反滤混凝土护坡的消波、冲刷试验研究

2022-09-11

0前言

近年来, 堤坝和一些河道护坡等工程, 除了一般的土木工程和绿化设施外, 有的时候还需要考虑到波浪的影响, 尤其是港口及一些沿海护岸工程, 波浪因素会对结构产生很大的作用[1,2]。有关研究表明:一些海工结构物在波浪的作用下会产生很大的弹性变形。因此在结构的设计过程中就要充分考虑到消波的效果[3]。目前大多数采用的是斜坡式结构再配合一些消波块的运用。其中斜坡式结构应用较广, 它相比于那些直立式的挡墙, 它的斜坡结构能使波浪破碎, 不像直立式挡墙会产生强烈的反射而形成立波, 使其具有一定的消波性能。消波块的设计理念就是考虑在这类大型的水工结构物前面建造经济有效的防波堤或者消波块来防止波浪直接作用在水工结构物上面, 以此来起到一定的消波效果。这种消波块比较适用与一些大型的水工结构, 而在一些小型的水工项目中, 由于经济、环境等因素的影响, 消波块的应用就比较少[4]。

本文介绍的就是在斜坡式结构中采用反滤混凝土来替代一般的混凝土, 在其原有的基础上, 利用反滤混凝土的多孔性和透水性, 在波浪到来时, 有一部分水波渗透到反滤混凝土内, 从而降低它的涌上高度, 来达到更好的消波效果。这种反滤混凝土造价并不高昂, 结构简单, 运用方便, 适用范围广, 不论大小型工程都可以运用, 而且施工方便。相比于一般的混凝土, 它不仅承载力满足要求, 而且轻质多孔, 又具有非常好的透水性, 还能栽种植物, 有很好的生态功能[5]。在以后的水工结构中可以得到大面积的使用。

1 反滤混凝土的结构和优越性能

反滤混凝土是由骨料、水泥、水拌制而成的一种多孔混凝土。它是通过加入一定量的添加剂来提高水泥浆体的粘聚力, 使骨料颗粒间相互接触, 相互粘结, 形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构。具有很好的透水性和过滤性, 并且具有一定的承载能力。

相比与一般混凝土, 它具有很多优点。当其被应用在水库、堤防上制成反滤混凝土护坡时, 它具有很好的透水效果, 一般它的渗透系数为1.5×10-2cm/s, 能满足60mm/h的降水强度, 可以很好的补充地下水, 它的保水性能也很好, 孔隙率达到20%以上, 保水量通常0.8g/cm2以上, 这样在保持地下水的基础上就可以缓解城市的热岛效应。反滤混凝土应用在护坡中, 可以在承载力满足高强护堤作用的基础上, 由于其自身的多孔性和透水性, 可以消除一定的净水压力, 大大加强了结构的稳定性和安全性。同时由于大坝、河道生态护坡是一个与周围环境相互协调的开放性生态系统, 一般的混凝土会阻碍土壤和水体之间的物质交换, 阻断了水体和近岸陆地土壤之间的联系, 破坏了原有的生态系统。而反滤混凝土上是可以栽种植物的, 从而实现植物和水中生物的生长, 通过使土壤和水体之间联系起来来协调周围的生态环境, 起到改善景观、净化水质和完善生态系统的多重功能[6,7,8]。

2 反滤混凝土的消波机理

一般混凝土的表面比较平滑, 在波浪到来时, 水波的运动能量可以直接涌到斜坡上部, 转化成位能, 这样水波的涌上高度就比较高, 这对于大坝或者护坡的要求就比较高。而反滤混凝土, 它的表面会因为多孔性而多凹凸, 这样就会比一般的混凝土粗糙。应用在护坡中, 其护坡斜面的表面就比一般的混凝土要粗糙, 这样会使波浪冲击到斜面时, 在不同的凹凸面产生反射的时间不一样, 他们所形成的反射波的波峰和波谷的位置也不一样, 最后两个合成的波浪就会小于一般混凝土产生的单一反射的波高, 这样就减少了水波的能量从而降低了水波的涌上高度。同时由于其良好的透水性, 还会有一部分水波会浸透到反滤混凝土内, 而在水波通过反滤混凝土内部孔洞的过程中, 水波之间会发生相互碰撞, 再加上孔壁的摩擦阻碍作用, 水波会损失大量的能量, 从而大大降低了水波在护坡斜面上的涌上高度。

为了验证反滤混凝土的实际消波效果, 采用模型试验来验证。

3 试验装置

先填土修出一段水路, 水路长30m、宽2.0m、深1.0m, 坡度为1:2。水路的一端配有一造波机, 可以产生不同要素的波浪。再在另一端布置1:2.0斜面, 斜面宽1.0m、高1.5m。在斜面上分别布置混凝土搁板、反滤混凝土, 如图1和2所示。

4 实验内容

4.1 消波实验

在水槽一端的护坡斜面上先布置已经制好的混凝土搁板, 然后调整另一端的造波机, 使其分别产生不同要素的波浪。在试验过程中, 测定在不同要素波浪状态下斜坡上水波的涌上高度。

然后卸下混凝土搁板, 布置上反滤混凝土。再按照上面的方法, 在相同的条件下测定不同要素波浪下斜板上水波的涌上高度。整个试验的布置如图3所示。其中H是波高, T是周期, L1是水波在斜面上的涌上长度, h2是涌上长度所对应的笔直涌上高度。混凝土搁板和反滤混凝土的消波效果见表1和图4。

4.2 冲刷实验

利用消波实验装置, 使搁板之间的接合部部分开放。水流冲刷时、从第1波开始产生、范围以水波涌起高度为上端、沿斜面形成水路。观察搁板以下土体冲刷情况并记录相应实验数据, 见表2。

5 实验结果及分析

5.1 消波试验结果及分析

从上面反滤混凝土的消波效果图中可以看出, 对于不同强弱的波浪, 反滤混凝土的消波效果都非常显著。尤其是当混凝土搁板的波高~波涌曲线为100%时, 反滤混凝土的曲线波高在3㎝以下时, 可达到50%以上的消波效果, 这在水库、河道护坡工程中将会大大降低波浪高度, 效果非常显著。随着波高的增加, 反滤混凝土的消波效果也相对的降低, 当波高5㎝以上时, 反滤混凝土也具有30~40%左右的消波效果, 这也具有很高的应用价值。

5.2 冲刷试验结果及分析

(1) 混凝土搁板

设置时作为排水用、使搁板之间的接合部部分开放。抽取 (冲刷) 时、从第1波开始产生、范围以水波涌起高度为上端、沿斜面形成水路。抽取表面、把3mm左右以下的土粒子完全冲掉。

(2) 反滤混凝土

由于反滤混凝土内具有良好的透水性 (100~10-1㎝/s) 、伴随着水波水位的上升、下降、反滤混凝土内的水位也反复进行上升、下降、水波的周期发生1/2左右的延迟、而且、水位的变动也在反滤混凝土内、较比水波的变动差要小。水位在A-B处发生变化时、反滤混凝土内的水位在C-D处发生变化、水位变化的周期、与水波在A-B的周期相同、但发生1/2周期左右的延迟。因此、随着水波水位的变动、反滤混凝土内的水位虽然也发生变动、但并非急剧的变动、所以填土材料的抽出 (冲刷) 現象并未能见到[9]。

6 结论

目前, 反滤混凝土只在河道护岸、路面结构中得到一定范围的使用, 并取得不错的效果。现在经试验测定表明, 相比一般混凝土, 反滤混凝土在护坡当中的消波及抗冲刷效果也非常好, 具有很高的应用价值, 尤其在水库大坝、海堤、河堤迎水侧护坡有很大的推广意义。并且反滤混凝土的使用范围也广, 只要是一般的采用重力式的结构中都可以用它来代替一般的混凝土。施工方便, 而且它的造价也非常经济。除了消波效果好之外, 它的其他特点比如良好的自反滤功能和净化水质的功能都会让它比一般的混凝土性能更加优秀, 这也为它提供了广阔的应用前景。

摘要：反滤混凝土又称多孔混凝土, 是一种由骨料、水泥和水及外加剂拌制而成的一种多孔混凝土, 它具有很好的透水性和过滤性, 并具有一定的承载能力。由于其自身的多孔性, 使其不仅具有自然净化水质、实现植物生长的达到改善生态环境的功能, 而且还能防波浪冲刷, 起到很好的消波的作用。采用模型试验的方法来验证反滤混凝土相比较一般混凝土在护坡中的实际消波效果。经试验测定表明, 相比一般的混凝土, 反滤混凝土在护坡当中的消波及抗冲刷效果非常好, 具有很高的应用价值, 尤其在水库大坝、海堤、河堤迎水侧护坡有很大的推广意义。

关键词：反滤混凝土,消波,模型试验,外加剂