保护海岸水工建筑和海岸线的水泥防护件

摘要

一种保护海岸、河流、湖泊和水库的堤岸、海岸线和其它建筑免遭波浪和水流的破坏的防护件。该防护件包括一中央细长件(4)和连接在中央细长件两边的第一和第二外部细长件(8，10)。第一和第二外部细长件的纵向轴线(12，14)相互平行且与中央细长件的纵向轴线(6)正交。所有细长件都有一从其中部向两端减小的八边形横截面，当许多防护件形成保护阵列时，八边形细长件之间具有很高楔入性。还公开了一种铸造该防护件的模壳。

说明书

相关申请

本申请为1993年9月30日申请的申请号为08/128,426的美国专利申请的部分继续申请。发明背景

本发明涉及保护海岸水工建筑和海岸线的水泥防护件。本发明特别涉及随机放置的多细长腿形模件，它们形成稳定的互锁组件，该组件能抵御波浪和水流的冲击而不致造成该组件中任一构件的损坏。一般来说，这些模件受一石头垫层的支撑，并靠重力和相邻模件间的互锁力定位。现有技术简介

互锁的水泥防护件或防冲刷模件在比方说Kaneko等人的美国专利No.3,614,866和Chevallier的美国专利No.4,347,017所述的现有专利技术中是众所周知的。

Kaneko等人的专利公开了一种多足形块，它由至少三个制成一体、交叉连接的柱形件构成。因此该块至少有六个附件与其它块互锁，从而许多块紧紧装配在一起。Kaneko等人专利的主要缺点是，柱形件以最少量的共有表面部位连接在一起，从而在这些部位造成应力极度集中。由于应力极度集中，块很可能断裂，从而可能导致整个块构件或块组件被冲垮。Kaneko等人发明的块的另一个缺点是附件并不能紧紧互相咬住。这是因为柱形件的横截面为方形，因此与相邻块的摩擦啮合面积小。而且其再一个缺点是由于模件的规则排列造成的，从而只要不多的防护块遭破坏，使能导致整个保护性建筑物被冲垮。而且，规则排列的防护块在防护层中形成的孔数少，从而无法消解波浪能量而无助于减少建筑物背风处受保护部位的波浪能量。

Chevallier的专利公开了一种保护河边建筑物和海岸线的挡块。该挡块包括一中央的立方体芯，其顶面和底面伸出铁砧形腿和四边形截头棱锥状的对置的前后腿。Chevallier块的水力稳定性特征的主要缺点是，铁砧形腿太粗壮，块与块无法楔入，从而降低了互锁稳定性。这些块主要靠覆盖件的重力来提高单个块的稳定性，因此必须放置在陡坡上才能确保稳定性。但是，陡坡形建筑容易被冲垮并且实际使用中证明很有可能被冲垮。放置在斜坡上的Chevallier块形成的防护层中的孔数少，从而波浪能量的减少也比由更细长防护件构成的防护层低，此外，为了提高水力稳定性，Chevallier块需要规则地码放。

防护件的制造、存储和运输也存在实际困难。例如有些防护件的形状不易铸造和制作，有些防护件无法在仓区或驳船中嵌套在一起，因此无法有效地存储和运输。此外，有些构件无法只通过更换防护件便可修复，而必须局部拆开。

因此需要有一种耐用的互锁模件，它能随机放置而构成一构件，构件中的单个模件牢固，而该构件稳定。模件的形状须有细长的附件，以便比现有的模件形状获得更高的稳定性、更能消解波浪能量，但又足够牢固而不致于使防护件遭破坏。还需要有一种可用于修复已有斜坡的模件。还又需要有一种制造、存储和运输成本皆低的模件。发明简述    

本发明为了克服现有装置的这些和其它缺点，提供了一种防护件或防冲刷模件，其独特的形状能产生很大的互锁性，且不管建筑物斜坡的陡峭度如何都能产生稳定性。该模件具有细长的附件，从而水力稳定性和波浪能量消解性都比现有装置大有提高。通过把细长件的所有内部相交处都倒成圆角而缩短这些附件，从而减小内应力。

本发明提供一种用作基本构件的防护件或防冲刷模件，用来保护海洋、海岸、河流、湖泊和水库堤岸以及其它建筑物的防护层免遭波浪和水流破坏性水力。在一实施例中，该模件包括一中央细长水泥件和两个外部细长水泥件，它们的多边形横截面都均匀地渐缩。两外部件连接在中央的两边。外部件的中心轴线以不同于中央件的纵向轴线方向伸展。这些细长件的形状做成其横截面面积从中部向两端减小，从而提高楔入度。

在一特别实施例中，这些细长件的横截面为八边形，外部细长件的纵向轴线与中央细长件的纵向轴线正交。

在各实施例中，模件的几何特征包括分离纵横比，它定义成两外部细长件的内表面之间的间距与外部细长件总长的比，它在约0.45到约0.55的范围内；深度纵横比，它定义成模件外端长度与整个外端长度之比，它在约0.25-约0.35的范围内；以及一斜度，它在约10到约20度的范围内。

按照本发明另一实施例，各细长件在中间部位连接。该连接部位包括倒角面，以便减小各件之间的应力。

本发明的另一实施例的特征在于细长件内有加固条。附图说明

从下述结合附图的说明中，可更清楚看出本发明的其它目的和优点：

图1为本发明防护件一实施例的主体图；

图2为图1防护件的俯视图；

图3为图1防护件的正视图；

图4为防护件另一实施例的立体图；

图5为图4防护件的俯视图；

图6为图4防护件的正视图，其中局部剖视而表示出内部加固条；    

图7a和7b分别为防波堤建筑和护坡建筑的侧视剖面图；

图8为对若干种现有建筑和本发明建筑用两维物理模拟试验测得的破坏百分比/稳定性系数的比较图；

图9a和9b为分别示出细长件之间的倒角和圆抹角过渡部的局部侧视图；

图9c示出不倒角或没有圆抹角的过渡部；

图10示出本发明防护件的堆放密度；

图11a和11b为用水泥铸造本发明防护件的蛤壳形模壳的不完整的立体图。对本发明的详细描述

首先参看图1-3，本发明防护件或防冲刷模件2包括一具有纵向轴线6的中央细长件4和两个分别具有纵向轴线12和14的外部细长件8和10，外部细长件8和10连接在中央细长件4的两边。在该实施例中，外部细长件8和10的纵向轴线12和14相互平行且与中央细长件4的纵向轴线6正交。各细长件最好在其中间部位相连。

这三个细长件的形状和尺寸大致相同，并且在优选实施例中，横截面为八边形。

如图3所示，所有细长件的形状都做成其横截面面积从中部18向两端20和22减小。如图所示，该横截面面积一般均匀地减小。更特别地，每一细长件包括一中间部18，其上设有相对设置的两个平截头形锚爪部件24和26的底座。因此防护件从一边看去(例如图3)呈H形。应该指出，防护件可有各种共平面中心轴线12和14。例如，防护件可呈X形。中心轴线也可以是各种圆锥曲线，例如双曲线。

中央细长件4与外部细长件8和10之间的连接部位包括倒角面28，以便减小该应力集中区的应力。如本发明中的图9a和9b所示，倒角或圆抹角28和29置于细长件的尖转角相交部，以便减小这些部位的应力集中，从而提高防护件的整体强度，为作比较，图9c示出一未倒角或没有圆抹角的防护件。事实表明各种形状的防护件在尖转角相交处的应力最大。倒角28比圆抹角29一般容易加工，但应力减小得稍少。试验表明，本模件所示倒角部比不加修正的转角相交部的内应力减小了30％-40％，而圆抹角比不加修正的相交部的内应力减小了40％-50％。

图4-6示出本发明另一个更细长形实施例，其细长件的横截面面积更小，而外部细长件与中央细长件之间的连接或间距更长。

本发明的以上两实施例都可与许多其它同样的模件排列成紧紧连接而互锁的防护阵列或阻挡层，以抵抗冲刷航海建筑和海岸线和其它建筑的水力。最好是，即使个别模件从底部被水力冲走，该阵列或阻挡层仍能保持稳定性。八边形细长件具有很高的相互楔入性，而各细长件之间的间距和倒角面在防护件阵列中形成很大的稳定性。用较细长的防护件(图4-图6)构成的组件由于细长件之间互锁得更好而比粗壮模件(图1-3)构成的组件具有更高稳定性。

可提供具有各种纵横比(即细长度或粗壮度)的模件，从而使模件适用于各种级别的垫层石块并使应力/防护层稳定性最佳。例如，可以各种方式定义各种纵横比并描述本发明防冲刷模件的几何尺寸。图3示出了本发明尺寸实例。深度纵横R_D比可定义为从锚爪端25到中央件4表面27的锚爪端部长度(A)与锚爪长(C)之比。分离纵横比R_s为两相邻锚爪端25内表面29之间的最宽间距(B)与上述锚爪长(C)之比，这两个纵横比可加调节而当随机放置防护件时获得防护件之间的最大楔入和互锁而又不致产生失效级应力。

按照本发明，分离纵横比R_s(＝B/C)一般为0.45-0.55，最好约为0.47-0.48。同样，深度纵横比Rd(＝A/C)一般约为0.35-0.25，最好约为0.32-0.27，而在约0.32-0.30则更佳。

锚爪24和26都有一锥角θ，它等于锚爪24和26的纵向轴线12和14与其外表面31的交角。θ的变动范围一般为约10°-20°，下表列出两实施例的这些数据。

例I                   例II

θ＝12°                              θ＝20°

R_s＝1.47         R_s＝0.48

R_d＝0.32         R_d＝0.27

尽管本发明细长件的横截面形状可以是各种多边形和锥形，但八边形最有效，圆形或圆锥形锚爪经不住摇动。边数少的截面比方说正方形或六边形造成边缘的转角更尖，从而在边缘处产生更大应力而容易造成底层水泥表面的剥落。多于八边的截面加工成本高，因为模壳的装配和加工需要更多工时来切割、制作并连接数量更多的模板。

形状的改善还包括把细长件端部的锥度做得足够大，从而在把各防护件以随机方向放入一单层防护件基岩中时细长件端部可互相楔入并锁紧。此外，细长件端部的完全对称性在随机放置防护件时提高了防护件之间的楔入性。这就提高了稳定性。

尽管最好用水泥制成，但整个模件可以用任何合适材料制成或由几种材料合成，如合成物、石头和/或金属。本发明实施例具有足够的强度而无需加固，虽然需要时可作这类加固。如图6所示，该模部在细长件内部可有加固条，例如金属条或玻璃纤维条，这些条一般与细长件的轴线12和14平行伸展，需要时这些内部加固条可做成格子形。这些条可以是异形杆或后张杆，以应恶劣条件之需。

图7a为形成在海底42上承受波浪和水流43的防波堤40的截面图。该防波堤40包括其上表面盖有所谓石头或石块或石头石块垫层46的一石堤或芯部44以及一由随机放置的防护件2构成的单层覆盖层48。

图7b为一由一土丘52、一垫层56和由随机放置的防护模件2构成的单层防护层58构成的护坡50。

在波浪高度很高的场合中防护件2以随机方向放置是很重要的，因为在能见度很低的海岸深水中以及在波浪很大的浅水中是无法获得可靠地均匀放置防护件所需的精度的。而且，在由随机放置的形状不规则石块构成的不规则垫层上精确放置防护件在经济上是行不通的，而所使用的石块的形状几乎总是不规则的。此外，放置得最均匀的防护层经不住由在建筑物的垫层和芯部中积累起来的过度孔压形成的背压所造成的力。由粗壮防护件构成的均匀放置的防护层常常只能消解一部分波浪能量，因此对建筑物背风处的构件所提供的保护比由细长防护件构成的防护层少。均匀放置的防护件很少有自修复功能，而随机放置的防护件都能自修复，这在下文交代。

本发明提出的单层基岩48、58远比用大多数其它防护件构成的两层装置经济。由于是单层，所需水泥量和防护件数量只是现有两层基岩的约一半。

对称而锥度足够大的细长件、防护件的对称的几何形状以及一定的纵横比这些因素相结合而形成一种由防护件2构成的构件，这些防护件在防护层中显示出最大的稳定性但总体应力又最小。例如，水力稳定性两维物理模拟试验表明本发明比现有装置有重大改进。

有人按照公认的海岸工程研究实践对现有装置进行了两维物理模拟试验。AIPCNPIANC公报1994-No.82-2、82-16公布了试验结果。比较性数据表明，本发明防护件在受到高度两倍于引起多数其它形状的防护件不稳定的波浪的波浪冲击时仍是稳定的而测不到遭破坏。

系数K_D是在设计防波建筑时最常用作设计标准的一无量纲数。若给出波浪设计高度、防护件所用材料的单位重量、防护件所用材料的比重和建筑物的斜度，则K_D在Hudson方程中用来确定用于防波堤和护坡的防护件的稳定重量： $>>W>=>>$ >>>\gamma >>H>3>>>>>K>D>>>>(>>S>r>>->1>)>>3>>cot>\alpha >\; >s>$$

其中：

W为防护件的平均重量，其值通常为2-40吨；r为防护件材料的单位重量密度，对水泥来说，其值约为每立方英尺143磅；

H为波浪设计高度，其值约为5-35英尺；

K_D为稳定性系数，即在Hudson方程中为一经验性参数；对于大多数现有形状的防护件来说一般取10；

S_r为防护件材料的比重，对海水中的水泥来说约为2.25；

cotα为建筑物斜度，即对于1V∶2 H的建筑物来说cotα的值为2。

图8为多种常用防护件的表示稳定性系数KD与建筑物主体部分的防护层的破坏百分比之间的关系的两维数据比较图，这些常用防护件分别用曲线A、B、C和D表示。从图中可看出，当稳定性系数小于80时就会发生严重破坏，事实上，某些模型的稳定性低至10时会发生严重破坏。

作为比较，对由本发明防护件构成的单层建筑物主体部所作试验表明当稳定性系数高达400时破坏的可能性几乎为零(见曲线E)，稳定性系数增大两倍，石块重量就减小两倍，因此，显然可知，增大稳定性系数可大大节约材料。

应该看到，两维(2D)试验是表明这些建筑物特征的公认的好方法。三维测试更为复杂，一般可获得能更精确表明建筑物特征的较低的稳定性系数。但用作比较的两维方法是适当的。

表明本发明特征的另一种方法是，在实验室中用公认的海岸物理模拟法并在波浪高度对应于Hudson方程中至少为70的稳定性系数的条件下进行试验时模件的形状应能表现出丝毫不遭破坏，本发明在物理模拟时Hudson方程中的稳定性系数高达400而看不到遭破坏。    

本发明的稳定性物理模拟试验还表明该防护层在防护件发生微小移动时具有自修复功能，而在建筑物放定过程中防护件总有微小移动。在放定过程中防护件移动并嵌套在一起，从而最大可能地互锁和楔入而使防护件重心之间的距离最短。即使个别防护件发生很大的移动、比方说某一防护件从斜面中脱出，情况亦复如此，因为互销细长件会卡住其余的防护件而在该部位重作嵌套。需要均匀放置成斜坡的其它形状的防护件一般没有这种自修复特征。这是因为均匀放置的斜坡的稳定性靠防护件之间的摩擦力而非细长件端部的互锁达到最大。因此，若某一防护件脱出，卡住其余防护件的防护件间的摩擦力就会大大减小。

下面是可用来评估本发明防护件用在各种现有装置中的稳定性和有效性的各种2D设计标准的比较表。

                                                                          表

                      Invention                                                                                Uniform        Random斜度                      CORE-LOC       Stone            Block       DOLOS        ACCROPODE         Tetrapod       Tribar         Tribar           KAROCos(t)                       1.5           2              1.5           2            1.33               1.5            2              2              1.5K_s                            16             2              6           15.8           12                 7             12              9             11    W(吨)                      34.77       208.63            92.72       26.41          52.29             79.48         34.77          46.36           50.58单位容积(cf)                      486.32      2917.92          1296.85      393.36         731.31           1111.59        486.32         648.43          707.37每平方英尺的防护件数                        0.0068       0.0062           0.0100        0.0261       0.0081            0.0097        0.0097         0.0125          0.0133实在容积(cf/sf)                     4.28        18.01            12.96        5.94           5.90             10.77          4.71           8.12            9.41比降因数                          1.00         1.24             1.00        1.24           0.92              1.00          1.24           1.24            1.00以容积计的经济性                          1.00         5.22             3.03        1.72           1.27              2.52          1.37           2.35            2.20

上表中各防护件的经济性比较是就波浪设计高度H＝28英寸、单位容积密度r＝143磅/立方英尺而言的。以容积计的经济性这一行数字为在必须计及的给定的比降因数之下本发明防护件的容积V1与其它防护层防护件的容积V0之比，即经济性＝V0/V1－比降因数。

例如，容积为5.9、比降因数为0.92的以商标ACCROPODE出售的防护件(即Chevaller专利所示防护件)的成本比容积为4.28、比降因数为1的本发明高约27％。比降因数为1的Dolos防护层的成本比本发明高72％。Block防护层比本发明贵三倍。

Dolos防护层由于中间部细长而易遭破坏，本发明没有细长中间部，因此不易发生这类破坏。本发明防护件2由于细长件形状为八边形，且锥度和纵横比与Dolos防护件相同，因此可用来修复所谓的Dolos斜坡。本发明的分离和深度纵横比都适合于与Dolos形状互锁，因此本发明可与Dolos防护件混用或用来修复整段Dolos斜坡。用本发明模件进行修复所需新防护件要比用不同类型的防护件整个更换斜坡所需防护件少。而且，用Dolos防护件和本发明防护件混成的斜坡使整个Dolos斜坡的稳定性获得提高。

本发明防护件还便于堆放，减少了所需铸造场地和运输空间。图12示出一种堆放法。当防护件须长距离船运到远处和建筑材料缺乏地点时，堆放的经济可行性就显得重要了。由于本发明防护件的独特构形，因此它们可有效地存放在铸造场地中。例如，防护件可如图所示紧紧堆放成多层鲱鱼鱼骨形。请注意，本发明各防护件中心之间的间距极小。本发明以重心间间距计的堆放密度最小，对码放整齐的防护件来说该间距一般约为外部细长件最大直径的100％，而对随机放置的防护件来说该值约为120-140％，这比现有装量小。

图11a为用来铸造本发明防护件2的四片式蛤壳形模壳60的非完整立体图。模壳60包括四片对称的四分体62、64、66和68，这们铰接成与纵向部对应的细长的半件70和72以及与中央细长件对应的一裂开的中央部73。横档74使细长部70和72面对面地紧固在一起。支架76支撑中央细长部73的端部。铰链80和82如图所示分别把相应的四分体62、64、66和68固持在一起。中央部的端部83封闭以便内盛混凝土；侧向件的上端和下端开口以便灌入混凝土，应该注意，模壳60放置在地面上，其中灌装混凝土。孔件86供带入的空气和过量的水流出。或者，可对图11a的结构如图11b所示加以修改，从而整个部件90可由紧固在一起的上半部92和下半部94构成，下半部94由横档96支撑。

模壳可由任何材料制作，但通常使用金属、木头、波浪纤维或塑料，虽然大的防护件模壳最常用钢板焊成。模壳的制造必须经济高效，所用材料要少，但即使反复使用也具有最大的刚性。

尽管上面按照专利说明书的要求图示并说明了优选实施例，但本技术领域的普遍技术人员显然可在上述发明性原理和范围内作出种种变动和修正。