CN106049359A - 系碟形砼块护底软体排 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系碟形砼块护底软体排，包括排垫和压载体，所述压载体为碟形砼块，所述碟形砼块采用空心圆台结构，所述空心圆台结构的侧壁倾斜角小于等于45°，在所述空心圆台结构的侧壁上设有系条穿孔，所述碟形砼块采用系条系接在所述排垫上。本发明通过采用具有中空结构的碟形砼块作为压载体，在使用期间，在系碟形砼块护底软体排附近，由于紊流作用加上碟形砼块的中空结构，悬移运动的泥沙容易进入压载体内累积，并在其内部营造良好的流速梯度和泥沙环境，为水生生物提供了天然的庇护场所，可有效改善当地生态环境，有利于生物多样性和河流健康；同时本发明能够节省工程材料，具有更高的抗掀稳定性和抗滑稳定性。

Description

系碟形砼块护底软体排

技术领域

本发明涉及航道整治技术领域的护底结构，具体涉及一种系碟形砼块护底软体排。

背景技术

河流为人类社会的发展提供了重要的航运资源，因其具有能耗低，运量大的特点备受各国重视。自然条件下，不恒定的水流泥沙条件以及复杂可动的河道边界，使河流的冲淤变化具有不确定性，航道条件并不总是朝着有利于人类生产活动的方向发展，许多情况下，可能对航运产生巨大的破坏作用，如畅通的航道淤积出浅碍航，或者平顺的水流因河床形态的调整变得汹险、散乱。因此对于现状航道条件较好的情况，通常采取工程措施稳定航道格局；对于河床冲淤变化明显的情况，则采取工程措施加以控制使之朝有利于航道的方向发展。

稳定航道格局的措施离不开护底工程；在修建航道整治建筑物控制河床冲淤变化时，因建筑物周边水流流场分布将重新调整，三维紊动较强，须对建筑物周边一定范围内进行护底防冲，以保证整治建筑物的稳定。护底工程在航道整治中的重要地位可见一斑。目前国内护底主要有抛石和排体结构。抛石护底材料取自天然，成本较低，操作简单，能起到一定的防护作用，但因块石受水流长期扰动、淘刷，多发生移位或陷入河床淤泥中，会削弱其护底效果。排体护底中，传统的柴排耐久性较差，抗拉、抗剪强度较低。近年来随着材料科学的飞速发展，以化学聚合物为原料的土工布作为排垫，被广泛用于航道整治工程，相应地排体结构型式由压载物的不同形成了系长方体砼块软体排、沙肋软体排、铰链块软体排和混凝土联锁块软体排等。

请参见图1，现有的系长方体砼块软体排，多采用长方体砼块2作压载体，土工布作排垫1。因其整体性好、适应河床变形能力强，保沙性好，广泛用于施工水位以下部位的河床防护。系砼块软体排铺设前需要对其进行抗掀动稳定计算(式1)与抗滑稳定计算(式4)。

①软体排抗掀动稳定计算：

V≤Vcr (1)

$Vcr=\mathrm{\θ}\sqrt{{{\mathrm{\γ}}^{\′}}_R{\mathrm{gt}}_m}---\left(2\right)$

r_R'＝(r_m－r_w)/r_w (3)

式中：V——软体排边缘流速(m/s)；

Vcr——软体排边缘临界流速(m/s)；

θ——系数，系软体排取2；

r_R'——软体排相对浮重度；

g——重力加速度，取9.81(m/s²)；

t_m——软体排等效厚度，取0.1m；

r_m——软体排重度,取24(kN/m³)；

r_w——水的重度，取10(kN/m³)。

②软体排抗滑稳定计算：

$K_m=\frac{({\mathrm{\γ}}_a^{\′}{t}_{m}cos\mathrm{\α}-{\mathrm{\Δh\γ}}_w)f_{sg}}{{\mathrm{\γ}}_a^{\′}{t}_{m}sin\mathrm{\α}}---\left(4\right)$

式中K_m——软体排抗滑稳定安全系数，取1.1～1.3；

γ_a——软体排的浮重度(kN/m³)；

t_m——软体排等效厚度(m)，取0.1m；

α——坡角(°)；

Δh——软体排上下水头差(m)，根据模型成果最大值0.03m；

γ_w——水的重度(KN/m³)；

f_sg——软体排与坡面的摩擦系数，取0.35。

抗掀稳定性和抗滑稳定性是系砼块软体排的重要性能指标。

现有系长方体砼块软体排采用长方体实心砼块，平面形状呈矩形，尺寸通常为40cm×30cm左右，为与排体系接方便，在长边两侧各设有两个凹槽。制作上述长方体砼块需要的混凝土材料较多。还有使用期间长方体实心砼块不能改善使用地的生态环境和河流健康。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种系碟形砼块护底软体排，该护底软体排具有更高的抗掀稳定性和抗滑稳定性，并且能够节省工程材料，能够改善使用地的生态环境和河流健康。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种系碟形砼块护底软体排，包括排垫和压载体，所述压载体为碟形砼块，所述碟形砼块采用空心圆台结构，所述空心圆台结构的侧壁倾斜角小于等于45°，在所述空心圆台结构的侧壁上设有系条穿孔，所述碟形砼块采用系条系接在所述排垫上。

所述空心圆台结构的顶面外径为10～20cm，底面外径为40～60cm，顶面与底面之间的距离为12～15cm。

所述排垫是采用250g/m²的聚丙烯编织布缝制加筋而成的，所述排垫沿排宽方向每隔50cm设有一根宽5cm的纵向聚丙稀加筋条，所述纵向聚丙稀加筋条的长度与所述排垫的长度相同；所述排垫每隔200cm设一根宽5cm长300cm的横向聚丙稀加筋条；在所述纵向聚丙稀加筋条与排布之间缝制有每两根一组的80cm的所述系条，所述系条组与组之间的间距为30cm，每组内两根所述系条的间隔20cm，每组内的两根所述系条将一个所述碟形砼块捆绑在所述排垫上。

所述排垫是由多块排片拼接而成的，每块所述排片沿排长方向两端各预留25cm作为纵向搭接部。

本发明具有的优点和积极效果是：

一)本发明通过采用碟形砼块作为压载体，提高了整个系碟形砼块软体排的抗掀稳定性；

二)本发明通过采用碟形砼块作为压载体，提高了整个系碟形砼块软体排的抗滑稳定性；

三)本发明所采用碟形砼块作为压载体，与传统长方体砼块作为压载体的软体排相比，可节省材料，经济合理。以某个护底软体排为例，若采用长度为40cm的长方体砼块作为压载体，若采用尺寸为40cm×30cm×15cm的传统长方体砼块，该护底软体排需要混凝土方量约为18000cm³；若采用40cm×10cm×15cm(底面外径×顶面外径×高)且壁厚为2cm的碟形砼块，则需要的混凝土方量约为4522cm³，仅为传统长方体砼块体的1/4。

四)本发明通过采用具有中空结构的碟形砼块作为压载体，在使用期间，在系碟形砼块护底软体排附近，由于紊流作用加上碟形砼块的中空结构，悬移运动的泥沙容易进入压载体内累积，并在其内部营造良好的流速梯度和泥沙环境，压载体内流速缓慢，为水生生物提供了天然的庇护场所，为水生生物提供了较好的荫蔽作用，水体生物富集于软体排底部，可有效改善当地生态环境，有利于生物多样性和河流健康；同时由于悬移运动泥沙的进入能够进一步提高护底软体排的稳定性。

综上所述，本发明在满足整治航道护底需要的同时，较现有系长方体砼块的软体排具有更好的抗掀稳定性和抗滑稳定性，并且还具有节能环保的效果。

附图说明

图1是现有系长方体砼块软体排的局部结构示意图；

图2是本发明的局部结构示意图；

图3是本发明的碟形砼块结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图3的侧视图；

图6是现有传统长方体砼块受力分析侧视图；

图7是本发明的碟形砼块受力分析侧视图。

图中：1、排垫，2、长方体砼块，3、碟形砼块，4、顶面，5、底面，6、侧壁，7、系条穿孔，8、系条。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1～图7，一种系碟形砼块护底软体排，包括排垫1和压载体，所述压载体为碟形砼块3，所述碟形砼块3采用空心圆台结构，所述空心圆台结构的侧壁6的倾角小于等于45°，在所述空心圆台结构的侧壁6上设有系条穿孔7，所述碟形砼块3采用系条8系接在所述排垫1上。

上述空心圆台结构的推荐尺寸：顶面4外径为10～20cm，底面5外径为40～60cm，顶面4与底面5之间的距离为12～15cm，采用上述尺寸的碟形砼块3便于工程应用，且抗掀稳定性和抗滑稳定性较好。

在本实施例中，所述排垫1是采用250g/m2的聚丙烯编织布缝制加筋而成的，所述排垫沿排宽方向每隔50cm设有一根宽5cm的纵向聚丙稀加筋条，所述纵向聚丙稀加筋条的长度与所述排垫的长度相同；所述排垫1每隔200cm设一根宽5cm长300cm的横向聚丙稀加筋条；在所述纵向聚丙稀加筋条与排布之间缝制有每两根一组的80cm的所述系条8，所述系条8组与组之间的间距为30cm，每组内两根所述系条8的间隔20cm，每组内的两根所述系条8将一个所述碟形砼块3捆绑在所述排垫1上。所述排垫1沿排长方向两端各预留25cm作为纵向搭接部。

上述系碟形砼块护底软体排与现有系长方体砼块软体排相比，抗掀稳定性较好，计算分析过程如下：

V≤Vcr (1)

$Vcr=\mathrm{\θ}\sqrt{{{\mathrm{\γ}}^{\′}}_g{\mathrm{gt}}_m}---\left(2\right)$

水流作用在碟形砼块侧壁的外侧形成作用力F，与作用在碟形砼块侧壁外侧的流速U是正相关关系，即F∝U，由于碟形砼块侧壁倾斜角β的存在，水平向的F可分解为垂直于侧壁的法向分量Fn＝Fsinβ和平行于侧壁的切向分量Ft＝Fcosβ。在计算排体浮重度γ_g'时，需要将Fn产生的等效重度记为γ_f，即

γ_g'＝(γ_m－γ_w)/γ_w+γ_f (5)

现有系长方体砼块软体排的排体浮重度γ_g为：

γ_g'＝(γ_m－γ_w)/γ_w (3)

将Vcr₁记为现有系长方体砼块软体排边缘临界流速，Vcr₂记为本发明提出的系碟形砼块护底软体排边缘临界流速，计算可知：

${\mathrm{Vcr}}_1=\mathrm{\θ}\sqrt{{{\mathrm{\γ}}^{\′}}_g{\mathrm{gt}}_m}---\left(6\right)$

${\mathrm{Vcr}}_2=\mathrm{\θ}\sqrt{{{\mathrm{\γ}}^{\′}}_g{\mathrm{gt}}_m}\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_f/{{\mathrm{\γ}}^{,}}_g}---\left(7\right)$

${\mathrm{Vcr}}_1=\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_f/{{\mathrm{\γ}}^{,}}_g}\·{\mathrm{Vcr}}_2---\left(8\right)$

两者相比可知，本发明的抗掀稳定性提高了倍。

上述系碟形砼块护底软体排与现有系长方体砼块软体排相比，抗滑稳定性较好，计算分析过程如下：

压载体采用碟形砼块时，水流在碟形砼块侧壁上形成作用力F，由于侧壁倾斜角β的存在，水平向的F可分解为垂直于侧壁的法向分量Fn＝sinβ和平行于侧壁的切向分量Ft＝cosβ，其中法向分量Fn方向向下。计算排体浮重度γ_g'时，需要将Fn产生的等效重度记为γ_f，即

γ_g'＝(γ_m－γ_w)/γ_w+γ_f (9)

将Km₁记为现有系长方体砼块软体排抗滑稳定安全系数，Km₂记为本发明提出的系碟形砼块护底软体排抗滑稳定安全系数，计算可知：

对于现有系长方体砼块软体排：

$K_{m1}=\frac{({\mathrm{\γ}}_a^{\′}{t}_{m}cos\mathrm{\α}-{\mathrm{\Δh\γ}}_w)f_{sg}}{{\mathrm{\γ}}_a^{\′}{t}_m\sin \mathrm{\α}}---\left(10\right)$

$K_{m1}={\mathrm{cot\αf}}_{sg}-\frac{{\mathrm{\Δh\γ}}_w{f}_{sg}}{{\mathrm{\γ}}_a^{\′}{t}_{m}sin\mathrm{\α}}---\left(11\right)$

对于系碟形砼块护底软体排：

$K_{m2}=\frac{\[({\mathrm{\γ}}_a^{\′}+{\mathrm{\γ}}_f)t_{m}cos\mathrm{\α}-{\mathrm{\Δh\γ}}_w\]f_{sg}}{({\mathrm{\γ}}_a^{\′}+{\mathrm{\γ}}_f)t_{m}sin\mathrm{\α}}---\left(12\right)$

$K_{m2}={\mathrm{cot\αf}}_{sg}-\frac{{\mathrm{\Δh\γ}}_w{f}_{sg}}{({\mathrm{\γ}}_a^{\′}+{\mathrm{\γ}}_f)t_{m}sin\mathrm{\α}}---\left(13\right)$

两者相比可知，K_m2大于K_m1，系碟形砼块护底软体排抗滑稳定性更好。

上述系碟形砼块护底软体排的压载体为混凝土预制结构，护底防冲的具体施工方法为：先将预制的碟形砼块3通过系条8固定在排垫1上，然后由施工船运输至工程区进行铺排作业。在铺设过程中，应按照有利于排体搭接处抗掀稳定的方向铺设。

本发明的工作原理：

(a)流速较大的水体从上游流下来，经过上游河道到达系碟形砼块护底软体排所在的守护区，水流直接作用于系碟形砼块护底软体排，守护作用的发挥使护底范围内河床免遭水流冲刷。

(b)系碟形砼块护底软体排受到流速较大的水体冲刷作用，水体经过碟形砼块后在其侧壁上形成一个法向作用力，作用方向指向其底部排垫，与传统长方体砼块相比提高了压载体及排垫的抗掀稳定性和抗滑稳定性。因此采用本发明的护底区域能够承受更大的流速。

(c)在水流流过有系碟形砼块护底软体排护底区域的过程中，河道阻力较天然未采取护底工程的情况大幅增大，水流紊动增强，能量消耗增大，从而使流速有所降低，有利于护底工程的稳定性。

(d)在系碟形砼块护底软体排附近，由于紊流作用加上碟形砼块的中空结构，悬移运动的泥沙易进入压载体内累积，压载体内流速缓慢，为水生生物提供了天然的庇护场所，水体生物将会富集于软体排底部，可有效改善当地生态环境。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种系碟形砼块护底软体排，包括排垫和压载体，其特征在于，所述压载体为碟形砼块，所述碟形砼块采用空心圆台结构，所述空心圆台结构的侧壁倾斜角小于等于45°，在所述空心圆台结构的侧壁上设有系条穿孔，所述碟形砼块采用系条系接在所述排垫上。

2.根据权利要求1所述系碟形砼块护底软体排，其特征在于，所述空心圆台结构的顶面外径为10～20cm，底面外径为40～60cm，顶面与底面之间的距离为12～15cm。

3.根据权利要求1所述系碟形砼块护底软体排，其特征在于，所述排垫是采用250g/m²的聚丙烯编织布缝制加筋而成的，所述排垫沿排宽方向每隔50cm设有一根宽5cm的纵向聚丙稀加筋条，所述纵向聚丙稀加筋条的长度与所述排垫的长度相同；所述排垫每隔200cm设一根宽5cm长300cm的横向聚丙稀加筋条；在所述纵向聚丙稀加筋条与排布之间缝制有每两根一组的80cm的所述系条，所述系条组与组之间的间距为30cm，每组内两根所述系条的间隔20cm，每组内的两根所述系条将一个所述碟形砼块捆绑在所述排垫上。

4.根据权利要求3所述系碟形砼块护底软体排，其特征在于，所述排垫沿排长方向两端各预留25cm作为纵向搭接部。