开孔联锁混凝土护坡设计与应用

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【摘 要】论文介绍了联锁混凝土护坡的特点及应用条件，分析了其在荷载作用下的破坏形式，并对块体稳定重量验算、浪压力计算、安全系数计算等进行了探讨。最后结合实际进行了工程应用。

【关键词】联锁混凝土；护坡；设计；安全系数

1 概述

护坡工程是保证堤防安全的重要单元，也是堤防建设的重要内容。联锁型混凝土护坡是近年来出现的新型护坡形式，它由联锁型混凝土块面层、级配碎石滤水层、土工布反滤层、基土层等组成，是由一组尺寸、形状和重量一致的高强度混凝土预制块，通过独特的联锁设计，块与块之间相互连接而形成的联锁型矩阵。整个护坡系统设计充分考虑了各种水深、水流速度和风浪情况等水力条件下的边坡稳定，也能有效的防止水土流失。

联锁型混凝土护坡结合了传统刚性护坡与柔性护坡各自的优点，既具有刚性护坡稳定性好、抗冲能力强的特点，又具有柔性护坡适应位移和变形能力强、孔隙率高透水性好的特点。由于相邻的块体之间相互咬合，块与块之间具有较强的联锁性，可以有效地增加块体之间的连接力，使块体能够在高速水流的作用下保持结构的整体稳定性，从而降低了单个块体的稳定重量和尺寸，节约工程成本。另外，块体的形状与大小都适合人工铺设，施工简单、方便，新旧坡面都能用，大大节省后期维修费用。

同时，采用开孔联锁混凝土护坡不仅可增强视觉效果，更重要的是出于减少波生浮托力的考虑。理论分析计算和模型试验结果均表明，具有高渗透性的护面层有利于结构稳定，相同波要素条件下可减小护砌厚度。

2 开孔联锁混凝土护坡设计

2.1 护坡块体所受荷载分析

混凝土护坡块体在使用过程中受到的荷载包括：在静水中主要有重力（扣除浮力）、垫层对块体的支撑力以及块体和垫层间的摩擦力；动水中还受到波浪的作用力。此外，在内河航道中，岸坡受到船舶航行碰撞的影响也是导致护坡损坏的原因之一。

2.2 护坡块体在荷载作用下的破坏形式

块体在荷载作用下的破坏形式主要有两种：单块块体的破坏和护坡层的整体滑动。其中主要以第一种为主要破坏形式。

1）单块块体的破坏：当波浪作用下块体处于临界稳定状态时，砌块上表面受到波浪的压力、下表面受到垫层中水流的顶托力作用，此外还有重力、块体之间的支撑力和摩擦力、块体间的咬合等作用。当块体所受净浮托力大于块体重量及块体间摩擦和咬合力时，块体被托起，以至脱落失稳。由于联锁混凝土块体之间相互咬合，一块块体脱落后，极易引起其周围护坡块体的松动破坏，故有一块联锁块脱出时，即认为护面层遭到破坏。

2）护坡层的整体滑动破坏。滑动推力为块体净重力（除去浮力）沿斜坡方向的分量，其抗滑力为块体与其下层基础间的摩阻力以及坡脚结构的支撑力。因工程中常采取相应措施（如在堤脚做趾结构或将堤坡放缓）避免块体护面的滑动，故整体滑动破坏并不常见。

2.3 联锁混凝土护坡设计

2.3.1 块体的稳定重量验算

护坡块的设计计算中，常用美国的赫德森（Hudson）公式计算护坡块体的稳定重量：

式中，W为单个块体的稳定重量，为块体材料的重度，H为设计波高，K为块体稳定系数，为水的重度，为斜坡与水平面的夹角。其中Hudson无量纲稳定系数K的取值主要取决于块体形状、表面糙度、嵌固程度等因素，对混凝土板块可取3.0。

2.3.2 作用在护坡上的浪压力计算

护岸上的浪压力计算根据波浪形态主要分为两类。一类是入射到墙上的波浪受到反射，与入射波叠加后形成驻波；另一类是墙前的破碎波。目前常用的公式只限于线性驻波，至于破碎波方面的研究工作主要集中在实验研究方面，提出的公式尚属于经验公式范畴。

因其简单、便于计算，目前常用的浪压力计算公式为Sainflou公式：

该公式在相对水深 =0.135～0.20，波陡的范围内，具有相当好的精度。然而当较大时，往往给出偏大的波浪力；当 较小时又给出偏小的波浪力。因此我国港口工程规范中规定，在相对水深，波陡时，要根据工程经验引入修正系数K。

2.3.3 安全系数计算

用一个经过计算所得的数值“安全系数”表征在特定的水力条件和场地特征条件下单元的稳定性，该数值应大于所选取的允许安全系数值。设计中忽略以下影响：1. 块体间的摩擦力和绳索等的连接力；2. 若块体内或相邻块体之间的孔隙内种草，草根增加铺面系统与土基之间的连接力；3. 块体在坡道顶部锚固在土体内，以防止铺面系统沿着坡道或纵向滑动。以上几个对稳定有利的因素在设计中均不考虑，所以设计偏于安全。

根据护坡的适用条件、块体的结构等因素，选取对应的最小容许安全系数值通常在1.2～2.0之间。

设作用于混凝土块上的力为浮托力，拖曳力，和块体本身的浮重。块体稳定性取决于相对于质点的弯矩值。因此将约束力矩与倾覆力矩的比值定义为系统中单个块体的安全系数（ ）。

式中为在地基平面内的投影值；为各力的作用力臂；为块体运动方向与垂直方向的夹角；为块体运动方向与拖曳力的夹角。

3 工程应用

结合京杭运河山东段主航道自然岸坡土质、水流流态、通航特点等工程实际，进行了开孔联锁混凝土结构设计并铺装了试验段，其设计平面图见图1。其中，护坡坡度为1：2，护坡块体厚度为120mm。护坡混凝土强度等级C25，抗冻等级为F150。

根据计算分析，护坡单个块体安全系数为2.13，满足安全要求。

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