护坡砌块的开发设计原则及相关问题

砌块设计包括基本形状、几何尺寸和结构设计等。其基本原则应是在确保工程安全目标的前提下,尽可能兼顾经济、景观和环境目标要求。实现安全目标一定要改变单纯依靠护坡材料自身重量的传统设计思路;根据波浪作用下护坡结构稳定理论而特别设计的护坡砌块可有效地减小护坡结构荷载,增强结构抗力,从而实现减小护砌厚度,节约工程投资的目的。符合审美要求设计的块形有助于护坡工程在点、线、面上达到赏心悦目的景观效果。环境目标则要求设计的砌块应与周边自然环境和谐、友好,应有利于植物生长和水生动物的栖息生存。此外砌块单体强度、生产效率、施工方式及效率等也是影响砌块设计的重要因素。现结合国外砌块应用情况和我们的开发设计实践,就砌块设计中的相关问题作一介绍。

1.几何形状

砌块形状各异,内陆水域护坡砌块基本外形主要为矩形和柱形两大类。国外护坡砌块最初为规则矩形或正多边形实体砌块,这类砌块块型简单,生产和施工均较方便。荷兰、德国早期就大量使用过50cm×50cm×(20～25)cm 的矩形砌块。后来出现不规则外形,矩形边不再是直的,或为波浪形,或设计成凹凸联锁状。柱形砌块出现不规则棱柱和弧形边。外形上的变化,既增强了护坡工程视觉效果,也增加了砌块间的接触面积和摩擦咬合作用,一定程度上增强了整体结构稳定性。目前国外护坡应用仍以矩形类砌块为多,但荷兰则较多地采用不规则柱状砌块,值得一提的是一种称之为Hydroblock®的砌块,该砌块由荷兰Greenbanks公司于20世纪90年代开发,外形美观,方便生产,经模型试验、拔除试验和实际应用,证明抗波浪作用效果良好,号称新千年的护坡材料,该砌块块形已申请国际专利,受到荷兰水利技术咨询委员会 (Technical Advisory Committee on Water Defences,TAW)的推荐。

矩形和柱形砌块各有特点和适用范围,荷兰学者Pilarczyk就矩形和不规则柱形实体块的特点进行比较,如表6-5所示。从表中可以看出,影响基本块型选择因素主要是外观、施工和柔性等因素。

2.几何尺寸(www.xing528.com)

护坡砌块几何尺寸均较小,平面尺寸多为几十厘米,厚度在8～50cm,砌块厚度是根据工程波要素和选定的块型来计算的。设计平面尺寸时,一般应考虑如下因素:①沿斜坡方向的砌块尺寸越大,作用在砌块上的平均负压就越小,护坡结构稳定性越好,故沿斜坡方向的尺寸不能太小;②砌块平面尺寸越大,护坡结构柔性和自我修复功能愈弱,特别是新筑堤坝,平面尺寸不宜太大。荷兰开发的Hydroblock®,纵横两轴尺寸均为25cm,厚度15～50cm,单块重量20～60kg;③为保证砌块有一定的抗折能力,砌块最大边长与最小边长之比应控制在4∶1之内;④根据单块重量要求和方便生产及施工需要设计平面尺寸,若要求砌块单体有足够的重量,则平均尺寸就不宜太小,单体重量太大又不方便生产和人力施工。在进行砌块开发设计之初,曾就砌块单体重量、块型、施工缝隙要求等进行过专项咨询,大多数设计人员都希望抗动力作用护坡砌块重量不小于40kg,施工缝隙均匀整齐、不作沟缝处理,故设计的护坡砌块均为矩形,平面尺寸考虑单块重量要求和最大限度地利用生产线成型面积,多在40～50cm 之间,单体重量50～70kg。

表6-5　矩形和不规则柱形实体砌块特点比较表

3.砌块构造

砌块构造设计基本思路应是有利于护坡结构削减波能,减小荷载,增强结构抗力,增加稳定性。德国比勒菲尔德大学教授Fritz教授设计的一种空心砌块,其外形为50cm×50cm×50cm 的正方体,空心率达48%。模型试验表明,该砌块铺砌在1∶3斜坡上,可削减40%破波能量,50%爬高动能,有效地减小波浪爬高,且可将破波类型由卷破波变为崩破波,大大减小了波浪对护坡结构的破坏性,可见砌块构造设计的重要。该砌块1992年开始用于德国北海海岸护坡,至今完好无损。护坡砌块构造设计最常见的是开孔、联锁和减小波浪爬高设计。