连锁混凝土护坡块体稳定厚度计算分析

摘 要：本文利用有限元软件对连锁块护坡进行了稳定分析，为该种新型护坡结构的设计施工以及相关设计规范的完善提供参考。波浪产生的浮托力是连锁块护坡破坏的主要因素，其渗透性、块体间的连锁咬合，都有利于增加护面层的整体性，有效减小护面层厚度。

关键词：连锁；混凝土护坡；浮托力；稳定性

0 引言

混凝土连锁块体护坡是由一组尺寸、形状和重量一致的混凝土预制块，通过独特的连锁设计，块与块之间相互连接而形成的连锁型矩阵。整个铺面系统由连锁型混凝土块面层、级配碎石滤水层、土工布反滤层、基土层组成。这种护坡形式能有效抵抗外力，且整体柔性能适应边坡的变形，从而使结构体系具有较高的稳定性。

1 护坡稳定性理论

混凝土护坡块体在使用过程中受到的荷载包括：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，块体间的咬合作用；动水中还受到波浪的作用力。波浪作用下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，进一步引起其周围护坡块体的松动破坏。故有一块连锁块脱出时，即认为混凝土连锁块体护坡的整体遭到破坏。

2 不同稳定厚度公式的对比

以某航道护坡为对象，利用现有公式分别对其进行稳定厚度计算。该航道宽度为60m，底标高32.07m，堤顶高程39.5m。最高通航水位27.35m，最低通航水位36.42m。边坡坡度为1：3。混凝土护坡块采用两面连锁型开孔块。坡面底部设置趾墙，用于防止铺面系统整体下滑。设计护坡块体的尺寸为500mm×500mm×120mm。

我国的《堤防工程设计规范GB50286-2013》中共给出了在波浪作用下，三种不同的计算护坡护脚的方法：

（1）美国的Hudson公式：

（1）

（2）常用于干砌石护坡的培什金公式：

（2）

（3）混凝土板护面的厚度计算公式：

（3）

此外，国内考虑连锁作用使用的改进Hudson公式：

（4）

以设计的波浪荷载值为准，套用几种公式计算所得的结果如下表1所示：

3 基于ABAQUS的稳定厚度分析

3.1 模型基本情况

按照工程实际，取航道一边坡体按实际尺寸进行模拟。连锁块体护坡在实际工作时，主要依靠块体间的连锁作用保证其稳定性不受破坏。为了模拟这种相互作用，在每块护坡块体的相互接触面上均设置摩擦型接触。护坡块体与土体之间也设置为接触。

3.2 工况分析

为分析块体尺寸对其承载能力的影响，在原有设计块体尺寸（500mm×500mm×120mm）的基础上，另外在此基础上取将其厚度减半（500mm×500mm×60mm）的块体同时进行稳定性分析。计算结果见表2。

对比规范中选取的四种公式在相同条件下的计算结果可知，每种公式的计算结果都有很大的不同。使用有限元软件ABAQUS分析，当设计护坡块的厚度为60mm时，依然能够抵御超过现有荷载一倍以上的波浪荷载。因此使用上述几种公式所得出的最小稳定厚度值已经足以满足设计要求，并且承载能力依然有富余，能够保证护坡结构的稳定性。

四种公式中，前三者在计算时对块体厚度最主要的影响因素有斜坡的坡度、块体的材料密度，以及波浪的波高和波长。公式（4）虽考虑了块体的连锁作用，但只是取了一个粗略的连锁系数，缺乏理论支持。此外连锁混凝土具有不同于传统护坡的良好渗透性，可以有效的降低波浪的浮脱作用而有利于结构稳定，而该因素在上述公式中均没有提到。因此工程上将这些公式用于连锁混凝土的计算时结果都较保守。

4 结语

混凝土连锁护坡块体之间互相连锁可增加护面层的整体性，有效减小护面层厚度。另外，由于护坡具有一定的渗透性，波生浮托力是砌块护坡破坏的主要因素，因此增加护坡的渗透性同样可有效减小护坡厚度。

由于国内外在连锁砌块方面的研究较少，因此公式仅可作为初步设计时估算用，对于波浪要素影响较大的重要水利工程，仍需要通过模型试验确定砌块厚度。

参考文献：

[1] 吴美安，孙勇，李启涛. 混凝土砌块护坡护面层稳定厚度的计算方法[J].人民黄河，2006，28（01）：62-64.

[2] 龚丽飞，杨捷，程卫国. 新型铰接式砌块护坡体系的应用及其计算方法[J].水利水电技术，2009，40（01）：58-61.

[3] GB50286-2013堤防工程设计规范[S].