專利名稱:海力消波混凝土塊的制作方法
技術(shù)領域:
本實用新型涉及一種海力消波塊。
遠在古代,即有拋石傾斜堤出現(xiàn),目前防波堤主流朝向直立混成堤。自1950年以來,異型消波塊相繼出現(xiàn),普遍使用在堤防護身。傾斜堤依據(jù)材料之分可分為拋石堤及異型消波塊堤兩種,若按其排列方式可分 目前實施上述排列而常用者,大致如下三柱腳塊、修正立方體塊、中空三角塊、Trlbar、協(xié)克塊、占骨型塊、Starpit、Jucon、CoKansblok、合掌型塊、雙T塊、W、V塊、空心四柱方塊、Contripod、菱形塊、六腳型塊、三連型塊、Gammorblock、四方錐塊、Clinger。這些海力消波塊對于保護海岸堤防與港灣之防堤有一定收效。目前研究設計一種新型消波塊,提高消波特性,節(jié)省工程造價,正是當務之急。
本實用新型的目的在于提供一種新型的海力消波混凝土塊,該消波塊穩(wěn)定性高,重心低,消波特性好,使用混凝土量少。
本實用新型是以正四面體為基本形體,在正四面體上,削割其四個錐角,而以四個截頭三角錐代替削割部分;正四面體的上部三面皆有一個圓錐孔,使三個圓錐貫穿海力塊之內(nèi)部,此三孔可增加塊體之孔隙率及增強吸收分散波能之能力,因此本海力消波塊具有較大穩(wěn)定性及較佳消波效果。另外,在該正四面體與四角端的截頭三角錐之間連接部分,形成凹角,且該正四面體與四角端的截頭三角錐,其每一平面之間之連接線,均徑修飾為面狀菱線,形成一種以最少混凝土體積,構(gòu)成最大平面與空間的海力消波混凝土塊。
海力塊之體積及邊長之關(guān)系,經(jīng)計算結(jié)果為V=0.057b3=98.496a3其中V為海力塊之體積,b為正四面體之邊長,a為盤角長邊之邊長,等于b/12,其各部之形狀如附
圖1至附
圖14所示。
海力塊之抗剪分析(1)體積V=98.496a3(2)自重W=226.5408a3(3)端喉部斷面積=2.75983a2A=1/2(1.669+1.669+0.5)a×/2(0.5)a+1/2(0.5+1.669+0.5)a×/2(1.669a)=2.75983a2(4)中空圓孔旁之斷面積=3.6613a2
上三角面積=1/2×2.0993a×2.0946a=2.1986a2下梯形面積=1/2×(0.5+2.0946)a×1.1275a=1.4627a2∴總面積=2.1986a2+1.4627a2=3.6613a2 h=[(32b)2-(13×32b)2]12]]>=(34b2-336b2)12=63b]]>cosθ=(13×32b)÷32b=13]]> 此斷面積較端喉部斷面積大,故在端喉部計算抗剪應力。
(5)由喉部吊起之張應力σ=226.5408a3/2.75983a2=82.085(T/M2)(6)三腳鼎立端部之剪力τ=226.5408/3×2.75983a3=27.362a(T/M2)(7)σc=0.1fc′取安全系數(shù)為2∴σc=0.05fc′∴σc=0.05fc′=0.05×175=8.75Kg/cm2τc=0.29 =0.29 =3.836Kg/cm2以5噸及20噸為計算例(a)5噸時a=0.281σ5=82.085a×1/10=2.30658Kg/cm2<8.75Kg/cm2t5=27.362a×1/10=0.7689Kg/cm2<3.836Kg/cm2(b)20噸時a=0.446σ20=82.085×1/10=3.661Kg/cm2<8.75Kg/cm2
t20=27.362a×1/10=1.2203Kg/cm2<3.836Kg/cm2故海力塊能承受剪力及起重機吊起之拉力。
海力消波塊之構(gòu)想,是以正四面體為基本形體,故其模型之制作方法如下所示1,先制作正四面體。
2,去除四面體之四個端點。
3,留住截頭三角錐大小,向內(nèi)挖除各面至所需之厚度,并除去其棱線之削角。
4,消除盤角棱線之削角。
5,從三面之形心向三面中心挖成中空圓洞即完成海力塊標準型模型之制作。
附
圖1是本實用新型立體圖。
附圖2-7是本實用新型六面視圖。
附圖8是本實用新型削截一角成為截頭形狀的立體圖。
附圖9-14是本實用新型截頭形六面視圖。
海力塊之裝模拆模及吊放方法是這樣的消波混凝土塊消波效果與其表面粗糙度,有很大的關(guān)系,為增加型塊之表面粗糙度,最簡單之方法,即增加角度之數(shù)量及使其表面多變化,然仍須考慮裝模及拆模之難易度,本研究之海力塊裝模拆模容易,茲敘述于后。
海力塊之鐵模分為模身,即模之主體,模頭即模之四個盤角及中空圓筒,其裝模方法如下1,先裝模身。
2,裝上模頭。
3,安裝中空圓筒。
其拆模之方法則與裝模順序相反。
海力塊之吊放容易,乃因本型塊中心有三個中空圓洞,用鋼繩或三角鐵抓吊放,非常方便。
為了海上運輸及保護海岸附近人民生命財產(chǎn)之安全,一般皆建造海岸構(gòu)造物,以防止波浪之侵襲,而在建造海岸構(gòu)造物時,常用消波異型塊作為保護堤身之用。
消波塊之消波效果如何?可從其溯上高度,反射系數(shù)及安定性等,了解其效用,茲就其三者之理論解析如下波浪之溯上波浪由深海向淺海進行,到達海堤時,由于能之轉(zhuǎn)變,將發(fā)生溯上(Wave Run-up)現(xiàn)象。一般堤防高度之設計基準,要配合實測以量取實際波浪之溯上現(xiàn)象。但量取實測波浪之溯上高度時,甚難測得最大浪或設計波所發(fā)生之溯上現(xiàn)象,因此實驗結(jié)果,甚難與設計情況作比較,但模型試驗則可涵蓋各種現(xiàn)象發(fā)生之情況,因此乃期望于模型試驗結(jié)果,以決定波浪對堤防作用產(chǎn)生之溯上高度。
當入射波高H,波長L在定水深d及堤防坡度tanα時,則波浪溯上高出靜水面之高度R,詳見附
圖15定水深之波浪溯上現(xiàn)象。一般形式,即R/H=F(α,d/L)+G(H/L,d/L)-K(α,d/L,H/L)式中F(α,d/L)為線性波之相對波浪溯上高度。
G(H/L,d/L)為非線性波效應之改正因子。
K(α,d/L,H/L)為因波浪碎波與底床摩擦,所產(chǎn)生之減低因子。
如海堤堤址前,海底亦有坡度(tanβ),堤前有加異型塊之護坡粗糙因子(K)存在,如附
圖16所示,則表示法如下列形式R/H0=f(H0/L0,h/L0或h/H0,i,tanβ,K)堤前海底坡度(i=tanβ)及護坡異型塊之波浪溯上效果。
如附
圖15、附
圖16之情況,因溯上高度與堤腳水深,海底坡度,堤前異型塊之安放及波浪尖銳度有關(guān),而受此等因素所支配,因此需判明該因素之影響。
反射系數(shù)之求法海堤受到入射波之侵襲,在堤面即產(chǎn)生反射,反射波之波高和入射波高之比,即Hr/Hi=Kr乃稱為反射率或反射系數(shù)。由堤防反射系數(shù)之大小,即可求出該堤防異型塊之消波效果,若反射系數(shù)愈小,則表示該堤防之消波效果愈好。求反射系數(shù)之方法有二1,Healy定義反射系數(shù)Kr為Kr=Hr/Hi=(Hmax-Hmin)/(Hmax+Hmin)式中Hr為反射波高,Hi為入射波高,Hmax及Hmin分別為經(jīng)反射之最大波高及最小波高。
在Sin2πx/L=±i即X=nL/2+L/4處,為最大波高Hman出現(xiàn)之腹點,Cos2πx/L=±i即X=nL/2之處,為Hmin出現(xiàn)之節(jié)點。用此方法測定反射率時,需先行測定Hmax及Hmin位置,然后將二波高感應器(wave senser)分別安放于Hmax及Hmin之處,即可記錄波形,求得反射系數(shù)。
2,合田良實(1976)之分離推定法反射系數(shù)實驗用Healy之方法,在實驗分析方面,對于最大及最小波高之選定,誤差非常大,且需常移動波高計,針對此缺點,所以合田等(1976)提出分離推定法,分離入射波及反射波,在周期改變時,并不需要移動波高計,來測取最大及最小波高,更不需要另設波高計,測入射波高,(唯本實驗另需測Kd值,故須測入射波高),僅需將兩波高計間隔,及波高計與模型距離保持在有效范圍即可,此為合田法較為實用之處。
合田指出波高計間隔和波長之關(guān)系為上限(fmax)△l/Lmin=0.45△l=兩波高計間隔下限(fmin)△l/Lmax=0.05唯△l不能等于半波長之整數(shù)倍,而波高計與模型間之有效距離為X≥0.1L。
此種分離推定法適用于規(guī)則波及不規(guī)則波條件,是避免取用波長之整數(shù)倍,因為此時誤差將會很大。
利用分離推定法可求得入射波及反射波振幅,分別為Ai=1/(2|sinK△l|)×[(A2-A1cosK△l-B1sin△l)2+(B2+A1sinK△l-B1cosK△l)2]1/2Ar=1/(2|sinK△l|)×[(A2-A1cosK△l+B1sinK△l)2+(B2-A1sinK△l-B1cosK△l)2]1/2
故反射系數(shù)為Kr=|Ar/Ai|={[(A2-A1cosK△l+B1sinK△l)2+(B2-A1sinK△l-B1cosk△l)2]/[(A2-A1cosK△l-B1sinK△l)2+(B2+A1sisK△l-B1cosK△l)2]}1/2式中A1,B1為X=X1處波高計,所測得之波形系數(shù),A2,B2為X=X2處波高計,所測得之波形系數(shù)。
A,B之推定為將波形分為N等分,△t為每一時間間隔,將合成波形η(t)以Fourler Serles展開,與二合成波形比較系數(shù),可得A、B為A= 2/(N) η(sΔt)cos (2πS)/(N)B= 2/(N) η(sΔt)sin (2πS)/(N)本實驗將1號及2號波高計同時記錄,所測得之合成波形,各分割為12等分(N=12),代入兩式,即可得A=1/6[(η12-η6)+(η1-η5-η7+η11)cos30°+(η2-η4-η8+η10)cos60°]B=1/6[(η3-η9)+(η1-η5-η7-η11)sin30°+(η2+η4-η8-η10)sin60°]將二支波高計讀出之ηi(i=1,2………12)值代入兩式,即可求出A1、B2、A2、B2之值,再將此些值代回求Kr公式中,即可求得反射系數(shù)Kr。
斜面堤拋放異型塊之穩(wěn)定分析關(guān)于由傾斜投入水中之石塊或異型塊等,穩(wěn)定重量之計算公式,以如下的放在傾斜面之單體塊或投入水中的石塊,所施加之力量與摩擦力之平衡關(guān)系,所求之伊里巴連(Iribarren)公式及把它進一步加以一般化的哈特遜(Hudson)公式較著名。如附
圖17所示,斜面受波浪作用,若作用于被覆工之上揚力為F,A為其投影面積,W為被覆工之重量,H為作用波高,則上揚及投影面積,可以下式計算F=kρgAHA∝(W/ρrg)2/3但ρr為被覆工密度,K為一常數(shù),故上式可改寫為F=k′ρgH(W/prg)2/3而k′為一新常數(shù)。在斜面上被覆工之滑動平衡條件為W(1-ρ/ρr)sinα=μ〔W(1-ρ/ρr)cosα-k′ρgH(W/ρrg)2/3〕但α為斜面之傾斜角度,μ為被覆工之摩擦系數(shù)。將上式對W解之可得W=Kμ3ρrgH3(ρ/ρr-1)3(μcosα-sinα)3]]>式中K=(K′)3為依據(jù)試驗決定之值。
上式為Iribarren氏所倡導之安定公式,經(jīng)Hudson氏多次之試驗,將上式改寫成W=yrH3Kd(yr/yw-1)3cotα]]>式中Kd為根據(jù)實驗所定的常數(shù),一般稱為安定系數(shù)。
W異型塊之重量(Tons)。
γr異型塊在空中之單位重(一般為2.3T/m3)。
Kd為異型塊之安定系數(shù),隨排列方式及損害率而定γw海水單位重(一般為1.03T/m3)。
本實驗所采用之設備和儀器如下1,斷面造波水槽本實驗研究是在臺灣海洋學院海港工程館內(nèi)之斷面水槽進行。該水槽斷面全長30公尺,寬1.2公尺,高1公尺。水槽一側(cè)為混凝土壁,另一側(cè)為玻璃壁,以利觀測。
2,造波機造波機為5馬力無段變速馬達驅(qū)動之翼板式(Flap-Type)規(guī)則型造波機。在造波機上裝置一座四檔馬達減速機,操作時可調(diào)整減速機檔數(shù),并配合原來無段式馬達減速機,使得周期變動范圍由0.8秒至3.5秒不等,并采用連桿拉動造波板,可適度調(diào)整偏心距,以造出各種不同波高之實驗波。
3,記錄器采用日本渡邊(Watanabe)公司制造之LinearcorderType WR3001型之線性電熱式記錄器(Linear Thermal Recorder)共有6個可獨立操作之頻道,可各自調(diào)整訊號大小。各頻道接受各自強度之電子訊號后,將訊號放大以加熱筆繪于記錄紙上。
4,波高計與波高增幅器采用6頻道容量式波高增幅器(WAVE MEASURE SYSTEM MARKⅢ)。增幅器共有6個可以同時獨立操作的頻道,連接6支容量式波高計,波高計的感應線因水位變動而產(chǎn)生電子訊號,經(jīng)由波高增幅器放大波形。輸出至記錄器,乃得到所需之試驗波高記錄。
本實驗所用材料與布置如下1,實驗材料實驗斜坡采用厚木板,上面噴水泥沙漿,以模擬現(xiàn)場情況,斜坡放置于水槽末端,計分為cotα=1.3、1.5、2.0等三種斜度,為便于比較,附本海力消波塊外,于實驗中并采用協(xié)克(SHAKE)消波塊。二種型塊各取10個稱其重量之平均值,協(xié)克塊每個約0.1866千克,海力塊每個約0.175千克,換算實際重量,協(xié)克塊約11.942噸,海力塊約為11.2噸。其所使用之個數(shù)如下表所示。
2,實驗布置本實驗縮尺采1/40則推求模型與實際之時間、長度、重量之關(guān)系如下長度比例λ=1/40時間比例Tr=1/40=1/6.325重量比例Wr=1/403=1/64000體積比例Vr=1/403=1/64000本實驗水深采40公分,換算為實地水深為16公尺,而所用波浪周期自0.8秒至2.0秒,換算成實際周期為5.06秒至12.65秒。
若周期=0.8秒時深海波波長Lo=g.T2/2π=1.56T2=0.998m則d/Lo=0.401,查表可得d/L=0.4059故可得L=98.5cm,(即Lmin=98.5cm)若周期=2.0sec時,深水波波長Lo=6.24m則d/Lo=0.064,查表得d/L=0.1082故可得L=369.6cm,(即Lmax=369.6cm)因此兩波高計間隔△l<0.45Lmin=44.33cm,△l>0.05Lmax=18.48cm,故取△l=30cm,唯△l不能等于半波長之整數(shù)倍,而波高計與模型間之有效距離為X≥0.1L,故本實驗取X=60cm。
所以在模型前端X=60cm處,放置二支波高計以測定反射系數(shù),并于造波板前方10m處,設置另支波高計,以測定入射波高,試驗模型之布置如附
圖18所示。
本實驗步驟與方法如下本實驗采用cotα=1.3、1.5、2.0三種覆坡坡度,消波塊之排列方法,使用雙層亂拋,雙層整齊排列、單層亂拋、單層整齊排列等四種,每種不同型式之排列,采用4至6種不同偏心距,每一種偏心距,采用7種不同周期,即T=0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0秒,反復造波實驗,故在不同坡度,不同排列方式,不同偏心距及不同周期之下,共有700個實驗,如表所示。
在每次實驗之前,均需先行率定波高計,將安置于率定架上之波高計與波高增幅器,記錄器,聯(lián)接妥善并設定放大倍率。波高計之率定是在靜止水面時,將增幅器及記錄器,調(diào)整歸零之后,將波高計每次上升10公分,此時記錄筆將于記錄紙上,描出其軌跡上升20格,然后歸零再依次降10公分,則記錄筆將下降20格,上下共計20公分。本實驗所采用記錄紙上10格等于5公分之波高,20公分總計40格。根據(jù)此倍率,于記錄紙所得之格數(shù),即可換成實際試驗波高之公分數(shù)。
率定完成后,將率定架上之波高計取下,分別安裝于預定之位置,且當水面靜止時,記錄器上之記錄筆需歸零,零位以下表示波谷到達,而零位以上則表示波峰到達。
在波高計率定及安置妥當后,即用設定好之周期及不同之偏心距進行試驗,唯每次實驗時,均需等待水面完全靜水后,再造波進行試驗。
波浪溯上高度之量測,乃于斜坡上劃上刻度,讀取斜坡上的距離,然后再換算為垂直的溯上高度。而反射系數(shù)的測定,乃將X1及X2二支波高計所測得的波形組,同時分割為12等份,再依合田之分離推定法計算求得。
至于海力塊安定性之測定,乃以肉眼觀察,護坡異型塊受波浪作用,是否有動搖情況發(fā)生,如動搖之異型塊個數(shù),超過全部之1%,則認為不夠安定,需重新考慮使用較重異型塊,或改變異型塊之排列方式,甚至改變堤面坡度,如動搖之異型塊個數(shù),小于全部之1%,則認為安定。一般異型塊之Kd值,可用Hudson公式計算之。
實驗結(jié)果異形消波混凝土塊之消波效果如何可由相對溯上值,反射系數(shù)來判斷,經(jīng)本實驗結(jié)果知相對溯上值隨波浪尖銳度之增加而降低,且與異型塊種類及排列方法而異,在相同型塊及排列方式下坡度愈緩時消波效果愈好,又異型塊消波效果以亂拋情況較整齊排列為佳,而雙層排列則較單層排列良好,茲就其結(jié)果說明如下由
圖19~31知,相對溯上值,隨尖銳度之增加而降低,且與異型塊種類及排列方法而有不同。
圖32~44為縱軸表示Kr值,橫軸表示波浪尖銳度(H/L)由圖28~31,圖41~44知,無論相對溯上值或反射系數(shù),在相同型塊及排列方式下,坡度愈緩時,消波效果愈佳。
由圖25~27,圖38~40知,異型塊消波效果,以亂拋情況較整齊排列為佳,而雙層排列則較單層排列良好。
今設A為海力塊雙層亂拋B為海力塊雙層整齊排列C為協(xié)克塊雙層亂拋D為協(xié)克塊雙層整齊排列E為海力塊單層亂拋F為海力塊單層整齊排列G為協(xié)克塊單層亂拋由
圖19~24知,相對溯上值R/H隨異型塊種類,坡度及排列方法不同而異,由該圖比較得知,R/H值為A<B<C<D,E<F<G<H,亦即對消波效果而言,乃A>B>C>D,E>F>G>H。
反射系數(shù)K值也依型塊種類,坡度與排列方法不同而異,由圖32~37知,反射系數(shù)為A<B<C<D,而F<G<H,亦即對消坡效果而言,乃A>B>C>D,E>F>G>H,與相對溯上值之趨勢相同,海力塊與協(xié)克塊受波浪作用時,其安定性以海力塊最佳。
海力塊在坡度cotα為1.5及2.0時,受波浪作用雖有搖動及移動情形,然皆未達1%之破壞,唯在坡度cotα為1.3,周期1.2秒(換算實地為7.6秒),波高11公分時,(換算實地為4.4公尺),單層亂拋有3個移動,4個輕微動搖,而使用型塊之個數(shù)為305個,則破壞情為1%,以此情況用Hudson公式計算Kd值,得Kd值為10.9,若繪出重量與波高之關(guān)系,則如圖45所示。
分析討論在海力塊安定系數(shù)測定中發(fā)現(xiàn),部分海力塊受波浪作用時,發(fā)生動搖而后趨于穩(wěn)定,其原因系拋放時,海力塊尚未放置在穩(wěn)定位置,亦證明海力塊有自動補償之效果。
由實驗結(jié)果顯示,海力塊之相對溯上值及反射系數(shù)均小于協(xié)克塊,究其原因為海力塊四面皆有中空圓孔,能增加消波效果,降低相對溯上值,并且比不開孔時減少波浪之上揚力。增加其穩(wěn)定性。
根據(jù)實驗獲致如下之結(jié)論1,波浪相對溯上值及反射系數(shù)隨異型塊種類及排列方式之不同而異,實驗結(jié)果對消波效果而言依次為海力塊雙層亂拋>海力塊雙層整齊排列>協(xié)克塊雙層亂拋>協(xié)克塊雙層整齊排列,又海力塊單層亂拋>海力塊單層整齊排列>協(xié)克塊單層亂拋>協(xié)克塊單層整齊排列。
2,A型塊由于孔隙率大,所以消波效果良好,其在坡度cotα=1.3時,單層亂拋之反射系數(shù)為0.44,而在cotα=2.0時,雙層亂拋之反射系數(shù)則為0.31。
3,由實驗結(jié)果顯示,海力塊中空圓形之洞孔,亂拋較整齊排列,更易增加其紊亂度,使消波效果增強,而其溯上值則降低。
4,海力塊三面皆有中空圓洞,可依實際需要利用鋼索或吊具,隨意吊放排列,故施工簡便且省時。
5,海力塊以正四面體為基本形體,具有甚佳之穩(wěn)定性,在坡度cotα=1.3,周期7.6秒時,單層亂拋之Kd值為10.9。
6,海力塊之安定性,由試驗顯示較協(xié)克塊為佳。
7,根據(jù)實驗結(jié)果建議在深水防波堤以采亂拋形式為佳而在淺水斷面以整齊排列為宜。
8,在河川以海力塊截頭型整齊排列較佳。
9,海力塊截頭型對于奠基及護基如堤防護岸、橋墩、河床、水壩之護基及護床工有極佳之效果,可見海力塊截頭型具有其經(jīng)濟價值。
符號表A面積,Ai入射波振幅,Ar反射波振幅,F(xiàn)揚壓力,g重力加速度,H波高,Hi入射波波高,Hr反射波波高,Ho深海波波高,i海灘坡度,K波數(shù)K=2π/L,Kd安定系數(shù),Kr反射系數(shù),L波長,Lo深海波波長,△l實驗設置兩波高計之間隔,R波浪溯上高度,R1海力塊之外半徑,R2海力塊之內(nèi)半徑,S實驗堤之坡度,T波浪周期,△t波形分割之時間間隔,V體積,W重量,X實驗設置之波高計與模型間之有效距離,α實驗堤與水平之夾角,β海灘與水平之夾角,μ異型塊與拋石間之摩擦系數(shù),ρ海水之密度,Tr異型塊之單位重,Tw海水之單位重量,η靜水面至波浪自由表面之水位高程,σ異型塊之拉應力,τ異型塊之剪應力。
權(quán)利要求1.一種海力消波混凝土塊,以正四面體為基本形體,其特征在于在該正四面體上削截其四個錐角端,而以四個截頭三角錐代替,在正四面體上部三面中心點,均設圓錐孔,使三個圓錐孔連通并貫穿正四面體之內(nèi)部,該正四面體與四角端的截頭三角錐之間連接部分,形成凹角,且該正四面體與四角端的截頭三角錐,其每一平面之間之連接線,均經(jīng)修飾為面狀菱線,形成一種以最少混凝土體積,構(gòu)成最大平面與空間的海力消波混凝土塊。
專利摘要一種以正四面體為基本形體的海力消波塊,其特征在于在正四面體的三面中心點挖中空圓洞,并在正四面體的四個錐角端附予四個截頭三角錐。本實用新型穩(wěn)定性高,重心低不易被水沖失,且以最少混凝土體積構(gòu)成最大的平面與空間,尤其中心圓孔設計可減少河水之揚力,因此對波壓反射及河川流速之減低極有成效,且更能防止沖刷與侵蝕保護基石流失,對于海堤之消波工,護基工、防砂堤工、海堤及河堤護岸極有效果。
文檔編號E02B3/08GK2099141SQ9121683
公開日1992年3月18日 申請日期1991年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月20日
發(fā)明者陳燦堂 申請人:萬逸民