馬 勇，王 馨，黃丹蘋，覃 杰，陳良志

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510290)

近年來，隨著我國承建海外工程的增多，在國內(nèi)設(shè)計規(guī)范尚未得到境外業(yè)主和咨詢工程師普遍認可的情況下，熟悉和掌握國際規(guī)范成為海外工程人員的必修課；同時，為了更好地推動中國規(guī)范走向海外，開展國內(nèi)與國際規(guī)范的對比研究也極為必要。

在護岸、防波堤、圍堰合龍、大江大河截流、河流整治等工程中，經(jīng)常需要采用塊石進行護底防護，以抵御水流作用對地基土的沖刷破壞，避免構(gòu)筑物的堤腳結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降，確保堤腳及構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。關(guān)于水流作用下護底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量計算，國內(nèi)外均已開展了大量研究，根據(jù)模型試驗、理論推導(dǎo)和工程經(jīng)驗，國際上已總結(jié)提出了多種成熟的計算理論[1]?；谝延醒芯砍晒?，國內(nèi)外常用規(guī)范中對于水流作用下護底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量計算問題，均給出了明確的計算方法，可通過計算公式直接計算塊石的質(zhì)量或粒徑，但因各種經(jīng)驗公式推導(dǎo)的前提和背景有所不同，往往產(chǎn)生多個不同的計算結(jié)果，給設(shè)計和使用人員帶來較多不便。在海外的水運工程中，護底塊石的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題普遍存在，尤其在護岸工程，基于多個海外工程對該問題的處理經(jīng)驗，本文針對水流作用下護底塊石穩(wěn)定質(zhì)量的計算方法進行國內(nèi)外規(guī)范的對比分析，可為類似海外工程提供借鑒。

本文針對國內(nèi)外常用規(guī)范中給出的計算方法進行對比分析，主要對比的規(guī)范為：中國的《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[2]、美國的CoastalEngineeringManual[3]、日本的TechnicalStandardsandCommentariesforPortandHarborFacilitiesinJapan[4]和國際通用手冊TheRockManual[5]。

1 各國規(guī)范推薦計算方法

1.1 中國規(guī)范

《堤防工程設(shè)計規(guī)范》給出水流作用下護底塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑及質(zhì)量的計算公式如下：

(1)

(2)

1.2 美國規(guī)范

CoastalEngineeringManual給出水流作用下護底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量的計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

M50=2.6M30

(6)

式中：D30為細粒質(zhì)量占比為30%對應(yīng)的塊石粒徑(m)；M30為細粒質(zhì)量占比為30%對應(yīng)的塊石質(zhì)量(kg)；Sf為安全系數(shù)，最小取值為1.1；Cs為初始運動的穩(wěn)定系數(shù)，帶棱角的塊石取0.30，圓潤塊石取0.38；h為水深(m)；K1為邊坡修正系數(shù)；θ為邊坡坡度；φ為護面結(jié)構(gòu)休止角(°)，對于塊石取40°。

1.3 日本規(guī)范

TechnicalStandardsandCommentariesforPortandHarborFacilitiesinJapan給出水流作用下護底塊石穩(wěn)定質(zhì)量的計算公式如下：

(7)

式中：yd為Isbash系數(shù)，掩埋塊石取1.20，裸露塊石取0.86；Sr為塊石的相對密度；θ′為河道縱向坡度。

1.4 國際通用手冊

TheRockManual關(guān)于水流作用下護底塊石穩(wěn)定質(zhì)量的計算推薦以下3種方法：

1)Pilarczyk法：

(8)

(9)

式中：Dn50為塊石的公稱中值粒徑(m)，Dn50=0.84D50；ψsc為穩(wěn)定校正系數(shù)，對于連續(xù)的護底塊石取0.75；ψcr為護底塊石的臨界起動系數(shù)，取0.035；kt為紊動系數(shù)，根據(jù)紊動程度取值；kh為速度系數(shù)；ksl為邊坡坡度系數(shù)。

2)Escarameia & May法：

(10)

(11)

式中：cT為紊動系數(shù)，對護底塊石cT=12.3r-0.20，其中r為海床面0.1倍水深處的紊動強度；ub為距海床面0.1倍水深處底流速(m/s)，ub范圍為(0.74～0.90)v。

3)Maynord法：

(12)

ksl=-0.67+1.49cotα-0.45cot2α+0.045cot3α

(13)

式中：fg為級配系數(shù)，其值為D85/D15，其中D85、D15為細粒質(zhì)量占比為85%、15%對應(yīng)的塊石粒徑(m)；Cst為穩(wěn)定系數(shù)，帶棱角的塊石取0.3，圓潤塊石取0.375；Cv為速度分布系數(shù)；CT為護底厚度系數(shù)；ksl邊坡坡度系數(shù)；α為坡面與水平面夾角(°)。此方法根據(jù)D50計算M50的公式與式(2)相同。

2 工程案例計算對比

2.1 計算結(jié)果

某海外運河航道擴建升級工程，浚深后航道底高程為-16.5 m，底寬250 m，兩側(cè)邊坡采用塊石護面防護，坡度為1:2.5，極端高水位為1.78 m，極端低水位為0.55 m，運河內(nèi)最大水流流速為3.2 m/s(洪水期)。

對于本工程所需的護底塊石質(zhì)量，采用上述國內(nèi)外規(guī)范推薦的方法分別進行計算，其中塊石密度取2 650 kg/m3，水密度取1 025 kg/m3，重力加速度g取9.81 m/s2，計算結(jié)果見表1。

表1 國內(nèi)外規(guī)范推薦方法計算結(jié)果對比

2.2 影響因素分析

對比上述各種方法的計算結(jié)果，可以看出不同方法的計算考慮因素和計算結(jié)果存在一定的差異，經(jīng)綜合分析，其中流速、水深、邊坡坡度、河道縱坡、紊動程度是主要控制因素，以上述工程案例為依托，分析不同因素對計算結(jié)果的影響見圖1、表2。

注：圖a)～c)的中國與日本規(guī)范的曲線重合。

表2 不同方法計算的不同水流紊動程度下的護底塊石質(zhì)量M50

通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1)不同規(guī)范推薦公式考慮的影響因素存在一定的差異，見表3。

表3 不同規(guī)范推薦公式的影響因素對比

2)在不考慮河道縱向坡度的條件下，對于掩埋狀態(tài)的護底塊石，中國與日本規(guī)范的計算公式完全一致，因此在相關(guān)影響因素的分析曲線中，兩種規(guī)范的計算結(jié)果完全重合。但對于河道縱向坡度的影響，兩種規(guī)范有顯著的差異；此外，兩種計算公式中同一位置的計算參數(shù)(中國規(guī)范中的C，日本規(guī)范中的yd)分別代表不同的影響因素，這也造成兩種計算公式在某些條件下出現(xiàn)差異。

3)中國和日本規(guī)范、TheRockManual推薦的Escarameia & May法均未考慮水深和邊坡坡度的影響，計算考慮因素較為簡單；美國規(guī)范、TheRockManual推薦的Pilarczyk法和Maynord法，綜合考慮了水流流速、水深和邊坡坡度等多方面的因素，考慮更為全面。

4)對比這些方法的計算結(jié)果可以看出，Escarameia & May法的計算結(jié)果明顯偏大，本方法是基于Izbash公式，在TheRockManual的第5.2.1.4節(jié)中說明Izbash公式的適用條件為h/D50為5～10，所以在水深較大的條件下，Escarameia & May法的計算結(jié)果可能出現(xiàn)不合理，須謹慎使用。

5)在水深較小的條件下，Pilarczyk法的計算結(jié)果可能出現(xiàn)明顯突變，須謹慎使用。

6)Pilarczyk法和Escarameia & May法都考慮了水流紊動程度的影響，在紊動程度較強的情況下，Escarameia & May法的計算結(jié)果將遠超其他計算方法，須謹慎使用。

3 結(jié)語

1)中國規(guī)范和日本規(guī)范推薦的計算公式基本一致，兩種經(jīng)驗公式應(yīng)源自同一理論，但對于河道縱向坡度的考慮，兩種方法出現(xiàn)了顯著差異，后續(xù)將進一步分析差異出現(xiàn)的原因。

2)水深對于護底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量是一個敏感因素，隨著水深的增加，護底塊石的穩(wěn)定性增強，也即所需的塊石穩(wěn)定質(zhì)量減小，但是中國規(guī)范、日本規(guī)范和TheRockManual推薦的Escarameia & May法均未考慮水深影響，在深水條件下，可能導(dǎo)致計算所需的塊石質(zhì)量偏大。此外，Escarameia & May法應(yīng)存在一定的水深適用條件，建議在h/D50為5～10的條件下使用。在水深較小的條件下，Pilarczyk法的計算結(jié)果可能出現(xiàn)明顯突變，也須謹慎使用。

3)從計算結(jié)果和影響因素等方面綜合考慮，美國規(guī)范的計算結(jié)果可以較好地包絡(luò)其他方法，但其未能考慮紊動程度的影響，在強紊動的水流條件下，建議對照Pilarczyk法和Escarameia & May法綜合評估確定塊石質(zhì)量。

4)在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工程所遵循的規(guī)范體系及工程條件，選取對應(yīng)的計算方法，并建議采用多種方法進行對比計算；同時，因計算公式主要由試驗數(shù)據(jù)的總結(jié)推導(dǎo)得來，存在一定的局限性，實際工程應(yīng)用中，應(yīng)開展物理模型試驗進行驗證，以確保工程的安全可靠。