斜坡式护岸块体优化设计及稳定性分析

斜坡式护岸块体优化设计及稳定性分析

0斜坡式结构的选择在倾斜坝的设计中，充砂袋和岩石用作堤心材料，常用于混凝土人工块和天然块的保护形式。这种结构形式的优点是:波浪反射弱,附近海面较平稳;可用于承载力较差的地基;施工较简单,施工进度快,如有损坏,易于修复;相对直立式防波堤,其安全性和耐久性大大提高。其缺点主要是材料用量大和造价相对较高。近年来,为了尽快运营投产,项目工期往往比较紧张,同时港口建设的标准也不断提高,对护岸的安全性和耐久性要求更高。因此,选择造价较高的斜坡式结构,在港口建设中不乏先例。在确保工期和质量要求的前提下,降低工程造价。根据业主要求,在某工程实施中,根据理论计算和物理模型试验对斜坡堤护面块体进行了优化设计。按照JTJ298—98《防波堤设计与施工规范》,初步确定某工程区域的斜坡式护岸护面块体的结构形式,结合物理模型试验对其进行护面结构优化设计,并对护面块体的稳定性进行分析研究。1模型及实验条件通过护岸物理模型试验,确定极端高水位、设计高水位和设计低水位,重现期50a波浪作用下护面块体、块石的稳定性,为优化结构设计提供科学依据。具体水文情况见表1。模型按重力相似准则设计,结构断面尺寸按几何相似准则设计。根据试验场地及断面结构情况,试验采用正态模型,比尺为1∶29。严格按照参考文献的要求进行模型制作。试验在长75m,宽1.0m,高1.5m的不规则波水槽中进行。2计低水位情况下护面块石的确定护面块体的稳定重量通常按照规范的规定来确定,即在波浪正向作用下,且堤前波浪不破碎,斜坡堤堤身在计算水位上、下1倍设计波高之间的护面块体中,单个块体的稳定重量可按Hudson公式计算:式中:W为单个块体的稳定重量,t;γb为块体材料的重度,kN/m3;H为设计波高,m;KD为块体稳定系数;γ为水的重度,kN/m3;α为斜坡与水平面的夹角,(°)。计算发现,极端高水位、设计高水位以及设计低水位情况下的平均波高与水深的比值均小于0.3,根据参考文献的相关规定,设计波高应采用H5%。根据设计波高,计算确定护面块体的稳定重量以及厚度。初步拟定以下几种护面方案:1)抛填7～8t重的块石护面,厚度为2m,护底块石采用150～200kg。该方案由于护面块石太大,对原材料的来源、运输以及施工均是挑战,因此没有就该方案进行物理模型试验。2)根据规范,扭王字块的稳定系数KD=18～24,选用极端高水位+5.88m的设计水位,设计波高选用H5%=4.54m。当KD=18时,计算出块体重量为2.6t;当KD=24时,计算出块体重量为1.9t,采用150～200kg护底块石。针对模型试验一,分别选取了3t、1.5t扭王字块护面进行试验观测,试验选取的护岸护面形式见图1。3)宽肩台(+0.6m)以上采用厚度为0.6m的栅栏板,以下采用扭王字块护面,采用150～200kg护底块石。针对模型试验二,分别选取了3t、1.5t扭王字块组合栅栏板护面进行试验观测,试验选取的护岸护面形式见图2。4)宽肩台(+0.5m)以上采用厚度为0.6m的栅栏板,以下采用300～400kg块石护面,采用150～200kg护底块石。针对模型试验三,选取300～400kg块石结合栅栏板护面进行试验观测,试验选取的护岸护面形式见图3。3试验结果该护岸分别以上述几种护面形式,在选定的波浪要素作用下进行试验,观测其稳定情况,所得试验结果见表2。4稳定性分析4.1水深分析模型试验护岸处的水深以及计算波长见表3。由表3可见,三种水位情况下,护岸水深都介于深水与浅水之间,即L/20<d<L/2。4.2护面稳定确定的问题针对模型试验一,在极端高水位的波浪作用下,堤顶严重越浪,形成最大水舌厚度为1.31m。挡墙前方的3t扭王字块体稳定,而1.5t扭王字块体出现失稳现象,其它部位护面块体在不同水位情况下均稳定。因此,该护岸护面块体的重量取决于极端高水位情况。通过物理模型试验可以看出,块体的稳定系数KD选择不当可能导致失稳现象发生。因此,斜坡式护岸在有一定越浪时,实际设计计算应选择较小的KD值,以保证护面块体的稳定。通过模型试验二的结果分析可知,施工水位以上,选用栅栏板护面可以很好地取代混凝土用量较大的扭王字块体;施工水位以下,选用栅栏板会导致施工困难,所以仍选用扭王字块体。试验结果表明,栅栏板之间必须采用素混凝土勾缝,保证栅栏板的稳定性(实际施工时可通过增加栅栏板厚度或沿岸长度,以提高整块栅栏板重量的方法来保证栅栏板的稳定性);而宽肩台及其以下选用1.5t扭王字块体可以满足稳定要求。由模型试验三的结果分析可知,这种护面情况下,块石的失稳率在设计低水位时明显大于高水位,因此,该护岸护面形式的护面块石重量取决于设计低水位。从模型试验的过程中发现,在设计低水位波浪作用下,宽肩台与块石护面的拐角位置,波浪冲击下大量300～400kg块石滚向海侧。设计高水位作用下,尤其是波谷作用时,依然在拐角位置处有大量块石滚向海侧。试验过程中还发现,拐角处以外的肩台块石并未发生滚动,表明该处块石质量与按照规范计算所得块石质量相比,存在一定的优化空间。4.3护面形式模型试验根据以上分析,重新拟定一个护面方案,具体情况见图4。通过对图4所拟定的护面形式进行模型试验,发现断面各单元均能满足规范的稳定要求。因此,认定该护面形式是安全可行的。4.4本工程选定方案比选在决定方案时要考虑很多因素,如工程区域的材料、地质和水文条件以及施工条件、结构耐久性等,并进行经济比较,本工程选定方案对比如表4。综上所述,选用优化方案作为最终实施方案,目前该护岸已经施工完毕,使用安全,获得了很好的经济效益和社会效益。5块石重量设计优化1)由于Hudson公式是基于规则波的一种简化公式,在计算块体稳定重量时,未考虑水深、肩台宽度等因素的影响。建议在设计高水位情况下,块体稳定计算时应选择块体稳定系数范围值内的较小值,从而保证护面结构的安全。对于大水深护面块体的重量最好能通过模型试验确定其稳定系数。2)宽肩台拐角以外的水平段可酌量减少块石的重量,但在拐角水平方向至少摆放两块以上人工块体,以防水平段块石滑落。由于规范上没有明确对宽肩台拐角处以外的水平段的块石重量应该如何酌量减少,在实际工程的优化设计中,建议通过模型试验来确定其块石重量。3)在栅栏板安装过程中,不同栅栏板会在搭接处形成缝隙,可用来消减不均