开孔垂直联锁砌块护坡稳定厚度计算优化

关于砌块护坡稳定厚度计算,目前我国尚未出台相关技术规范,在 《混凝土砌块护堤技术》研究报告中,介绍了荷兰的Breteler公式、Pilarczyk公式,也介绍了淮委与南科院根据砌块护坡稳定性系列试验研究导出的计算公式。临淮岗主坝开孔垂直联锁砌块护坡稳定厚度,是用上述三种计算方法计算后,结合主坝抗风浪模型试验结果来确定的。

1.工程运用条件及工程波要素情况

临淮岗主坝工程按100 年一遇洪水标准设计,1000 年一遇洪水标准校核。100 年一遇坝上设计水位28.41m、坝下水位26.75m,1000年一遇坝上校核水位29.49m、坝下水位28.91m。该坝为碾压式均质土坝,由加固与新建两部分组成,总净长7.02km,坡比1∶2.5～1∶3,平均坝高12～13m,最大坝高21m,包括淮北段、淮南段和淮河主槽段。淮北段与淮南段典型设计断面基本相同,坝脚地面高程为19.60m 和20.20m,分别在22.80m 和23.00m 高程处设有镇压平台,淮北段镇压平台宽度为20m,淮南段镇压平台宽度为10m。主槽段坝脚地面高程较低,为15m,其余部分与淮北段、淮南段基本相同。各坝段在27.6m 高程处设有2m 宽平台。在设计和校核工况时,上、下游水域开阔,水深6.5～11m,经计算,上、下游波浪作用均较大。

2.砌块护坡稳定厚度计算

(1)Breteler公式

式中 Hs——有效波高,m;

t——护面板厚度,m;

Δ——相对重度,Δ=-1,γb为砌块密度,γ为水的密度;

ξ0——破波参数;

F——综合稳定因子,取值见表7-1。

系数F 的取值范围为3.5～8.0,国外采用垂直联锁砌块较少,在同一块型上既设计开孔又垂直联锁的砌块未见报道,上表中连锁砌块铺设在颗粒垫层上F 常用值取6,考虑砌块垂直联锁且有开孔,故这里F 取值7.2(按F 取大值90%计算)。

表7-1　系数F取值表

(2)Pilarczyk公式

式中 Hs——有效波高,m;

t——护面板厚度,m;

Δ——相对重度,Δ=-1;

F——系数,对抛石护坡F=2.25,对不规则砌石F=2.5,对砌块护坡3.5≤F≤5.5,通常取值为4.5,对垂直联锁护坡或砌块排4≤F≤6,对混凝土板护坡6≤F≤10,本工程砌块为开孔垂直联锁砌块,综合考虑F 值取7.2;

b——系数,与波和护坡结构相互作用情况有关(坡度、渗透性等),渗透性护坡取b=0.5,半渗透性护坡b=2/3,非渗透性护坡b=1,开孔垂直联锁砌块取b=0.5和b=2/3分别进行计算;(www.xing528.com)

ξp——破波参数;ξp=tanα/,α为坝坡与水平面的夹角;Sp=2πHs/;

(3)南京水利科学研究院经验公式。南京水利科学研究院通过临淮岗护坡砌块系列试验,总结了不规则波作用下护面块厚度计算经验公式

式中 D——混凝土砌块厚度;

Hs——有效波高;

R——系数,对实体块取值为0.26,对开孔块取值为0.168,对垂直联锁砌块取值为0.12～0.14;

该公式在实际应用中可根据工程的重要性考虑1.1～1.3的安全系数。

(4)模型试验结果。临淮岗护坡砌块系列试验表明,砌块厚度与破波参数ξp、砌块相对密度Δ 等因素有关,波高是决定砌块厚度的最直接因素,在坡度和波周期一定时,波高越大,所需砌块厚度越大;波高不变时,波周期越长,波长越长,坡比越小,所需砌块厚度越大;护坡砌块水下相对密度越大,所需砌块厚度越小。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%左右,垂直联锁砌块 (榫长2～3cm),厚度较非联锁砌块减小20%左右,并且榫长越长,砌块稳定厚度越小。

临淮岗护坡砌块模型试验结果:各部位护坡临界稳定时:实体砌块厚度20.0～38.5cm,开孔垂直联锁砌块厚度12～18cm,各砌块稳定厚度公式计算结果和主坝抗风浪模型试验结果见表7-2。

表7-2　临淮岗工程护坡设计计算成果表

3.主坝各段各高程护坡实际应用介绍

模型试验提供的主坝各部位开孔垂直联锁砌块厚度均为临界稳定时的厚度,没有考虑安全余度,且其为实验室条件下的试验结论。综合考虑到以下几方面因素。

(1)模型试验时模型与原型之间的差异(模型比尺1∶10)。

(2)在工程实践中,随时间推移,将有部分孔洞淤堵,相应其消浪减压作用会减弱。

(3)工程现场的砌块砌筑质量难以达到实验室内的水平。

据此,设计时根据模型试验确定的临界稳定厚度,按各坝段的不同风浪要素和不同部位采用不同的安全系数(1.3～1.5),并综合以上各砌块稳定厚度公式计算结果,确定了主坝各部位开孔垂直联锁砌块厚度,见表7-3。

表7-3　主坝各部位开孔垂直联锁砌块厚度表