臧振濤，傅歆華

（1.浙江水院勘測設計研究有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018）

四腳空心塊作為一種常見的消浪塊體，與扭王字塊、四腳錐體和扭工字塊等相比，該塊體不僅具有投資少、施工方便、外形美觀、孔隙率高等優(yōu)點[1]，而且利用與相鄰塊體間的摩擦力保持單個塊體的穩(wěn)定，使每個塊體水動力穩(wěn)定性的差異性很小、整體穩(wěn)定性更好[2]。目前，四腳空心塊常應用于氣候條件不惡劣的外海或趕潮段的護面消浪結構中。

1 傳統(tǒng)四腳空心塊簡介

20世紀60年代末，以空心造型為主的人工護面塊體開始獨立發(fā)展起來，其中四腳空心塊是典型代表之一。四腳空心塊主要依靠塊體與塊體之間的摩擦力保持相互穩(wěn)定，同時為了保持其護面結構外觀及整體穩(wěn)定性，在設計過程中對預留的縫、高差等也有一定的要求[3]。最初日本提出安放2層四腳空心塊作為護面結構，國內(nèi)進行單層與2層安放模型試驗。試驗表明，單層安裝與2層安裝的穩(wěn)定性基本一致，只是波浪爬高稍大[4]。此后，秦山核電站消浪護岸采用單層安裝，并取得良好的防護效果。目前四腳空心塊多采用單層擺放，使其具有孔隙率高、造價低等特點。

傳統(tǒng)四腳空心塊各部分尺寸主要是采用GB/T 51015 —2014《海堤工程設計規(guī)范》[5]及JTS 154 — 1 — 2011《防波堤設計與施工規(guī)范》[6]所提出的（見圖1），并根據(jù)不同的防洪標準、波浪要素等進行計算穩(wěn)定重量[7-8]，同時關于傳統(tǒng)四腳空心塊的預制及安裝工藝，許多學者結合具體工程案例提出一系列成熟的方法[9-10]。目前，四腳空心塊護面結構已在許多新建或加固的海堤、海塘、堤防等工程中應用[11-12]。

圖1 四腳空心塊形狀尺寸圖

2 塊體結構形狀優(yōu)化

傳統(tǒng)四腳空心塊在被廣泛應用時，表現(xiàn)出一些不足之處，如由于相鄰塊體間的“腳”部相互緊靠，當?shù)躺戆l(fā)生不均勻沉降變形及遭受強風浪長期作用時，易發(fā)生“腳”部擠壓破碎（見圖2），降低護面結構的消浪效果以及外觀效果。

圖2 傳統(tǒng)四腳空心塊破壞圖

2.1 新筑塊體結構形狀優(yōu)化

為了解決四腳空心塊“腳”部擠壓破碎的問題，2012年陳振華在分析總結四腳空心塊破壞形式及受力狀況的基礎上，提出一種“凸腳收分”的四腳空心塊改進方法（見圖3）[13-14]。該方法特點主要包括：①混凝土材料中摻加有三元共聚纖維或增強型聚丙烯纖維等阻裂工程纖維；②塊體外側“腳”改為具有收分的棱臺形，使得其外側面與鉛垂線夾角 α 為 6° ～ 12°，內(nèi)側面與鉛錘面夾角 β為 20° ～30°（見圖3）。目前該四腳空心塊已在蕭圍東線和余姚治江圍涂的部分工段應用，并取得良好的效果（見圖4）。

圖3 改進四腳空心塊示意圖

圖4 改進四腳空心塊的現(xiàn)場效果圖

2.2 已筑塊體結構形狀優(yōu)化

對于按現(xiàn)有規(guī)范設計的已筑四腳空心塊，其擠壓破碎現(xiàn)象已越來越多，工程界常規(guī)的維修方法是將坡面上的四腳空心方塊全部拆除后重新安裝，并更新被擠碎的四腳空心塊。然而，工程運行不久后又會出現(xiàn)新的凸腳擠碎現(xiàn)象，并沒有從根本上解決凸腳擠碎問題。為此結合2.1節(jié)的塊體改進思想，提出對已筑四腳空心塊“腳”部的外側進行“凸腳削角”處理，使相鄰塊體之間形成用于防止凸腳擠碎的空隙，以解決現(xiàn)有的凸腳容易擠碎的問題?！巴鼓_削角”主要包括垂直削角收分以及斜向削角收分（見圖5）。

圖5 傳統(tǒng)四腳空心塊的優(yōu)化改進方案圖

3 既有塊體提標加固

20世紀90年代末，浙江省范圍內(nèi)的海堤（海塘）設計為50 a一遇防洪標準，消浪護面結構多采用四腳空心塊為主，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，原有的海堤堤防工程已不能滿足防護需求，需要進行提標加固。在提標加固時，充分利用原有四腳空心塊、降低投資成本，2017年，陳憶蓉等人結合工程實際情況，提出相應的提標加固改進方法（見圖6）[15]，主要對已有塊體采用“凸腳削角”，同時在相鄰塊體縫隙間鉆孔并在孔內(nèi)填塞混凝土柱或灌混凝土，使塊體之間相互“嵌卡”“鏈接”在一起，在保證其具有原孔隙率高、消浪效果好、節(jié)省建材等特點的同時，提高其護面結構的整體穩(wěn)定性，達到提標加固的目的。

圖6 既有四腳空心塊護面提標示意圖

針對新筑四腳空心塊的提標加固，可在不增加塊體重量的前提下，通過優(yōu)化澆筑工藝，對塊體的側面結構尺寸作局部改進，使得相鄰塊體間的中間部分存在一凹一凸的面，利用“嵌卡”作用增加塊體間嵌固力（見圖7）。

圖7 新筑四腳空心塊護面提標示意圖

4 塊體優(yōu)化原理分析

針對四腳空心塊在實際工程應用中出現(xiàn)的“腳”部擠壓破碎現(xiàn)象，通過分析上述優(yōu)化改進方法可知，無論采用“凸腳收分”還是“凸腳削角”，其主要目的都是增加相鄰塊體間“腳”部的空隙，防止相鄰塊體間“腳”部因直接接觸而發(fā)生擠壓破碎的問題。這種塊體優(yōu)化改進方法還能夠增加護面結構的表面粗糙度，使其消浪能力得以提升，降低工程施工、運行維護成本，提升護面結構的美觀效果。

在四腳空心塊護面結構提標加固的優(yōu)化中，當采用“凸腳收分”“凸腳削角”并結合“嵌卡加固”工藝時，塊體極限平衡下的受力簡圖見圖8。

圖8 四腳空心塊受力簡圖

由圖8可知，四腳空心塊臨界穩(wěn)定力學平衡方程為：

W ′ cosα + Fμ+ Ft= Fn（1）

式中：W ′為塊體浮重（kN）；Fμ為塊體間的摩擦力（kN）；Ft為塊體間的嵌卡力（kN）；Fn為法向波浪力（kN）。由式（1）可知，在四腳空心塊重量、摩擦系數(shù)一定時，其所能承受的波浪力與塊體間的嵌卡力成正比（斜率為1），如當卡槽孔徑為20 cm，嵌套部分抗剪強度為3.2 N/mm2時，利用嵌卡作用產(chǎn)生的力為100.48 kN，能夠很大程度上提高塊體間的作用力。因此，利用“嵌卡加固”工藝，選擇抗剪強度高的材料以提高相鄰四腳空心塊之間的相互作用力，在保證護面塊體具有良好的孔隙率、消浪效果等特點的前提下，提高其抗風浪能力和整體穩(wěn)定性是可行的。

5 結 語

四腳空心塊作為一種常見的混凝土消浪塊體，由于其具有孔隙率高、節(jié)省建材等特點，被廣泛應用于沿海堤防工程中。文章結合工程實際，介紹傳統(tǒng)四腳空心塊的特點，并針對其在工程應用中出現(xiàn)的“碎腳”問題，總結分析“凸腳收分”的四腳空心塊改進方法，并針對已有四腳空心塊工程提出“凸腳削角”優(yōu)化改進的方法。同時針對有關四腳空心塊護面結構提標加固的問題，利用“凸腳收分”“凸腳削角”“嵌卡加固”等措施對新建、已建四腳空心塊護面結構進行優(yōu)化，并結合塊體受力分析護面結構提標加固的效果。