专利名称：海力消波混凝土块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海力消波块。
远在古代，即有抛石倾斜堤出现，目前防波堤主流朝向直立混成堤。自1950年以来，异型消波块相继出现，普遍使用在堤防护身。倾斜堤依据材料之分可分为抛石堤及异型消波块堤两种，若按其排列方式可分
目前实施上述排列而常用者，大致如下三柱脚块、修正立方体块、中空三角块、Trlbar、协克块、占骨型块、Starplt、Jucon、Cokansblok、合掌型块、双T块、W、V块、空心四柱方块、Contripod、菱形块、六脚型块、三连型块、Gammorblock、四方锥块、Clinger，这些海力消波块对于保护海岸堤防与港湾之防堤有一定收效。目前研究设计一种新型消波块，提高消波特性，节省工程造价，正是当务之急。
本发明的目的在于提供一种新型的消力消波混凝土块，该消波块稳定性高，重心低，消波特性好，使用混凝土量少。
本发明是以正四面体为基本形体，在正四面体上，削割其四个锥角，而以四个截头三角锥代替削割部分，正四面体的上部三面皆有一个圆锥孔，使三个圆锥贯穿海力块之内部，此三孔可增加块体之孔隙率及增强吸收分散波能之能力，因此本海力消波块具有较大稳定性及较佳消波效果。另外，在该正四面体与四角端的截头三角锥之间连接部分，形成凹角，且该正四面体与四角端的截头三角锥，其每一平面之间之连接线，均经修饰为面状菱线，形成一种以最少混凝土体积，构成最大平面与空间的海力消波混凝土块。
海力块之体积及边长之关系，经计算结果为V＝0.057b3＝98.496a3其中V为海力块之体积，b为正四面体之边长，a为盘角长边之边长，等于b/12，其各部之形状如附
图1至附图14所示。
海力块之抗剪分析
(1)体积V＝98.496a3(2)自重W＝226.5408a3(3)端喉部断面积＝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
上三角面积＝1/2×2.0993a×2.0946a＝2.1986a2下梯形面积＝1/2×(0.5+2.0946)a×1.1275a＝1.4627a2∴总面积＝2.1986a2+1.4627a2
此断面积较端喉部断面积大，故在端喉部计算抗剪应力。
(5)由喉部吊起之张应力σ＝226.5408a3/2.75983a2＝82.085(T/M2)(6)三脚鼎立端部之剪力τ＝226.5408/3×2.75983a2＝27.362a(T/M2)(7)σc＝0.1fc′取安全系数为2∴σc＝0.05fc′∴σc＝0.05fc′＝0.05×175＝8.75Kg/cm2τc=0.29fc′=0.29175=3.836Kg/cm]]>以5吨及20吨为计算例(a)5吨时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吨时a＝0.446σ20＝82.085×1/10＝3.661Kg/cm2＜8.75Kg/cm2
t20＝27.362a×1/10＝1.2203Kg/cm2＜3.836Kg/cm2故海力块能承受剪力及起重机吊起之拉力。
海力消波块之构想，是以正四面体为基本形体，故其模型之制作方法如下所示1，先制作正四面体。
2，去除四面体之四个端点。
3，留住截头三角锥大小，向内挖除各面至所需之厚度，并除去其棱线之削角。
4，消除盘角棱线之削角。
5，从三面之形心向三面中心挖成中空圆洞即完成海力块标准型模型之制作。
附图1是本发明立体图。
附图2-7是本发明六面视图。
附图8是本发明削截一角成为截头形状的立体图。
附图9-14是本发明截头形六面视图。
海力块之装模拆模及吊放方法是这样的消波混凝土块消波效果与其表面粗糙度，有很大的关系，为增加型块之表面粗糙度，最简单之方法，即增加角度之数量及使其表面多变化，然仍须考虑装模及拆模之难易度，本研究之海力块装模拆模容易，兹叙述于后。
海力块之铁模分为模身，即模之主体，模头即模之四个盘角及中空圆筒，其装模方法如下1，先装模身。
2，装上模头。
3，安装中空圆筒。
其拆模之方法则与装模顺序相反。
海力块之吊放容易，乃因本型块中心有三个中空圆洞，用钢绳或三角铁抓吊放，非常方便。
为了海上运输及保护海岸附近人民生命财产之安全，一般皆建造海岸构造物，以防止波浪之侵袭，而在建造海岸构造物时，常用消波异型块作为保护堤身之用。
消波块之消波效果如何？可从其溯上高度，反射系数及安定性等，了解其效用，兹就其三者之理论解析如下波浪之溯上波浪由深海向浅海进行，到达海堤时，由于能之转变，将发生溯上(WaveRun-up)现象。一般堤防高度之设计基准，要配合实测以量取实际波浪之溯上现象。但量取实测波浪之溯上高度时，甚难测得最大浪或设计波所发生之溯上现象，因此实验结果，甚难与设计情况作比较，但模型试验则可涵盖各种现象发生之情况，因此乃期望于模型试验结果，以决定波浪对堤防作用产生之溯上高度。
当入射波高H，波长L在定水深d及堤防坡度tanα时，则波浪溯上高出静水面之高度R，详见附图15定水深之波浪溯上现象。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)为线性波之相对波浪溯上高度。
G(H/L，d/L)为非线性波效应之改正因子。
K(α，d/L，H/L)为因波浪碎波与底床摩擦，所产生之减低因子。
如海堤堤址前，海底亦有坡度(tanβ)，堤前有加异型块之护坡粗糙因子(K)存在，如附图16所示，则表示法如下列形式R/H0＝f(H0/L0，h/L0或h/H0，i，tanβ，K)堤前海底坡底(i＝tanβ)及护坡异型块之波浪溯上效果。
如附图15、附图16之情况，因溯上高度与堤脚水深，海底坡度，堤前异型块之安放及波浪尖锐度有关，而受此等因素所支配，因此需判明该因素之影响。
反射系数之求法海堤受到人射波之侵袭，在堤面即产生反射，反射波之波高和入射波高之比，即Hr/Hi＝Kr乃称为反射率或反射系数。由堤防反射系数之大小，即可求出该堤防异型块之消波效果，若反射系数愈小，则表示该堤防之消波效果愈好。求反射系数之方法有二1，Healy定义反射系数Kr为Kr＝Hr/Hi＝(Hmax-Hmin)/(Hmax+Hmin)式中Hr为反射波高，Hi为人射波高，Hmax及Hmin分别为经反射之最大波高及最小波高。
在Sin2πx/L＝±1即X＝nL/2+L/4处，为最大波高Hman出现之腹点，Cos2πx/L＝±1即X＝nL/2之处，为Hmin出现之节点。用此方法测定反射率时，需先行测定Hmax及Hmin位置，然后将二波高感应器(wavesenser)分别安放于Hmax及Hmin之处，即可记录波形，求得反射系数。
2.合田良实(1976)之分离推定法反射系数实验用Healy之方法，在实验分析方面，对于最大及最小波高之选定，误差非常大，且需常移动波高计，针对此缺点，所以合田等(1976)提出分离推定法，分离入射波及反射波，在周期改变时，并不需要移动波高计，来测取最大及最小波高，更不需要另设波高计，测入射波高，(唯本实验另需测Kd值，故须测入射波高)，仅需将两波高计间隔，及波高计与模型距离保持在有效范围即可，此为合田法较为实用之处。
合田指出波高计间隔和波长之关系为上限(fmax)△l/Lmin＝0.45△l＝两波高计间隔下限(fmin)△l/Lmax＝0.05唯△l不能等于半波长之整数倍，而波高计与模型间之有效距离为X≥0.1L。
此种分离推定法适用于规则波及不规则波条件，是避免取用波长之整数倍，因为此时误差将会很大。
利用分离推定法可求得入射波及反射波振幅，分别为Ai＝1/(2｜sinK△l1)×[(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
故反射系数为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为X＝X1处波高计，所测得之波形系数，A2，B2为X＝X2处波高计，所测得之波形系数。
A，B之推定为将波形分为N等分，△t为每一时间间隔，将合成波形η(t)以FourlerSerles展开，与二合成波形比较系数，可得A、B为A=2NΣS =1Nη(s △t)cos2πSNB=2NΣS = 1Nη(s △t)sin2πSN]]>本实验将1号及2号波高计同时记录，所测得之合成波形，各分割为12等分(N＝12)，代入两式，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°]将二支波高计读出之ηi(i＝1，2……12)值代入两式，即可求出A1、B2、A2、B2之值，再将此些值代回求Kr公式中，即可求得反射系数Kr。
斜面堤抛放异型块之稳定分析。
关于由倾斜投入水中之石块或异型块等，稳定重量之计算公式，以如下的放在倾斜面之单体块或投入水中的石块，所施加之力量与摩擦力之平衡关系，所求之伊里巴连(Iribarren)公式及把它进一步加以一般化的哈特逊(Hudson)公式较著名。如附图17所示，斜面受波浪作用，若作用于被覆工之上扬力为F，A为其投影面积，W为被覆工之重量，H为作用波高，则上扬及投影面积，可以下式计算F＝kρgAHA∝(W/ρrg)2/3但ρr为被覆工密度，K为一常数，故上式可改写为F＝k′ρgH(W/ρrg)2/3而k′为一新常数。在斜面上被覆工之滑动平衡条件为W(1-ρ/ρr)sinα＝μ〔W(1-ρ/ρr)cosα-k′ρgH(W/ρrg)2/3〕但α为斜面之倾斜角度，μ为被覆工之摩擦系数。将上式对W解之可得W=K μ3ρrgH3(ρ/ρr-1)3(μ cos a -sin a)3]]>式中K＝(K′)3为依据试验决定之值。
上式为Iribarren氏所倡导之安定公式，经Hudson氏多次之试验，将上式改写成W=rrH3Kd(rr/rW-1)3cot a]]>式中Kd为根据实验所定的常数，一般称为安定系数。
W异型块之重量(Tons)。
γr异型块在空中之单位重(一般为2.3T/m3)。
Kd为异型块之安定系数，随排列方式及损害率而定γw海水单位重(一般为1.03T/m3)。
本实验所采用之设备和仪器如下1，断面造波水槽本实验研究是在台湾海洋学院海港工程馆内之断面水槽进行。该水槽断面全长30公尺，宽1.2公尺，高1公尺。水槽一侧为混凝土壁，另一侧为玻璃壁，以利观测。
2，造波机造波机为5马力无段变速马达驱动之翼板式(Flap-Type)规则型造波机。在造波机上装置一座四档马达减速机，操作时可调整减速机档数，并配合原来无段式马达减速机，使得周期变动范围由0.8秒至3.5秒不等，并采用连杆拉动造波板，可适度调整偏心距，以造出各种不同波高之实验波。
3，记录器采用日本渡边(Watanabe)公司制造之LinearcorderTypeWR3001型之线性电热式记录器(LinearThermalRecorder)共有6个可独立操作之频道，可各自调整讯号大小。各频道接受各自强度之电子讯号后，将讯号放大以加热笔绘于记录纸上。
4，波高计与波高增幅器采用6频道容量式波高增幅器(WAVEMEASURESYSTEMMARKⅢ)。增幅器共有6个可以同时独立操作的频道，连接6支容量式波高计，波高计的感应线因水位变动而产生电子讯号，经由波高增幅器放大波形。输出至记录器，乃得到所需之试验波高记录。
本实验所用材料与布置如下1，实验材料实验斜坡采用厚木板，上面喷水泥沙浆，以模拟现场情况，斜坡放置于水槽末端，计分为cotα＝1.3、1.5、2.0等三种斜度，为便于比较，附本海力消波块外，于实验中并采用协克(SHAKE)消波块。二种型块各取10个称其重量之平均值，协克块每个约0.1866千克，海力块每个约0.175千克，换算实际重量，协克块约11.942吨，海力块约为11.2吨。其所使用之个数如下表所示。
实验所用消波混凝土块模型之个数
2，实验布置本实验缩尺采1/40则推求模型与实际之时间、长度、重量之关系如下长度比例λ＝1/40时间比例Tr＝1/40＝1/6.325重量比例Wr＝1/403＝1/64000体积比例Vr＝1/403＝1/64000本实验水深采40公分，换算为实地水深为16公尺，而所用波浪周期自0.8秒至2.0秒，换算成实际周期为5.06秒至12.65秒。
若周期＝0.8秒时深海波波长Lo＝gT2/2π＝1.56T2＝0.998m则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时，深水波波长Lo＝6.24m则d/Lo＝0.064，查表得d/L＝0.1082故可得L＝369.6cm，(即Lmax＝369.6cm)因此两波高计间隔△l(0.45Lmin＝44.33cm，△l＞0.05Lmax＝18.48cm，故取△l＝30cm，唯△l不能等于半波长之整数倍，而波高计与模型间之有效距离为X≥0.1L，故本实验取X＝60cm。
所以在模型前端X＝60cm处，放置二支波高计以测定反射系数，并于造波板前方10m处，设置另支波高计，以测定入射波高，试验模型之布置如附图18所示。
本实验步骤与方法如下本实验采用cotα＝1.3、1.5、2.0三种覆坡坡度，消波块之排列方法，使用双层乱抛，双层整齐排列、单层乱抛、单层整齐排列等四种，每种不同型式之排列，采用4至6种不同偏心距，每一种偏心距，采用7种不同周期，即T＝0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0秒，反复造波实验，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个实验，如图19至图45所示。
在每次实验之前，均需先行率定波高计，将安置于率定架上之波高计与波高增幅器、记录器，联接妥善并设定放大倍率。波高计之率定是在静止水面时，将增幅器及记录器，调整归零之后，将波高计每次上升10公分，此时记录笔将于记录纸上，描出其轨迹上升20格，然后归零再依次降10公分，则记录笔将下降20格，上下共计20公分。本实验所采用记录纸上10格等于5公分之波高，20公分总计40格。根据此倍率，于记录纸所得之格数，即可换成实际试验波高之公分数。
率定完成后，将率定架上之波高计取下，分别安装于预定之位置，且当水面静止时，记录器上之记录笔需归零，零位以下表示波谷到达，而零位以上则表示波峰到达。
在波高计率定及安置妥当后，即用设定好之周期及不同之偏心距进行试验，唯每次实验时，均需等待水面完全静水后，再造波进行试验。
波浪溯上高度之量测，乃于斜坡上划上刻度，读取斜坡上的距离，然后再换算为垂直的溯上高度。而反射系数的测定，乃将X1及X2二支波高计所测得的波形组，同时分割为12等份，再依合田之分离推定法计算求得。
至于海力块安定性之测定，乃以肉眼观察，护坡异型块受波浪作用，是否有动摇情况发生，如动摇之异型块个数，超过全部之1%，则认为不够安定，需重新考虑使用较重异型块，或改变异型块之排列方式，甚至改变堤面坡度，如动摇之异型块个数，小于全部之1%，则认为安定。一般异型块之Kd值，可用Hudson公式计算之。
实验结果异形消波混凝土块之消波效果如何可由相对溯上值，反射系数来判断，经本实验结果知相对溯上值随波浪尖锐度之增加而降低，且与异型块种类及排列方法而异，在相同型块及排列方式下坡度愈缓时消波效果愈好，又异型块消波效果以乱抛情况较整齐排列为佳，而双层排列则较单层排列良好，兹就其结果说明如下由图19～31知，相对溯上值，随尖锐度之增加而降低，且与异型块种类及排列方法而有不同。
图32～44为纵轴表示Kr值，横轴表示波浪尖锐度(H/L)由图28～31，图41～44知，无论相对溯上值或反射系数，在相同型块及排列方式下，坡度愈缓时，消波效果愈佳。
由图25～27，图38～40知，异型块消波效果，以乱抛情况较整齐排列为佳，而双层排列则较单层排列良好。
今设A为海力块双层乱抛B为海力块双层整齐排列C为协克块双层乱抛D为协克块双层整齐排列E为海力块单层乱抛F为海力块单层整齐排列G为协克块单层乱抛由图19～24知，相对溯上值R/H随异型块种类，坡度及排列方法不同而异，由该图比较得知，R/H值为A＜B＜C＜D，E＜F＜G＜H，亦即对消波效果而言，乃A＞B＞C＞D，E＞F＞G＞H。
反射系数K值也依型块种类，坡度与排列方法不同而异，由图32～37知，反射系数为A＜B＜C＜D，而F＜G＜H，亦即对消波效果而言，乃A＞B＞C＞D，E＞F＞G＞H，与相对溯上值之趋势相同，海力块与协克块受波浪作用时，其安定性以海力块最佳。
海力块在坡度cotα为1.5及2.0时，受波浪作用虽有摇动及移动情形，然皆未达1%之破坏，唯在坡度cotα为1.3，周期1.2秒(换算实地为7.6秒)，波高11公分时，(换算实地为4.4公尺)，单层乱抛有3个移动，4个轻微动摇，而使用型块之个数为305个，则破坏情为1%，以此情况用Hudson公式计算Kd值，得Kd值为10.9，若绘出重量与波高之关系，则如图45所示。
分析讨论在海力块安定系数测定中发现，部分海力块受波浪作用时，发生动摇而后趋于稳定，其原因系抛放时，海力块尚未放置在稳定位置，亦证明海力块有自动补偿之效果。
由实验结果显示，海力块之相对溯上值及反射系数均小于协克块，究其原因为海力块四面皆有中空圆孔，能增加消波效果，降低相对溯上值，并且比不开孔时减少波浪之上扬力。增加其稳定性。
根据实验获致如下之结论1，波浪相对溯上值及反射系数随异型块种类及排列方式之不同而异，实验结果对消波效果而言依次为海力块双层乱抛＞海力块双层整齐排列＞协克块双层乱抛＞协克块双层整齐排列，又海力块单层乱抛＞海力块单层整齐排列＞协克块单层乱抛＞协克块单层整齐排列。
2，A型块由于孔隙率大，所以消波效果良好，其在坡度cotα＝1.3时，单层乱抛之反射系数为0.44，而在cotα＝2.0时，双层乱抛之反射系数则为0.31。
3，由实验结果显示，海力块中空圆形之洞孔，乱抛较整齐排列，更易增加其紊乱度，使消波效果增强，而其溯上值则降低。
4，海力块三面皆有中空圆洞，可依实际需要利用钢索或吊具，随意吊放排列，故施工简便且省时。
5，海力块以正四面体为基本形体，具有甚佳之稳定性，在坡度cotα＝1.3，周期7.6秒时，单层乱抛之Kd值为10.9。
6，海力块之安定性，由试验显示较协克块为佳。
7，根据实验结果建议在深水防波堤以采乱抛形式为佳而在浅水断面以整齐排列为宜。
8，在河川以海力块截头型整齐排列较佳。
9，海力块截头型对于奠基及保护基如堤防护岸、桥墩、河床、水坝之护基及护床工有极佳之效果，可见海力块截头型具有其经济价值。
符号表A面积，Al入射波振幅，Ar反射波振幅，F扬压力，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海滩坡度，K波数K＝2π/L，Kd安定系数，Kr反射系数，L波长，Lo深海波波长，△1实验设置两波高计之间隔，R波浪溯上高度，R1海力块之外半径，R2海力块之内半径，S实验堤之坡度，T波浪周期，△t波形分割之时间间隔，V体积，W重量，X实验设置之波高计与模型间之有效距离，α实验堤与水平之夹角，β海滩与水平之夹角，μ异型块与抛石间之摩擦系数，ρ海水之密度，Tr异型块之单位重，Tw海水之单位重量，η静水面至波浪自由表面之水位高程，σ异型块之拉应力，τ异型块之剪应力。
图19-图45所示内容如下图19是坡度cotα＝1.5海力块与协克块双层排列比较图。
图20是坡度cotα＝1.5海力块与协克块单层排列比较图。
图21是坡度cotα＝1.3海力块与协克块双层排列比较图。
图22是坡度cotα＝1.3海力块与协克块单层排列比较图。
图23是坡度cotα＝2.0海力块与协克块双层排列比较图。
图24是坡度cotα＝2.0海力块与协克块单层排列比较图。
图25是坡度cotα＝1.3海力块各种排列比较图。
图26是坡度cotα＝1.5海力块各种排列比较图。
图27是坡度cotα＝2.0海力块各种排列比较图。
图28是海力块双层乱抛各种坡度之比较图。
图29是海力块双层整齐排列各种坡度之比较图。
图30是海力块单层乱抛各种坡度之比较图。
图31是海力块单层整齐排列各种坡度之比较图。
图32是坡度cotα＝1.3海力块与协克块双层排列比较图。
图33是坡度cotα＝1.3海力块与协克块单层排列比较图。
图34是坡度cotα＝1.5海力块与协克块双层排列比较图。
图35是坡度cotα＝1.5海力块与协克块单层排列比较图。
图36是坡度cotα＝2.0海力块与协克块双层排列比较图。
图37是坡度cotα＝2.0海力块与协克块单层排列比较图。
图38是坡度cotα＝1.3海力块各种排列比较图。
图39是坡度cotα＝1.5海力块各种排列比较图。
图40是坡度cotα＝2.0海力块各种排列比较图。
图41是海力块双层乱抛各种坡度之比较图。
图42是海力块双层整齐排列各种坡度之比较图。
图43是海力块单层乱抛各种坡度之比较图。
图44是海力块单层整齐排列各种坡度之比较图。
图45是波高与海力块重量关系图。
图中所示---表示海力乱抛-表示协克乱抛…………表示海力整齐---表示协克整齐
权利要求
一种海力消波混凝土块，以正四面体为基本形体，其特征在于在该正四面体上削截其四个锥角端，而以四个截头三角锥代替，在正四面体上部三面中心点，均设圆锥孔，使三个圆锥孔连通并贯穿正四面体之内部，该正四面体与四角端的截头三角锥之间连接部分，形成凹角，且该正四面体与四角端的截头三角锥，其每一平面之间之连接线，均经修饰为面状菱线，形成一种以最少混凝土体积，构成最大平面与空间的海力消波混凝土块。
全文摘要
一种以正四面体为基本形体的海力消波块，其特征在于在正四面体的三面中心点挖中空圆洞，并在正四面体的四个锥角端附予四个截头三角锥。本发明稳定性高，重心低不易被水冲失，且以最少混凝土体积构成最大的平面与空间。尤其中心圆孔设计可减少河水之扬力，因此对波压反射及河川流速之减低极有成效，且更能防止冲刷与侵蚀保护基石流失，对于海堤之消波工，护基工、防砂堤工、海堤及河堤护岸极有效果。
文档编号E02B3/08GK1067939SQ9110423
公开日1993年1月13日 申请日期1991年6月20日 优先权日1991年6月20日
发明者陈逸堂 申请人:万逸民