生态工程单层护面块体的水力设计建议

《Coastal Engineering》：HYDRAULIC DESIGN RECOMMENDATIONS FOR ECO-ENGINEERED SINGLE-LAYER ARMOUR UNITS

　　

本文首次提出了针对Coastalock?护面块体（一种生态工程单层护面系统）的综合水力设计建议。基于加拿大国家研究委员会（NRC）和代尔夫特理工大学（TU Delft）进行的四个独立物理模型试验的306次独立海况试验运行，本研究建立了统一的经验设计基础。水力性能通过稳定性数（Ns）和Hudson系数（KD）表示，针对透水和不透水核心，坡度分别为2V:3H和1V:2H。性能最佳配置（2V:3H坡度）由间距为22.5%的带凸起Coastalock块体组成，置于透水核心上；初步设计值为Ns≈2.8和KD≈15，属于已建立的单层系统（如Core-Loc?、Xbloc?、Accropode II?和Cubipod?）的报告范围。块体间距（定义为相邻块体之间有意的横向间隙，相对于名义护面直径表示）和垫层粒径被确定为水力稳定性的主要有效参数。在测试配置中，最佳性能出现在垫层与护面层名义直径比为0.25–0.34之间，并在测试的间距、核心渗透性和放置条件下进行解释。越浪分析根据EurOtop公式进行校准，得到γf值主要介于0.65–0.70之间，反映了Coastalock的越浪特性。生态监测作为设计背景被确认，因为块体空腔可作为蓄水潮池和遮蔽庇护所；然而，本文提出的建议聚焦于水力稳定性、越浪、垫层响应以及趾部和后侧响应观测。这些发现表明，Coastalock具有作为双功能单层护面块体的潜力。基于测试的结构配置和水力条件提出的建议，为单层生态工程Coastalock护面块体的初步水力设计提供了研究基础。

**论文解读：生态工程单层护面块体Coastalock的水力设计建议**

**研究背景与问题**
海岸防护结构传统上依赖可靠抵抗波浪攻击和风暴潮的能力，抛石防波堤和护岸是现代海岸线防御系统的基础。然而，气候变化、环境标准提升和海岸城市化加剧了对适应性海岸防御系统的需求，要求平衡水力稳定性、可施工性和长期可持续性。混凝土护面块体是抛石防波堤设计的关键，现代专利单层系统如Core-Loc?、Xbloc?、Accropode II?和Cubipod?已有详细设计手册。近年来，生态工程策略通过引入表面纹理、空腔、潮池和生物增强混凝土，在保持水力功能的同时增加栖息地异质性。Coastalock护面块体于2021年开发，旨在结合现代单层水力性能与生态设计特征，其联锁几何形状支持规则放置，集成空腔和纹理表面提供遮荫、保水微栖息地。尽管已有多个物理模型研究（Molenkamp, 2022; Lawniczak, 2024; Sayar et al., 2025; Baker et al., 2023），但缺乏统一的设计建议，导致设计者面临不确定性。因此，本研究旨在整合多机构二维物理模型数据，首次提出Coastalock的初步水力设计建议。

**研究内容与结论**
研究人员通过汇总四个独立物理模型试验（加拿大国家研究委员会NRC和代尔夫特理工大学TU Delft）的306次海况试验运行，建立了统一经验数据库。分析了水力稳定性（Ns和KD）、越浪（γf）、趾部和后侧响应以及垫层-护面尺寸比。最佳配置（2V:3H坡度、透水核心、22.5%间距带凸起块体）的无失效临界Ns≥4.19，设计Ns≈2.8，KD≈15，与主流单层系统相当。标准块体（10%间距）设计Ns≈2.26，KD≈7.68。越浪分析获得代表性粗糙度因子γf=0.67。垫层比Dn50,UL/Dn,CL在0.25–0.34范围内与稳定性相关。趾部失效仅发生在严重越浪工况下。论文发表在《Coastal Engineering》。

**主要技术方法**
研究基于四个二维物理模型试验：Molenkamp（2022）在TU Delft测试不透水核心护岸；Lawniczak（2024）在TU Delft测试透水核心护岸（含间距、凸起、垫层变化）；Sayar et al.（2025）在NRC测试出露式防波堤；Baker et al.（2023）在NRC测试缓坡不透水核心护岸。样本来源包括NRC和TU Delft。关键技术：稳定性分析采用稳定性数Ns=H_s/(ΔD_n,CL)，并通过Hudson公式计算KD；越浪分析基于EurOtop（2018）框架，校准粗糙度因子γf；垫层评估通过Dn50,UL/Dn,CL比；趾部稳定性对比van der Meer et al.（1996）公式。试验参数涵盖坡度2V:3H和1V:2H、间距0%–25%、核心透水/不透水、不同波陡和波高。

**研究结果**
**4.1 水力稳定性评估** 通过306次测试运行，发现块体间距、凸起、核心渗透性和垫层粒径是主要控制参数。低间距（<10%）与呼吸、垫层变形和块体提取相关；高间距（10%–25%）稳定性提高。带凸起的22.5%间距配置在透水核心上达到最高稳定性（临界Ns≥4.19）。标准块体10%间距配置的临界Ns≈3.39。应用安全系数1.5后，设计Ns分别为2.80和2.26，对应KD≈14.55和7.68。

**4.1.1 标准Coastalock设计** 透水核心在高间距下降低抬升响应；不透水核心在低间距下更早出现不稳定。间距<10%时出现呼吸和垫层变形。10%及以上间距在测试范围内基本稳定。

**4.1.2 带凸起的Coastalock** 带凸起块体在22.5%间距下未出现失效，最大测试Ns=4.19，设计Ns=2.80。凸起增强了联锁和抵抗提取能力。

**4.2 垫层响应** 垫层比Dn50,UL/Dn,CL在0.25–0.34范围内与有限不稳定性相关。过大垫层石料可能降低放置规则性。透水核心下，不稳定性发生率随垫层比增大而降低，但需结合间距和核心渗透性解释。

**4.3 越浪性能** 基于EurOtop（2018）校准，10%间距配置的粗糙度因子γf≈0.67，22.5%间距配置的γf在0.65–0.70之间。该值高于多数单层系统，表明Coastalock的越浪减少效果较低。

**4.4 趾部和后侧响应** 仅发生一次趾部失效（Sayar et al., 2025），位于后侧，因严重越浪导致后趾破坏。其他趾部配置稳定，但趾部重量常大于van der Meer公式计算值。

**4.5 控制水力响应变量综合** 间距、凸起、核心渗透性、垫层比和越浪被确定为关键变量。最佳配置为22.5%间距带凸起块体在透水核心上。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究首次整合了四个物理模型数据，为Coastalock提供了统一数据集。最佳配置的设计Ns=2.8（KD≈15），标准配置Ns=2.26（KD≈7.68），均处于单层系统设计范围（Ns≈2.4–3.0）。越浪粗糙度因子γf=0.67，需项目验证。稳定性受间距、核心渗透性、垫层支撑和边界条件交互控制。建议仅适用于测试的二维直段截面，对于圆头、斜向波浪、移动底床等需额外物理模型。生态功能作为设计背景，未在本研究中分析。

**结论（翻译）** 本研究首次提出基于四个物理模型试验的Coastalock护面块体初步水力设计建议，涵盖护面层稳定性、垫层响应、越浪和趾部稳定性。综合数据库包含306次海况测试运行，确定了控制Coastalock性能的主要参数。最佳测试配置（22.5%间距带凸起块体，透水核心，2V:3H坡度）无失效，临界Ns≥4.19，设计Ns≈2.8，KD≈15。标准配置（10%间距，透水核心）的设计Ns≈2.26，KD≈7.68。垫层比Dn50,UL/Dn,CL在0.25–0.34范围内与稳定性相关。越浪计算建议采用γf=0.67。趾部支持在严重越浪下影响护面层完整性。建议仅适用于测试的二维直段截面，对于圆头、斜向波浪、不同尺寸等需额外模型。生态设计意图保留，但水力设计建议基于稳定性、越浪、垫层和趾部响应观测。