新型消浪护面块体技术及应用

结合交通部基础应用项目“新型深水防波堤结构形式与消浪块体稳定性研究”，要求深水防波堤与浅水防波堤的不同主要表现在深水防波堤的断面设计有明显的坡脚、斜坡、戗台和坡顶，因此，对于新型块体研发需考虑该块体对坡脚的适应性、斜坡最多容纳块体的个数和块体相互咬合的特性［41］。另外，在外海深水大浪作用下，块体受到的结构应力也相应增加，新研制的块体在形状上应更粗壮以提高稳定质量。同时，还需考虑到深水块体的腿需短而粗，且在外海建设深水防波堤，护面的人工块体将面临大浪、长周期波的作用，因此人工块体往往需要较大质量。

在对新型块体选型前，首先对现有人工护面块体的发展过程及现状应用情况分别进行调查和统计。统计分析得出，块体的稳定性和经济性是衡量块体优劣的主要指标，为了找出新块体研发思路，首先对现有块体的经济性和稳定性进行对比分析，找出以往块体的优缺点，为新研发块体的选型提供参考指导［40］。护面块体层所需块体数量N和混凝土总量Q对工程施工周期有很大的影响，是衡量经济性的重要指标，块体数量越多，护面层部分的施工周期越长，反之则施工周期越短，是工程上确定是否采用该块体的重要考量因素。稳定性指标，即采用选取相同波高作用下，对所需块体的稳定质量大小进行衡量。本文对现有常用的四脚锥体、扭工字块体、扭王字块体、Core-Loc块体和Xbloc块体，采用《防波堤与护岸设计规范》（JTS 154—2018）［52］中规定的如下公式计算进行对比分析。

式中　N——人工块体数；

Q——人工块体混凝土用量；

W——单个块体的稳定质量；

γb——块体材料的重度；

——护面块体的层数；

γo——水重度；

c、P′、KD——块体形状系数、空隙率、稳定系数；

A——块体所占面积。

根据以上公式计算得出质量与每100 m2上块体护面层的混凝土总量如图2-1所示，设计波高与稳定质量的关系如图2-2所示。

图2-1　质量与每100 m2上护面块体混凝土用量关系

图2-2　设计波高与护面块体稳定质量关系(www.xing528.com)

由图2-1可知，在护面块体质量相同的情况下，四脚锥体在每100 m2护面层所需的混凝土量是最多的，Xbloc块体混凝土用量相对最少，扭王字块体混凝土用量略多于Xbloc块体。由图2-2可知，在设计波高相同的情况下，四脚锥体所需的稳定质量最大，扭王字块体所需的稳定质量最小，Xbloc块体所需的稳定质量略大于扭王字块体。从经济性和稳定性来看，Xbloc块体和扭王字块体均属于一种稳定性较好且经济的人工护面块体。

由上述分析，在现有常用护面块体中，扭王字块体的稳定性最好，而Xbloc块体混凝土用量最少也最经济，且通过在ACCROPODE块体基础上分别延伸出的Ecopode块体和ACCROPODEⅡ块体的设计思路。通过对Xbloc块体外形的观测发现，其四个腰杆为尖角，因此块体在制作、运输和施工过程中很容易摩钝甚至损坏，从而可能使工程成本增加、施工进度减慢，且由于腿端部为尖角，也容易导致结构应力集中等有害现象的发生。针对上述不利因素，提出了将Xbloc块体和扭王字块体相结合、各取其优的研发思路，即将Xbloc块体在施工时易破损的四个尖角腰杆置换成与扭王字块体杆件相同的台体形状，而中间竖杆不变，但对其每条边进行倒角处理，从而有利于块体中应力的分散。重新设计后的新型消浪块体根据其形状命名为“米字型消浪护面块体”（简称“米字型块体”），块体研发过程如图2-3所示。

图2-3　米字型块体研发过程

另外，针对米字型块体在平面上三点着地的特性，在保证其体积不变的条件下，将中间竖杆绕中轴转45°角，其他均不变，构成米字型块体的一种改进型。为区分，本书将上述两种块体分别命名为“米字型块体A型块”和“米字型块体B型块”。A、B型两种块体形状如图2-4所示，它们的放置方式与传统扭王字块体相同，为规则和随机摆放两种方式。

图2-4　两种米字型块体

从新型消浪块体外观结构可知，其优点为杆件都集中在中间，构件坚固且整体性好，可减小在波浪冲击作用下因块体间相互碰撞而导致的杆件断裂，因此适合布置于外海深水环境。

参考Xbloc块体、扭王字块体等工程界常用块体的外形结构尺寸（表2-1），米字型块体结构尺寸分别如图2-5和图2-6所示，计算得到块体体积V=0.229h3（h为块体高度）。

表2-1　常见的几种护面块体体积统计

图2-5　米字型块体A型块结构尺寸图

图2-6　米字型块体B型块结构尺寸图