干砌石施工规范.pdf

第卷第期 年月 中国水利水电科学研究院学报 收稿日期 作者简介 侯瑜京男 河北邢台人 教授级高级工程师 博士 主要从事岩土工程研究 文章编号 国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较 侯瑜京孙东亚 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所 北京中国水利水电科学研究院 防洪减灾研究所 北京 摘要 干砌块石护坡在国内护坡 扩岸工程中大量应用 本文仅就干砌石护坡面层厚度问题讨论国内各相关规范提 出的计算方法 明确计算参数的选取原则 通过砌石护坡稳定厚度计算的比较 指出各规范之间计算结果的差异 认为可以针对不同工程特点进行砌石护坡面层设计使用各类规范给出的方法确定干砌石护坡面层的厚度 关键 是确定风浪要素 得到计算时采用的波高和波长 因此合理地确定风速和吹程十分重要本文对于如何合理确定 风速 风向和吹程给出一些建议 文中同时介绍了荷兰采用的干砌石护坡面层的设计方法 相比之下 我国采用的 砌石护坡面层设计厚度略偏于安全 关键词 护坡 干砌块石 面层 吹程 中图分类号文献标识码 目前干砌石护坡设计中存在的问题 干砌块石护坡结构形式简单 造价相对较低 施工较容易 具有适应不均匀变形 耐久性好 表面粗 糙有助于消浪而且容易维修等特点 因此在土石坝工程 堤防工程和港口工程中得到大量应用但在实 际工程中发现 干砌石护坡的失效率很高 特别是迎流顶冲 深泓逼岸 堤外无滩的江河护坡施工质 量较差的土石坝护坡以及低于设计标准的港口干砌石护岸边坡等均易失效造成干砌石护坡失效的 主要原因有干砌石护坡坡脚或基础松动 塌落 引起上部砌石滑动反滤层厚度不够 级配不合 理 逐渐被淘刷 侵蚀 造成反滤层的流失 坡面塌落坡面护坡范围不够 造成其它部位的损坏 逐渐 波及护坡本身由于地质条件原因 在波浪作用下护面下土壤产生液化管涌或漫顶引起的局部 塌落或护坡失稳块石重量或护坡的厚度不够 不能抵御波浪 风浪或船行波 射流的冲击和内压力 的浮托作用气候影响 如冻融破坏等水流或漩涡的冲刷船体的撞击以及人为破坏对 砌石护坡维护管理不善等 在干砌石护坡设计中 应该结合当地实际情况考虑各种因素的影响 以满足护坡功能要求国内干 砌石护坡的设计主要依据相关设计规范 如 堤防工程设计规范碾压式土石坝设计规范防波 堤设计与施工规范规范中主要采用国外相关技术规范和研究成果 给出了设计干砌石护坡厚度或 单个块石重量的计算公式堤防工程施工质量评定与验收规程 中还提出了块石最小边长的尺寸 砌 石用料 砌筑方法等 以便于施工控制但在块石面层厚度设计中 通常由于缺乏计算所需要的基本参 数 如风速 吹程或波浪观测资料等 干砌石护坡的设计基本上主要根据当地的经验确定 多数情况下偏 于保守 但有时又偏于危险 本文就干砌石护坡面层厚度问题讨论国内各相关规范提出的计算方法 明确计算参数的选取原则 通过砌石护坡稳定厚度计算的比较 指出各规范之间计算结果的差异 这样可以针对不同工程特点进行 砌石护坡面层设计 最后简要介绍了荷兰采用的干砌石护坡面层设计方法 干砌石护坡厚度设计要求和规范计算方法 堤防工程设计规范中规定 面层厚度 是指护面块石层的厚度 不包括垫层或反滤层大多数 干砌块石护坡采用单层砌筑 仅有少数地方由于厚度或安全要求采用两层干砌块石干砌块石厚度的 设计主要考虑两个问题 反滤层材料不允许在水流冲刷下穿过干砌石层的缝隙 能够抵御波浪射流的冲 击和内压力的浮托作用除此之外 还需要考虑当地的自然条件 包括石料条件 地质及地下水条件 运 输及经济条件 建造和施工方法 包括施工单位的经验水平 运行和维护管理水平等 目前国内干砌石护坡的设计主要依据各类规范给出的计算方法 由于砌石护坡的复杂性 很难顾及 所有的影响因素 如石料的风化 老化情况 块体与块体之间的咬合力 块体之间的渗透性 波浪周期的 影响以及堤防弯道情况等各类规范的计算结果也可能不同 原因是不同的规范衡量块石稳定的标准 并不一致 选用何种超值概率的波高作为计算参数也有所差别另外设计的原则也可以有所不同 偏于 保守类 例如采用历史发生的极端风浪条件进行设计 采用偏于保守的计算公式 或在计算结果的基础 上 根据经验增加适当的尺寸 偏于节省石料类 按照可能发生的风浪概率讲行设计 考虑在出现极端风 浪条件下进行一定的维修 年颁布的国家标准 堤防工程设计规范对级土堤中水流冲刷或风浪作用强烈的堤段 建议临水侧坡面宜采用砌石 混凝土或土工织物模袋混凝土护坡斜坡堤干砌块石护坡的护面厚度 可按下式 培什金公式 计算 式中为干砌石面层厚度为斜坡坡率为块石的重度为水的重度 为经验系数 一般干砌石取干砌条石取为设计波长为设计波高当 时 取超越概率为时的波高当时 取超越概率为时的波高为堤 前水深 图不同特征频率条件下波高与平均波高的比值 苏联人根据现场试验资料 建议波高 服从瑞利概率分布 不同频率下的波高可以由式 计算也可直接从 堤防工程设计规范中查表 或由图得到特征频率条件下波高与平均波高的比值 式中为平均波高 当采用人工块体或经过分选的块石作为斜坡堤的 护坡面层时 波浪作用下单个块体 块石的重量及护面层厚度可按下式计算公式 式中为稳定系数 对于安放 立放 一层的块石 取为护面块石的层数为经验系数 对 于安放 立放 一层的块石 取 在水流作用下 防护工程护坡 护脚块石保持稳定的抗冲粒径 折算粒径 可按下式计算 国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚 式中为折算直径为石块体积为水流流速 为石块运动的稳定系数 水平底坡 倾斜底坡 交通部颁布的 防波堤设计与施工规范指出 斜坡堤护坡设计应计算护面块体的稳定重量 护面层厚度在波浪正向作用下 且堤前波浪不破碎 斜坡堤堤身在计算水位上 下倍设计波高之 间的护面块体中 单个块体的稳定重量也是按式计算 斜坡堤干砌块石或浆砌块石的厚度可按下式计算 式中为与斜坡坡率和 有关的系数为堤前水深边坡一定而水深较深时 该系数变化 不大为波坦系数 受 影响很大以上系数均可由 防波堤设计与施工规范中查得为设 计波高当 时 取当 时 取 碾压式土石坝设计规范采用向金公式计算石块在最大局部波压力下所需要的直径换算成 球形直径 式中为石块的平均粒径为随边坡坡率变化的参数时时 时时时波高采用累计频率的波高重要 工程的累计频率可以适当提高 如以重量计算 视为球体则 式中为单个块石平均重量 当 为平均波长 护坡厚度当 风速和吹程的确定 在上述计算公式中可见 一旦边坡坡度和石料重度被确定 则决定边坡厚度的关键因素是波高和波 长砌石护坡设计时最好是采用当地多年波高和波长的观测资料 在缺乏直接实测资料的情况下 则需 要通过实测或推算的当地风速和吹程资料利用经验统计公式进行计算国内外均有计算水库或湖泊中 风浪要素的经验公式 各有其地区的局限性我国关于水库工程的经验公式有官厅水库公式和鹤地水 库公式堤防工程设计规范 和 碾压式土石坝设计规范 目前均推荐采用福建莆田试验站针对海堤水 域进行的大量现场观测后提出的莆田试验站公式来计算风浪要素在无通航河道或河面宽 船速低的 河道可以不计船行波的影响 此时波高和波长与风速 吹程及水深密切相关 堤防工程设计规范 中给出莆田试验站公式 用于计算风浪要素 国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚 式中为平均波高为平均波周期为计算风速 为吹程为水域平均水深 为重力加速度 为风浪达到稳定状态的最小风时 式可以简化成 不规则波周期可以采用平均波周期表示 按平均波周期计算的波长按下式计算 将式代入式得 式中平均波高与波长的关系见图从图可以看到 当水深大于以后 波高与波长基本 呈线性关系 平均波高与波长的比为 在各风浪要素中 风速对波高及波长的影响最大 根据规范要求 计算风速 应采用水面上高 度处的自记平均风速实际上这在设计中很难操作可以考虑选取靠近工程部位的气象站 记 录在地面上约高度处的月平均风速 根据气象站的位置 参照表乘以修正系数后换算成同样 高度水面上的风速表中的系数是由苏联学者根据若干护坡及海洋的观测资料整理得到的 图不同水深下平均波高与波长的关系 表根据气象站所在位置的修正系数 气象站所在位置 水面宽 的水域 水面宽 岸边林木丛 森林中 城郊 乡村中开敞平坦场地 开敞平整地区 湖边 海滨或大河河岸 平坦草原地区 完全开敞的湖边 海滨或河岸 紧靠水边的完全开敞的狭沙嘴上 当实测风速不是地面上处的风速时 可根据表进行修正 表不同高度处风速的修正系数 高度 修正系数 设计风速的选取应针对工程级别和运用情况 分别采用不同超越概率的风速由于我国目前大部 分地区观测资料年限短碾压式土石坝设计规范 提出采用年最大风速堤防工程设计规范 规定设计 风速可采用历年汛期最大风速平均值的倍但具体到实际工程 以上规定不一定完全适用 如长江 护坎部位的干砌石护坡 汛期淹没在水下 按照汛期最大风速设计显然不合适因此建议对于特别重要 的护坡 可采用当地多年出现的最大风速进行设计 对于多数类建筑物 可以考虑采用多年最大风 速的平均值进行设计 对于类以下的建筑物 可以采用多年平均风速的倍进行设计 实际工程中风向的影响通常也较难确定堤防工程设计规范 规定按水域计算点的主风向及左右 和的方位角确定风的观测资料可以整理成玫瑰图 可直观看出统计时段的常风向和各风 向的风速大小实际上最大风速的风向与护坡的最不利风向二者不一定吻合 如果实测资料系列长 精 度高 应该选用最不利风向的最大风速作为设计风速目前国内设计中大多数没有考虑风向影响 而是 国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚 将最大风速看成与护坡轴线垂直 这样做偏于安全对于河流两岸的堤防工程 有时风向的影响十分典 型 此时为节省工程量 可以考虑最大风速时风向的影响 计算中采用的吹程是指按最大风速方向量测轴线至对岸的直线距离 与水域形状有关对于河流 堤防工程 计算风向两侧较宽广 水域周界比较规则 吹程可采用由计算点逆风向到对岸的距离 有时水 域周边不规则 水中有岛屿时 或在河道的转弯 岔道处 吹程可采用等效风区长度确定 各种干砌石护坡厚度的计算方法比较 规范计算公式比较为比较各类计算方法的差异 假定干砌石边坡的坡度为即干砌 石的重度为不考虑垫层稳定及边坡土体稳定等因素 在不同的风速 吹程和水深条件 下 按照各规范要求计算得到的干砌石护坡面层的稳定厚度见图图 图不同水深条件下面层厚度随风速的变化 吹程 图面层厚度随吹程的变化 由图可见 水深的变化对护面层厚度影响很小 特别是当水深大于以后 影响更小吹程一 定 则护面层厚度与风速近似呈线性增长关系 可见慎重选取风速指标 对于合理设计干砌石护面层厚 国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚 度至关重要由图中还可以看出 堤防设计规范中使用的培什金公式与土石坝规范中的向金公式 两者 的计算结果更为接近 在风速以内 计算得到的干砌块石面层厚度几乎相同交通部规范给出的 计算值略小 这是因为计算中取作为设计波高 另外计算结果受波坦系数的选取影响很大 由图可见 吹程对于干砌石护面层厚度的影响没有风速那样敏感同样可以看到 交通部规范给 出的计算值略小些 堤防设计规范与土石坝规范给出的计算值略大 计算结果较接近但是当水深 较浅时 若 或 此时按照堤防设计规范和交通部规范 取作为设计波高 按 照土石坝规范使用公式则计算结果在此处会出现一个突变值 不甚合理 图沿坡面压力水头的变化 荷兰干砌石面层厚度的设计荷兰在护坡稳定分析方法方面进 行了长期系统的研究取得了相应的理论成果 并形成了一整套设 计方法 开发了相应的计算机软件系统其设计理论认为在波 浪作用下 河道砌石护坡结构的稳定性与波浪压力水头图和护 坡面石及其下面的垫层和反滤层的物理力学参数有关可表示为 式中为波浪压力水头为压力 为相对于零点的位置高度为渗漏长度为 碎石垫层厚度为护坡面石厚度为碎石垫层渗透系数 为护坡面石层渗透系数 渗漏长度清楚表明了碎石垫层厚度 护坡面石厚度 碎石垫层渗透系数 护坡面石层渗透系数的关 系护坡结构的稳定性与最大退波时刻相对应的压力水头差有关 即护坡结构底部因水力梯度的变 化所产生的水压力 图图 图沿面层与垫层接触面的水力梯度图最大退波时刻通过护面层和垫层的水流 压力水头变化 沿坡面的距离 可以假定 垫层中水力梯度与垫层的渗透系数服从达西定理 式中为通过垫层的流量 块体下部水流作用将引起块体的位移 通过建立流量平衡关系式 并引入块体力平衡条件 单个护 坡块石受到压力水头差引起的顶托力 重力和侧面摩擦力的作用可以求得单个块体在不同时刻的位 移 从而可以定量判断护坡块体的稳定性 与上述分析相对应 块石护坡最容易失稳的范围在河水位下倍波高位置和垫层内浸润线 位置之间针对的干砌石护坡 利用软件分析在护坡垫层厚度为块石之间缝宽为 垫层料块石长度和宽度均为情况下 护坡块体满足稳定条件所需的最 小厚度要求设计波高采用作为输入参量 波浪周期为持续时间计算得到以 上条件下护坡块体处于临界稳定状态所需厚度为而采用国内 堤防工程设计规范 得到的护坡 厚度约为 国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚 对比分析可以看出 在相同的波浪和垫层条件下 采用我国各类规范公式的计算结果具有较高的安 全度 由于不考虑块石间摩擦力的作用以及计算方法