模型实验结果的数值计算方法

国外护坡用混凝土砌块均是根据工程实际,在综合经济、景观和环境等多个目标的基础上特别设计制造或选购的。块型不同,抗动力作用效果也不同。联锁砌块,特别是垂直联锁砌块有很强的抗波浪作用效果,相同波要素条件下,可减小护砌厚度,但因其不便于机械施工,需人力铺砌,在国外砌块护坡实际应用中很少使用,对此类砌块开展的试验研究也不多。一方面,我国劳动力成本相对较低,使用人力铺砌联锁砌块是可行的;另一方面,人工铺砌对砌块间缝隙控制要优于机械铺砌,而铺砌质量良好的护坡工程,其稳定性更加有保障。为此,我们结合中国内陆水域护砌工程实际,设计了几种联锁护坡砌块。为考察其抗波浪作用效果,探索稳定厚度与波高、波周期、水深、坡度等因素的关系,与南京水利科学研究院合作进行了系列抗风浪模型试验研究,取得了丰富成果。根据试验结果,提出了波浪作用下此类块型的稳定厚度计算方法。试验研究的内容和方法说明如下。

(1)试验块型:水平联锁砌块、垂直联锁砌块。

(2)比选试验,块型比选试验,不同开孔率、铺砌方式、联锁程度比选试验。

(3)对选定的砌块进行稳定性系列试验,确定砌块的临界稳定厚度,建立实体砌块稳定厚度随波高、波周期、水深、坡度变化的经验关系。

(4)在部分组合试验中,对砌块上表面波浪正压力和下表面浮托力进行了测量。

(5)试验模拟坝体为均质黏土,黏土上覆盖15cm 厚碎石垫层,碎石粒径大于4cm,最上层为试验砌块。

(6)系列试验针对不同水深,不同坡角,不同砌块厚度的组合进行,试验组合包括:

试验水深(原型) 12m,8m,6m,4m

坡度 1∶2,1∶3

块体厚度(原型) 8cm,10cm,12cm,15cm

每一种试验组合,采用不同波高,不同波周期,以确定每一种厚度块体满足稳定所对应的波要素;

模型试验分别采用规则波和不规则波进行,模型比例尺为1∶10。

试验结果表明,砌块厚度与破波参数ξp、砌块相对密度Δ 等因素相关。波高是决定护面层厚度的最直接因素。在坡度和波周期一定时,波高越大,所需护坡厚度越大;波高不变时,波周期越长,波长越大,坡陡度越小,所需护砌厚度越大;护坡砌块水下相对密度越大,所需护砌厚度越小。相同波要素条件下,砌块开孔率7%～10%时,其稳定厚度较实体砌块减小30%;垂直联锁砌块(榫长2～3cm)厚度较非联锁砌块减小20%左右。(www.xing528.com)

通过试验得出稳定厚度计算公式为:

(1)规则波

式中 D——砌块厚度;

H——规则波波高;

R——系数,对实体砌块取0.225,对开孔砌块取0.152;

Δ——相对密度;

ξ——破波参数,为坡角度,L 为波长)。

(2)不规则波

式中 R——对实体砌块取值为0.26,对开孔砌块R 取值0.168,对垂直联锁开孔砌块R 取值0.12～0.14;

Hs——有效波高,破波参数

¯L——平均波长。

由于护坡工程实际经受的波浪作用为不规则波,在实际应用中可采用不规则波计算公式,并根据工程的重要性考虑10%～30%的安全系数。