向即压缩荷载垂直方向上发生变形并引起列间开裂分离。方块规整排列情况下结构会发生整列完全分离，方块交错排列情况下预制块因缝隙不连续而在压缩时呈现交错分离。

分析压缩断裂情况，初期压缩加载因泊松效应而引起结构列间发生不均匀变形，进而块体间产生摩擦力和拉应力。加载初期黏聚力与抗拉强度越大块体越不易分离。在后续压缩加载过程中，列间分离主要受黏聚力影响，黏聚力小则结构列间分离较快。

２．３整体结构剪切加载数值测试

对３种多体排列方式整体结构进行剪切加载数值测试。方块规整排列情况下，结构断裂发生在中部剪切带。方块交错排列情况下，其错位排布引起原本出现在结构中部的裂隙向两边扩散，且中部受到挤压，出现一个高应力区。拼接镶嵌排列情况下，拼接槽的凸起接触作用导致应力向结构中间传递，进而引起两侧列间发生错位挤压，护坡体系两侧出现高应力区域，因此拼接镶嵌排列方式结构具有更好的抗剪整体性。

通过单体预制块的力学分析可以得出，预制块受拉伸、压缩、剪切荷载作用时应力分布和应力大小与块体本身的厚度关系不大。通过多体预制块的力学分析可以得出，拼接镶嵌排列相较于方块规整排列和方块交错排列可以显著提升结构抗拉压性能，并拥有较好的整体性能。

３装配式生态预制块库岸边坡护坡体系的应用

永泰抽水蓄能电站上、下水库库岸填方坡面均采用装配式生态预制块护面，上水库防护面积约１８万ｍ２，下水库防护面积约４万ｍ２。上水库装配式生态预制块防护位置为进／出水口库岸、库盆北区库岸，分区坝上游坝坡坡比为１∶２．５、库岸边坡坡比为１∶３．０，高程为６３２．０～６６０．０ｍ；下水库库岸防护位置为进／出水口上游库岸、进／出水口对岸、进／出水口下游库岸，边坡坡比为１∶２．５，高程为２１２．０～２２６．０ｍ。应用效果见图６。装配式生态预制块在永泰抽水蓄能电站规模化应用表明，其具有良好整体性，抗拉、抗压和抗剪性能优良，观赏性很强。

４结论

通过装配式生态预制块的单体强度和多体力学特征研究，得到如下结论：

１）在低成本条件下，经一系列室内试验和数值测试，预制块单体各项强度达标，养护后强度满足工程要求。

２）波浪冲击容易使常规护坡砌块脱落，而装配式生态预制块护坡使用的砌块有很好的柔韧性，其拼接结构镶嵌排列方式具有良好整體性，抗拉、抗压和抗剪性能优良，能使护坡较为有效抵挡波浪冲击。

３）具备很强的观赏性，通过改变砌块的铺砌方式和颜色，不仅可以起到很好的护坡作用，而且能形成美丽的景观。