梯形块堤身结构的制作方法

梯形块堤身结构的制作方法
【专利摘要】梯形块堤身结构，涉及一种堤坝工程的堤身结构。本技术方案堤身结构由横断面方向为一整块的梯形块安放在基床上并在纵向逐块连续排列衔接而成，所述梯形块为一个横断面方向为近似梯形、整体呈近似梯形棱柱体的块体，梯形块横向两侧坡面与水平面的夹角不大于60°，波浪较大时大于等于18°且小于等于45°，梯形块横向两侧直墙高度不大于梯形块高度的1/3，梯形块坡面可设置消浪泄压孔。技术效果是基底压力小、波浪抗倾稳定性和抗滑稳定性好、抵御船舶等漂流物的意外撞击能力强。本实用新型适用于堤坝工程领域整治建筑物、防波堤、防沙堤、护岸等堤坝工程的堤身结构、防浪墙结构、胸墙结构。
【专利说明】梯形块堤身结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及堤坝工程领域，尤其是堤坝的堤身结构。
【背景技术】
[0002]根据《防波堤设计与施工规范》(JTS 154-1-2011)等技术文献，与本实用新型较为接近的整治建筑物、防波堤、防沙堤、护岸等堤坝的堤身结构【背景技术】如下:
[0003]1、抛填方块斜坡堤:采用混凝土预制方块，替代块石，抛填成梯形断面，无需护面。其不足有:与块石类似，在竖向由众多混凝土预制方块堆叠而成，为散体结构，其抵御波浪作用的能力有限，为此规范规定抛填混凝土块体的斜坡堤在设计高水位处的堤身宽度不宜小于3倍设计波高值，混凝土用量很大。
[0004]2、削角沉箱直立堤、削角方块直立堤:下部结构分别为沉箱和方块，上部结构为削角斜面。其不足有:1)墙前主体仍为直墙，立波效应显著(规范规定仍按立波考虑波压力)，波浪力大；2)波浪力的合力指向直立堤后趾以外，对直立堤抗倾稳定不利；3)当堤身高度较高时，自重引起的平均基底压力基本成线形增大，波浪作用引起的基底压力成梯形分布，两者叠加后局部基底压力进一步加大，因而往往在软土地基上无法采用，在中等承载力地基上也需要较厚的抛石基床。
[0005]3、水平混合式直立堤:背浪侧为直立堤，迎浪侧采用众多人工块体抛填形成斜坡，其不足是需要依托背浪侧直立堤，堤身断面大，背浪侧直立堤的不足同沉箱式直立堤。
[0006]4、半圆型堤:包括半圆形构件和半圆形沉箱。其不足有:1)半圆形构件尽管在底板上设泄压孔以减小波浪浮托力，但宽度基本为高度的2倍，由于重量与高度基本呈平方关系，且属于空心结构，当用于高基床、矮堤身、大波浪条件时，受高度限制和空心影响，半圆形构件重量较小，抵御波浪作用能力往往不能满足需要；2)半圆形沉箱尽管有填料、自重增加，但宽度基本为高度的2倍，由于重量与高度基本呈平方关系，当用于高基床、矮堤身、大波浪条件时，受高度限制，半圆形沉箱重量较小，且不能设泄压孔，无法减小波浪压力和波浪浮托力，抵御波浪作用能力往往不能满足稳定性需要；3)半圆形构件、半圆形沉箱的拱圈系薄壁结构，抵御集中力(冲切能力)较差，导致遭遇船舶等漂流物意外撞击损坏的现象屡屡发生。
[0007]另外，三角形沉箱(CN2011203424411)由侧板、底板、两端的封板整体连接成箱体结构并充填回填料形成，两侧侧板之间按节点构造连接，不设顶板，横断面呈近似三角形，侧板与底板的夹角不大于60°，整体呈近似三角形棱柱体。其特点是:1)基底压力小且均匀、整体稳定性好，2)当侧板与水平面的夹角小于45°时，其波浪力的合力作用线始终指向沉箱底板以内，波浪力对沉箱抗倾稳定是有利的，波浪的竖向分力较大，波浪力对沉箱抗滑稳定的有利作用较大，抗倾稳定性、抗滑稳定性好。但该技术存在以下不足:1)由于三角形沉箱重量与高度基本呈平方关系，当用于高基床、矮堤身、大波浪条件时，受高度限制三角形沉箱重量较小，抵御波浪作用能力往往不能满足稳定性需要；2)沉箱侧板系薄壁结构，抵御集中力(冲切能力)较差，若遭遇船舶等漂流物意外撞击容易损坏；3)顶部基本为尖角，若遭遇船舶等漂流物意外撞击容易损坏。

【发明内容】

[0008]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种梯形块堤身结构，解决现有技术的不足。
[0009]本实用新型梯形块堤身结构的技术方案是:梯形块堤身结构，其特征在于:堤身结构由横断面方向为一整块的梯形块安放在基床上(不同于削角胸墙与直立堤的整体连接)并在纵向逐块连续排列衔接而成，所述梯形块为一个横断面方向为近似梯形、整体呈近似梯形棱柱体的块体，梯形块横向两侧坡面与水平面的夹角不大于60°。
[0010]当堤前波浪Hist接近于0.6^0.78倍水深(破碎波)，梯形块横向两侧坡面与水平面的夹角大于等于18°且小于等于45°。
[0011]梯形块横向两侧坡面提高稳定性的机理:由于波峰作用在坡面上的波浪力的方向始终与迎浪侧坡面垂直，其竖向分力对梯形块整体稳定有利。当两侧坡度与水平面的夹角不大于45°时，波峰作用在坡面上的波浪力的合力作用线始终指向梯形块底面以内，见图16、图18，对梯形块的抗倾稳定是有利的，其竖向分力较大，对梯形块抗滑稳定的有利作用较大；当两侧坡度与水平面的夹角45°~60°时，波峰作用在坡面上的波浪力的合力作用线基本指向梯形块背浪侧趾附近，基本不产生倾覆力矩，考虑梯形块有效自重引起的稳定力矩后一般不存在抗倾失稳问题，但其竖向分力减小，对梯形块抗滑的有利作用减小。
[0012]抗滑稳定性验算按《防波堤设计与施工规范》半圆体抗滑稳定性验算公式:
YoInpB- Yvpyf)^{?θ°-ΥΛ)Ι(O
[0013]式中:Y。为结构重要性系数,取1.0 ； Yp为水平波浪力分项系数,取1.25 ; Yv为竖向波浪力分项系数，取1.25 ； Yu为波浪浮托力分项系数，取1.25 ; Ye为自重分项系数，取1.0 ;PH为波峰作用在坡面上的波浪力的水平向分力标准值；PV为波峰作用在坡面上的波浪力的竖向分力标准值；PU为作用在底面上的波浪浮托力标准值；G为梯形块扣除浮力后的有效自重标准值为梯形块与基床的摩擦系数。
[0014]梯形块横向两侧坡面与水平面夹角的确定方法:根据梯形块横向两侧坡面提高稳定性的机理，夹角主要根据波浪和堤身高度的对比关系，经抗倾、抗滑稳定计算确定，一般当堤前波浪相对于堤高较小时，梯形块横向两侧坡面与水平面夹角可接近于60°，当堤前波浪相对于堤高较大、但Hist小于0.6倍水深时，梯形块横向两侧坡面与水平面夹角宜接近于45°，当堤前波浪很大、Htt接近于0.6^0.78倍水深(破碎波)时，梯形块两侧坡度与水平面夹角宜不大于45°。当水深较大、梯形块高度较大而波浪较小时，梯形块横向两侧坡面也可采用由不同坡度组成的折线坡面，如波浪作用区采用坡度较缓的坡面，而波浪作用区以下采用坡度较陡的坡面，以减少梯形块材料用量和自重。
[0015]为便于人员上下，梯形块横向两侧坡面可设为阶梯形，阶梯的平均坡度按上述要求确定。
[0016]梯形块顶宽根据波浪作用下的抗滑稳定性确定，一般不小于lm，最小不小于
0.5m。梯形块单件长度(即分段长度)一般根据施工条件确定，不宜大于10m。
[0017]为提高波浪作用下的抗滑稳定性、减小梯形块顶宽和自重，在梯形块上特别是在迎浪侧坡面上 设置消浪泄压孔，或消浪墩、消浪坎。消浪泄压孔采用圆孔、方孔或矩形孔，迎浪侧坡面开孔率Ii1 (迎浪侧所有消浪泄压孔面积合计占迎浪侧坡面面积比例)一般15%~37%，不宜小于10%，不宜大于50%。基床为抛石、砌石、混凝土结构时，消浪泄压孔可由顶面到底面上下贯通，其直径或最小边长不大于基床块石粒径。消浪泄压孔也可只在同一侧坡面上上下贯通，或不贯通。
[0018]上下贯通消浪泄压孔提高梯形块抗滑稳定性的机理:设置上下贯通消浪泄压孔后，梯形块自重有所减小，但消浪泄压孔处的坡面波峰波浪力和底面波浪浮托力相互抵消，使得迎浪侧坡面上的波峰波浪力的作用面积、波浪力和梯形块底面上的波浪浮托力的作用面积、波浪浮托力相应减小，比梯形块自重减小幅度更大，从而显著提高梯形块的抗滑稳定性，同时显著节省梯形块材料用量。为简便、清晰起见，其效果按以下近似方法大致分析:将迎浪侧坡面开孔率Ii1 (迎浪侧所有消浪泄压孔面积合计占迎浪侧坡面面积比例)和全部开孔率H2 (所有消浪泄压孔面积合计占坡面和顶面面积比例)代入式(1)，整理后得:
[0019]1-25(1- - (PF - Fil)/]< (1-?2)Gf(2)
[0020]由式(2)可知，若ηι=10%，n2=5% (仅迎浪侧开孔情况)，则与不设消浪泄压孔相比，式(2)的左式数值即滑动力下降1.25*10%=12.5%，右式即抗滑力下降5%，滑动力的下降幅度大大大于抗滑力的下降幅度，抗滑稳定性得到显著提高，同时梯形块材料用量节省5% ；若ηι=η2=20% (梯形块坡面及顶面全部开孔情况)，则与不设消浪泄压孔相比，左式数值即滑动力下降1.25*20%=25%，右式即抗滑力下降20%，滑动力的下降幅度大于抗滑力的下降幅度，抗滑稳定性也有所提高，同时梯形块材料用量节省20%。 [0021]迎浪侧坡面上设置的消浪泄压孔只在同一侧坡面上相互贯通或不贯通时，对迎浪侧坡面上波峰波浪力也有一定的消浪泄压效果。
[0022]另外，当波浪较小、水深较大、梯形块高度较大时，梯形块抗滑稳定性有富余时，设置消浪泄压孔同时还有显著节省梯形块材料用量、减轻梯形块自重和基底压力的作用。
[0023]当波浪较小、水深大、基床高度较小、梯形块高度较大时，梯形块横向两侧直墙高度不大于梯形块高度的1/2。当波浪较大、梯形块高度较小时，梯形块横向两侧直墙高度不大于梯形块高度的1/3。
[0024]纵向相邻梯形块衔接方式为铅直平面接触衔接，或铅直企口榫接，缝宽一般不大于5cm，或铅直平面加橡胶止水接触衔接，均为现有技术，不再赘述。
[0025]梯形块可以进一步在顶部设置水平截面为矩形或波浪形、矩形槽形、梯形槽形的挡板，或设置竖向截面为反弧形、挑檐形的挡板。
[0026]梯形块材质一般采用素混凝土或素混凝土加构造配筋，也可采用埋石混凝土、灌砌块石、浆砌块石、钢筋混凝土、钢套箱混凝土或组合结构，均为现有技术，不再赘述。
[0027]梯形块堤身结构施工一般采用整体预制、驳船装载、吊机安放方式，具备条件时，也可采用现浇、现场灌砌、现场砌筑、安放钢套箱后现浇混凝土等方式，均为现有技术，不再赘述。
[0028]本实用新型的技术效果是:
[0029]1、与三角形沉箱(CN2011203424411)类似的技术效果
[0030]I)梯形炔基底压力分布宽度大，自重作用下基底压力很小且较为均匀，由于波峰作用在坡面上的波浪力的合力作用线指向梯形块底面以内，波浪作用下的基底压力也很小且较为均匀，比现有技术沉箱的基底压力显著减小，对于中等承载力的地基，可以减小甚至不设抛石基床，对于软土地基，设置一定厚度的抛石基床后就可适应。
[0031]2)静力分析和波浪断面物模试验表明，在波浪作用下，部分波浪水流沿坡面越过堤顶，从而避免了立波效应，大大减小了波峰作用在坡面上的波浪力；同时当两侧坡度与水平面的夹角不大于45°时，波峰作用在坡面上的波浪力的合力作用线始终指向梯形块底面以内，见图16、图18，对梯形块的抗倾稳定是有利的，其竖向分力较大，对梯形块抗滑稳定的有利作用较大；当两侧坡度与水平面的夹角45°飞0°时，波峰作用在坡面上的波浪力的合力作用线基本指向梯形块背浪侧趾附近，基本不产生倾覆力矩，考虑梯形块有效自重引起的稳定力矩后一般不存在抗倾失稳问题，因此，抗倾稳定性、抗滑稳定性大大提高。在同等波浪、水深、水压力条件下，断面面积要明显小于现有技术直立式沉箱。
[0032]2、其他技术效果
[0033]I)梯形块堤身结构在横断面方向为一个块体，整体承受波浪力作用，克服了抛填方块心斜坡堤由众多混凝土预制方块堆叠而成的为散体结构抵御波浪作用的能力有限、需要加大堤身宽度、混凝土用量大的问题。
[0034]2)梯形块顶宽可以根据波浪作用确定，当用于高基床、矮堤身、大波浪条件时，可以通过加大梯形块顶宽来增加自重，满足波浪稳定性。而三角形沉箱有效重量受制于堤身高度，抵御波浪作用能力不足，无法适应高基床、矮堤身、大波浪条件。
[0035]3)静力分析和波浪断面物模试验表明，迎浪侧坡面上消浪泄压孔特别是上下贯通的消浪泄压孔可使波峰作用在坡面上的波浪力和作用在底面上的波浪浮托力显著减小，从而提高稳定性、节省材料用量。而三角形沉箱没有消浪泄压孔，波峰作用在坡面上的波浪力和作用在底板上的波浪浮托力大，波浪作用下稳定性差。
[0036]4)梯形块为大体积实心结构，且有一定顶宽，抵御集中力(冲切能力)强，可以承受船舶等漂流物的意外撞击而不容易损坏。而三角形沉箱侧板薄壁结构抵御集中力(冲切能力)较差，遭遇船舶等漂流物意外撞击容易损坏，顶部尖角结构强度低，遭遇船舶等漂流物意外撞击容易损坏。
[0037]本实用新型适用于堤坝工程领域导堤、顺坝、丁坝、格坝、齿坝、鱼骨坝、分流堤、潜堤等整治建筑物、防波堤、防沙堤、护岸、围堤、围堪、引堤、防讯大堤、海堤、海塘、海挡、海上路基、进海路等堤现工程的堤身结构、防浪墙结构、胸墙结构。
【专利附图】

【附图说明】
[0038]图1为现有技术半圆形沉箱堤现实例断面图；
[0039]图2为现有技术半圆形沉箱堤坝实例波压力分布图；
[0040]图3为现有技术三角形沉箱堤坝实例断面图；
[0041]图4为现有技术三角形沉箱堤坝实例波压力分布图；
[0042]图5为本实用新型梯形块堤身结构(消浪泄压孔)平面图；
[0043]图6为本实用新型梯形块堤身结构(消浪泄压孔)立面图(A向)；
[0044]图7为本实用新型梯形块堤身结构(消浪泄压孔上下贯通)断面图；
[0045]图8为本实用新型梯形块堤身结构(消浪泄压孔同一侧坡面上贯通)断面图；
[0046]图9为本实用新型梯形块堤身结构(消浪泄压孔不贯通)断面图；
[0047]图10为本实用新型梯形块堤身结构(消浪墩)断面图；[0048]图11为本实用新型梯形块堤身结构(阶梯形坡面)断面图；
[0049]图12为本实用新型梯形块堤身结构(无消浪泄压孔)平面图；
[0050]图13为本实用新型梯形块堤身结构(无消浪泄压孔)立面图(B向)；
[0051]图14为本实用新型梯形块堤身结构(无消浪泄压孔)断面图；
[0052]图15为本实用新型梯形块堤身结构(消浪泄压孔上下贯通)实例断面图；
[0053]图16为本实用新型梯形块堤身结构(消浪泄压孔上下贯通)实例波压力分布图；
[0054]图17为本实用新型梯形块堤身结构(无消浪泄压孔)实例断面图；
[0055]图18为本实用新型梯形块堤身结构(无消浪泄压孔)实例波压力分布图；
[0056]图19为本实用新型梯形块堤身结构(折线坡面)断面图。
[0057]附图中表示的I是半圆形沉箱，2是三角形沉箱，3是梯形块，4是梯形块横向两侧坡面，5是梯形块迎浪侧坡面，6是消浪泄压孔，7是消浪墩，8是基床，9是地基，10是波峰作用在坡面上的波浪力，11是波峰作用在坡面上的波浪力的合力作用线，12是作用在底面上的波浪浮托力，13是灌砂，14、是横向两侧直墙，15、是梯形块纵向衔接缝，16是已有斜坡堤，17是阶梯形坡面。
【具体实施方式】
[0058]下面结合【专利附图】

【附图说明】本实用新型的实施方式:
[0059]实施例一:在已建斜坡堤上安放梯形块堤身结构(无消浪泄压孔)形成导堤。
[0060]I)某导堤设计条件为:已有斜坡堤16为抛填大块石结构，块石最小粒径0.6m,顶高程2.3m，顶宽5.2m。需要在已有斜坡堤16基础上加高至堤顶高程4.5m，堤前滩面高程-2m,设计低水位0.08m,设计高水位4.1lm,波浪H1%=3.5m, T=7.6s, L=58m。
[0061]2)若在已建斜坡堤16上安放现有技术半圆形沉箱形成导堤，参见图1、图2，在已有斜坡堤16堤顶(作为基床)上预制安放半圆形沉箱1，半圆形沉箱I由拱圈、底板、两端的封板、纵隔墙、横隔墙整体连接成箱体结构并灌砂13形成，横断面呈近似半圆形，单件长度5m,堤顶高程为4.5m,底板宽度4.4m,拱圈厚度为0.35m,底板厚度为0.5m,两端封板厚度
0.2m。抗滑稳定性验算按《防波堤设计与施工规范》半圆体抗滑稳定性验算公式(无抛石压肩的被动土压力):
[0062]
【权利要求】
1.梯形块堤身结构，其特征在于:堤身结构由横断面方向为一整块的梯形块安放在基床上并在纵向逐块连续排列衔接而成，所述梯形块为一个横断面方向为近似梯形、整体呈近似梯形棱柱体的块体，梯形块横向两侧坡面与水平面的夹角不大于60°。
2.根据权利要求1所述的梯形块堤身结构，其特征在于:梯形块横向两侧坡面与水平面的夹角大于等于18°且小于等于45°。
3.根据权利要求1或2所述的梯形块堤身结构，其特征在于:梯形块迎浪侧坡面设置由坡面到底面上下贯通的消浪泄压孔，或设置不贯通的消浪泄压孔、消浪墩、消浪坎、只在同一侧坡面上相互贯通的消浪泄压孔。
4.根据权利要求1或2所述的梯形块堤身结构，其特征在于:梯形块横向两侧直墙高度不大于梯形块高度的1/3。
5.根据权利要求3所述的梯形块堤身结构，其特征在于:梯形块横向两侧直墙高度不大于梯形块高度的1/3。
【文档编号】E02B3/06GK203782639SQ201420022869
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】马兴华, 陈喆, 周海, 张忱, 陈琳 申请人:中交上海航道勘察设计研究院有限公司