1、第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期作者简介侯瑜京男河北邢台人教授级高级工程师博士主要从事岩土工程研究文章编号国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚中国水利水电科学研究院岩土工程研究所北京中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所北京摘要干砌块石护坡在国内护坡扩岸工程中大量应用本文仅就干砌石护坡面层厚度问题讨论国内各相关规范提出的计算方法明确计算参数的选取原则通过砌石护坡稳定厚度计算的比较指出各规范之间计算结果的差异认为可以针对不同工程特点进行砌石护坡面层设计使用各类规范给出的方法确定干砌石护坡面层的厚度关键是确定风浪要素得到计算时采用的波高和波长因此合理地确定风速和吹程十分重要
2、本文对于如何合理确定风速风向和吹程给出一些建议文中同时介绍了荷兰采用的干砌石护坡面层的设计方法相比之下我国采用的砌石护坡面层设计厚度略偏于安全关键词护坡干砌块石面层吹程中图分类号文献标识码目前干砌石护坡设计中存在的问题干砌块石护坡结构形式简单造价相对较低施工较容易具有适应不均匀变形耐久性好表面粗糙有助于消浪而且容易维修等特点因此在土石坝工程堤防工程和港口工程中得到大量应用但在实际工程中发现干砌石护坡的失效率很高特别是迎流顶冲深泓逼岸堤外无滩的江河护坡施工质量较差的土石坝护坡以及低于设计标准的港口干砌石护岸边坡等均易失效造成干砌石护坡失效的主要原因有干砌石护坡坡脚或基础松动塌落引起上部砌石滑动反
3、滤层厚度不够级配不合理逐渐被淘刷侵蚀造成反滤层的流失坡面塌落坡面护坡范围不够造成其它部位的损坏逐渐波及护坡本身由于地质条件原因在波浪作用下护面下土壤产生液化管涌或漫顶引起的局部塌落或护坡失稳块石重量或护坡的厚度不够不能抵御波浪风浪或船行波射流的冲击和内压力的浮托作用气候影响如冻融破坏等水流或漩涡的冲刷船体的撞击以及人为破坏对砌石护坡维护管理不善等在干砌石护坡设计中应该结合当地实际情况考虑各种因素的影响以满足护坡功能要求国内干砌石护坡的设计主要依据相关设计规范如堤防工程设计规范碾压式土石坝设计规范防波堤设计与施工规范规范中主要采用国外相关技术规范和研究成果给出了设计干砌石护坡厚度或单个块石重量的
4、计算公式堤防工程施工质量评定与验收规程中还提出了块石最小边长的尺寸砌石用料砌筑方法等以便于施工控制但在块石面层厚度设计中通常由于缺乏计算所需要的基本参数如风速吹程或波浪观测资料等干砌石护坡的设计基本上主要根据当地的经验确定多数情况下偏于保守但有时又偏于危险本文就干砌石护坡面层厚度问题讨论国内各相关规范提出的计算方法明确计算参数的选取原则通过砌石护坡稳定厚度计算的比较指出各规范之间计算结果的差异这样可以针对不同工程特点进行砌石护坡面层设计最后简要介绍了荷兰采用的干砌石护坡面层设计方法干砌石护坡厚度设计要求和规范计算方法堤防工程设计规范中规定面层厚度是指护面块石层的厚度不包括垫层或反滤层大多数干砌
5、块石护坡采用单层砌筑仅有少数地方由于厚度或安全要求采用两层干砌块石干砌块石厚度的设计主要考虑两个问题反滤层材料不允许在水流冲刷下穿过干砌石层的缝隙能够抵御波浪射流的冲击和内压力的浮托作用除此之外还需要考虑当地的自然条件包括石料条件地质及地下水条件运输及经济条件建造和施工方法包括施工单位的经验水平运行和维护管理水平等目前国内干砌石护坡的设计主要依据各类规范给出的计算方法由于砌石护坡的复杂性很难顾及所有的影响因素如石料的风化老化情况块体与块体之间的咬合力块体之间的渗透性波浪周期的影响以及堤防弯道情况等各类规范的计算结果也可能不同原因是不同的规范衡量块石稳定的标准并不一致选用何种超值概率的波高作为计
6、算参数也有所差别另外设计的原则也可以有所不同偏于保守类例如采用历史发生的极端风浪条件进行设计采用偏于保守的计算公式或在计算结果的基础上根据经验增加适当的尺寸偏于节省石料类按照可能发生的风浪概率讲行设计考虑在出现极端风浪条件下进行一定的维修年颁布的国家标准堤防工程设计规范对级土堤中水流冲刷或风浪作用强烈的堤段建议临水侧坡面宜采用砌石混凝土或土工织物模袋混凝土护坡斜坡堤干砌块石护坡的护面厚度可按下式培什金公式计算式中为干砌石面层厚度为斜坡坡率为块石的重度为水的重度为经验系数一般干砌石取干砌条石取为设计波长为设计波高当时取超越概率为时的波高当时取超越概率为时的波高为堤前水深图不同特征频率条件下波高与
7、平均波高的比值?苏联人根据现场试验资料建议波高服从瑞利概率分布不同频率下的波高可以由式计算也可直接从堤防工程设计规范中查表或由图得到特征频率条件下波高与平均波高的比值?式中为平均波高当采用人工块体或经过分选的块石作为斜坡堤的护坡面层时波浪作用下单个块体块石的重量及护面层厚度可按下式计算公式式中为稳定系数对于安放立放一层的块石取为护面块石的层数为经验系数对于安放立放一层的块石取在水流作用下防护工程护坡护脚块石保持稳定的抗冲粒径折算粒径可按下式计算国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚?式中为折算直径为石块体积为水流流速?为石块运动的稳定系数水平底坡倾斜底坡交通部颁布的防波堤设计与施工规
8、范指出斜坡堤护坡设计应计算护面块体的稳定重量护面层厚度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倍设计波高之间的护面块体中单个块体的稳定重量也是按式计算斜坡堤干砌块石或浆砌块石的厚度可按下式计算式中为与斜坡坡率和?有关的系数为堤前水深边坡一定而水深较深时该系数变化不大为波坦系数受?影响很大以上系数均可由防波堤设计与施工规范中查得为设计波高当?时取当?时取碾压式土石坝设计规范采用向金公式计算石块在最大局部波压力下所需要的直径换算成球形直径式中为石块的平均粒径为随边坡坡率变化的参数时时时时时波高采用累计频率的波高重要工程的累计频率可以适当提高如以重量计算视为球体则式中为单个块石平均重
9、量当?为平均波长护坡厚度当?风速和吹程的确定在上述计算公式中可见一旦边坡坡度和石料重度被确定则决定边坡厚度的关键因素是波高和波长砌石护坡设计时最好是采用当地多年波高和波长的观测资料在缺乏直接实测资料的情况下则需要通过实测或推算的当地风速和吹程资料利用经验统计公式进行计算国内外均有计算水库或湖泊中风浪要素的经验公式各有其地区的局限性我国关于水库工程的经验公式有官厅水库公式和鹤地水库公式堤防工程设计规范和碾压式土石坝设计规范目前均推荐采用福建莆田试验站针对海堤水域进行的大量现场观测后提出的莆田试验站公式来计算风浪要素在无通航河道或河面宽船速低的河道可以不计船行波的影响此时波高和波长与风速吹程及水深
10、密切相关堤防工程设计规范中给出莆田试验站公式用于计算风浪要素国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚式中为平均波高为平均波周期为计算风速?为吹程为水域平均水深为重力加速度?为风浪达到稳定状态的最小风时式可以简化成不规则波周期可以采用平均波周期表示按平均波周期计算的波长按下式计算将式代入式得式中平均波高与波长的关系见图从图可以看到当水深大于以后波高与波长基本呈线性关系平均波高与波长的比为在各风浪要素中风速对波高及波长的影响最大根据规范要求计算风速应采用水面上高度处的自记平均风速实际上这在设计中很难操作可以考虑选取靠近工程部位的气象站记录在地面上约高度处的月平均风速根据气象站的位置参照表乘
11、以修正系数后换算成同样高度水面上的风速表中的系数是由苏联学者根据若干护坡及海洋的观测资料整理得到的图不同水深下平均波高与波长的关系表根据气象站所在位置的修正系数气象站所在位置水面宽的水域水面宽岸边林木丛森林中城郊乡村中开敞平坦场地开敞平整地区湖边海滨或大河河岸平坦草原地区完全开敞的湖边海滨或河岸紧靠水边的完全开敞的狭沙嘴上当实测风速不是地面上处的风速时可根据表进行修正表不同高度处风速的修正系数高度?修正系数设计风速的选取应针对工程级别和运用情况分别采用不同超越概率的风速由于我国目前大部分地区观测资料年限短碾压式土石坝设计规范提出采用年最大风速堤防工程设计规范规定设计风速可采用历年汛期最大风速平
12、均值的倍但具体到实际工程以上规定不一定完全适用如长江护坎部位的干砌石护坡汛期淹没在水下按照汛期最大风速设计显然不合适因此建议对于特别重要的护坡可采用当地多年出现的最大风速进行设计对于多数类建筑物可以考虑采用多年最大风速的平均值进行设计对于类以下的建筑物可以采用多年平均风速的倍进行设计实际工程中风向的影响通常也较难确定堤防工程设计规范规定按水域计算点的主风向及左右和的方位角确定风的观测资料可以整理成玫瑰图可直观看出统计时段的常风向和各风向的风速大小实际上最大风速的风向与护坡的最不利风向二者不一定吻合如果实测资料系列长精度高应该选用最不利风向的最大风速作为设计风速目前国内设计中大多数没有考虑风向影
13、响而是国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚将最大风速看成与护坡轴线垂直这样做偏于安全对于河流两岸的堤防工程有时风向的影响十分典型此时为节省工程量可以考虑最大风速时风向的影响计算中采用的吹程是指按最大风速方向量测轴线至对岸的直线距离与水域形状有关对于河流堤防工程计算风向两侧较宽广水域周界比较规则吹程可采用由计算点逆风向到对岸的距离有时水域周边不规则水中有岛屿时或在河道的转弯岔道处吹程可采用等效风区长度确定各种干砌石护坡厚度的计算方法比较规范计算公式比较为比较各类计算方法的差异假定干砌石边坡的坡度为即干砌石的重度为不考虑垫层稳定及边坡土体稳定等因素在不同的风速吹程和水深条件下按照各规范
14、要求计算得到的干砌石护坡面层的稳定厚度见图图图不同水深条件下面层厚度随风速的变化吹程图面层厚度随吹程的变化由图可见水深的变化对护面层厚度影响很小特别是当水深大于以后影响更小吹程一定则护面层厚度与风速近似呈线性增长关系可见慎重选取风速指标对于合理设计干砌石护面层厚国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚度至关重要由图中还可以看出堤防设计规范中使用的培什金公式与土石坝规范中的向金公式两者的计算结果更为接近在风速以内计算得到的干砌块石面层厚度几乎相同交通部规范给出的计算值略小这是因为计算中取作为设计波高另外计算结果受波坦系数的选取影响很大由图可见吹程对于干砌石护面层厚度的影响没有风速那样敏感
15、同样可以看到交通部规范给出的计算值略小些堤防设计规范与土石坝规范给出的计算值略大计算结果较接近但是当水深较浅时若?或?此时按照堤防设计规范和交通部规范取作为设计波高按照土石坝规范使用公式则计算结果在此处会出现一个突变值不甚合理图沿坡面压力水头的变化荷兰干砌石面层厚度的设计荷兰在护坡稳定分析方法方面进行了长期系统的研究取得了相应的理论成果并形成了一整套设计方法开发了相应的计算机软件系统其设计理论认为在波浪作用下河道砌石护坡结构的稳定性与波浪压力水头图和护坡面石及其下面的垫层和反滤层的物理力学参数有关可表示为式中为波浪压力水头为压力?为相对于零点的位置高度为渗漏长度为碎石垫层厚度为护坡面石厚度为碎
16、石垫层渗透系数?为护坡面石层渗透系数?渗漏长度清楚表明了碎石垫层厚度护坡面石厚度碎石垫层渗透系数护坡面石层渗透系数的关系护坡结构的稳定性与最大退波时刻相对应的压力水头差有关即护坡结构底部因水力梯度的变化所产生的水压力图图图沿面层与垫层接触面的水力梯度图最大退波时刻通过护面层和垫层的水流压力水头变化沿坡面的距离可以假定垫层中水力梯度与垫层的渗透系数服从达西定理?式中为通过垫层的流量块体下部水流作用将引起块体的位移通过建立流量平衡关系式并引入块体力平衡条件单个护坡块石受到压力水头差引起的顶托力重力和侧面摩擦力的作用可以求得单个块体在不同时刻的位移从而可以定量判断护坡块体的稳定性与上述分析相对应块石
17、护坡最容易失稳的范围在河水位下倍波高位置和垫层内浸润线位置之间针对的干砌石护坡利用软件分析在护坡垫层厚度为块石之间缝宽为垫层料块石长度和宽度均为情况下护坡块体满足稳定条件所需的最小厚度要求设计波高采用作为输入参量波浪周期为持续时间计算得到以上条件下护坡块体处于临界稳定状态所需厚度为而采用国内堤防工程设计规范得到的护坡厚度约为国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚对比分析可以看出在相同的波浪和垫层条件下采用我国各类规范公式的计算结果具有较高的安全度由于不考虑块石间摩擦力的作用以及计算方法的差异计算得到干砌石护坡厚度通常略大于荷兰分析方法得到的计算结果结语通过对国内种干砌石护坡面层厚度设
18、计规范的比较发现根据不同规范计算得出的结果略有差别其中堤防工程设计规范中采用的是培什金公式取累计频率为的波高作为设计波高得到的结果略大于防波堤设计与施工规范中相应公式的计算结果与碾压土石坝设计规范中采用向金公式得到的结果十分接近使用规范给出的方法确定干砌石护坡面层的厚度关键是确定风浪要素以便得到计算采用的波高和波长因此合理地确定风速和吹程十分重要本文对于如何合理确定风速风向和吹程给出一些建议我国规范中采用的公式计算条件中没有考虑护坡面层的渗透性块体之间的作用力等影响因素其中含有多少的安全余量并不十分明确用荷兰建议的护坡设计方法通过引入块体力平衡和流量平衡条件可以考虑反滤层的透水性块体与块体之间的作用等因素将计算结果与现有规范公式的计算结果相比较可以看到采用我国各类规范给出的计算公式得到的结果相对偏于安全参考文献徐锡荣唐宏武宗竞叶松长江南京河段护岸新技术探讨水利水电科技发展刘建华张启海引黄平原水库蓄水初期围坝干砌石护坡破坏调查与原因分析山东工业大学学报堤防工程设计规范碾压式土石坝设计规范防波堤设计与施工规范余广明堤坝防浪护坡设计北京水利电力出版社? ?责任编辑韩昆国内干砌块石护坡面层厚度设计规范比较侯瑜京孙东亚
