介绍
美国的海岸线正在遭受攻击!但不是以许多人想象的方式;我们的海岸正受到不断变化的环境、海平面上升和日益增多的恶劣天气事件的攻击。虽然风暴、洪水和侵蚀一直都是危险，但它们现在发生在更高的海平面上。再加上沿海地区的发展，这些灾害现在威胁着美国沿海地区价值约1万亿美元的房地产。根据《2022年海平面上升技术报告》，在过去的100年里，全球平均海平面上升了10-12英寸左右，预计在未来30年里，海平面将再上升10-12英寸。美国有超过6万英里的道路和桥梁位于沿海洪泛区，沿海设计师需要迅速行动起来，保护我们宝贵的基础设施。
当谈到与洪水和海平面作斗争时，有一个国家脱颖而出:荷兰。荷兰约有三分之一的国土位于海平面以下，荷兰人已经成为控制洪水和海洋影响的大师。荷兰最伟大的成就之一是建造了20英里长的阿夫鲁戴克大坝和堤道。阿夫鲁戴克建于1932年，是为了封锁南中国海，防止风暴潮引发的洪水。大坝的核心是冰川土，由天然玄武岩柱包裹，大坝的高度约为平均海平面以上26英尺，3.5H:1V的斜坡面是为8英尺高的海浪设计的。然而，在过去的90年里，玄武岩柱已经被侵蚀，加上水位和波浪高度的增加，导致需要加强阿夫鲁戴克。修复措施包括提高坝顶水位以减少波浪漫过，加强大坝两侧的护甲层。
为了加强大坝，荷兰基础设施和水资源管理部希望保持结构的历史价值和视觉外观。修复合同包括几个独特的方面，包括要求设计能够适应实际海平面上升后的波浪溢出。
图1所示。航拍照片显示阿夫鲁戴克正在整修。(由level&rijkswaterstaat提供)
该合同还激励承包商开发设计，最大限度地减少新材料的使用，最大限度地减少对受保护的瓦登海地区的使用，并最大限度地提高现有材料的再利用。总的来说，护甲系统需要以一个规则的模式放置，波峰升高了6.6英尺，大坝设计的浪高为13.8英尺，增加了68%。为了满足设计要求，并提供比基准混凝土立方体参考设计更低碳影响的安装，开发了一种新的混凝土装甲单元XblocPlus。
新装甲单位
XblocPlus是对广泛使用的单层装甲单元Xbloc的进一步改进。XblocPlus具有对气候变化的高适应能力、更高的稳定性、低混凝土消耗、快速和安全的砌块放置，以及减少材料数量和CO2排放。这些增强提供了更好的经济效益和更低的项目生命周期成本。此外，放置在规则网格上简化了安装，使安装验证更加容易。
XblocPlus的外形可以被描述为一只鸟，有一个喙，一个尾巴和两个翅膀。形状发展的重点是尽量减少喙上的上升压力，利用翅膀增加块之间的距离，并创造间隙和开口来消散波浪能量并减少上升压力。利用ANSYS CFD进行了广泛的数值模拟，研究了速度和波浪压力以及对单元形状变化的影响。每种形状的修改都在80英尺长的波浪水槽中进行了测试。在最终的形式中，在块的中心引入了一个孔。孔大大降低了不稳定力，提高了机组的水力稳定性。
混凝土装甲单元的稳定性用稳定数H来定义年代/ΔDn其中有效波高除以相对密度乘以公称直径。有效波高是结构趾部最高的三分之一波的平均值。
图2。XblocPlus单位
在XblocPlus的物理模型测试中，即使在200%的过载情况下，也没有发生提取或摇晃。XblocPlus单元位于斜坡和下面一行的两个单元上。他们进一步稳定了两个单位在上面的行。这种上下的相互作用使单元相互连接。大联锁能力的单位提供了2.5的设计稳定数。虽然基于物理模型测试可以选择更高的稳定性值，但选择比其他装甲单位低的值是为了在设计中提供更多的弹性和安全性。当波浪高度因气候变化而增加时，XblocPlus系统将具有备用容量。
XblocPlus系统提供了一个视觉上平滑的美学外观，但是，单元有很大的开放空间，导致粗糙度的很大影响因素(γf)。XblocPlus单元在渗透性岩心上的粗糙度系数为0.45。
阿夫鲁戴克的设计
设计和波峰高度最初是根据2018年欧洲顶级手册(基于欧洲研究的超顶手册)确定的。防护波浪攻击所需的装甲单位尺寸主要由设计波浪条件决定。此外，还考虑了项目的几何形状、岩土参数和水深，以确保单元的尺寸正确。
方程1。XblocPlus单位大小
确定所需体积单位尺寸的推荐公式如公式1所示。如果存在一个以上的校正因子的附加考虑因素，则应使用最大值作为物理模型测试的起点。根据波高、XblocPlus稳定系数2.5和项目修正系数，XblocPlus的尺寸为6.6美制吨。为了装甲阿夫鲁戴克新的2H:1V斜坡，需要8排XblocPlus单元，总共需要大约75,000个装甲单元。新的阿夫鲁戴克保护系统的艺术渲染图如图3所示。
图3。新阿夫鲁戴克装甲的艺术家渲染图。
阿夫鲁戴克设计的一个特点是护堤大约位于高水位处。这对于减少波浪漫过是非常有效的，但它对较低斜坡上的顶部块体的水力稳定性提出了很大的挑战:波浪荷载在水位处很高，而顶部块体缺乏上面块体提供的额外稳定性。因此，定制的XblocPlus单元，即护坡块，应用于较低斜坡的顶部。这款积木是XblocPlus，重量增加了12美制吨，而不是通常的6.6美制吨。护坡块也有额外的空隙来释放单元和护坡上自行车道沥青之间的波浪压力。
平均波浪过顶流量可以从公式2 (EurOtop 2018)中预测，其中q =平均过顶流量;Rc=干舷;α=坡度角;ζm - 1, 0=防波堤参数;γb=护堤影响因子;γf=坡面粗糙度的影响因子;γβ=斜波影响因子;和γv和γ* =坡顶墙的影响因子。
方程2。平均波浪过顶流量
对于阿夫鲁戴克的复合坡度，粗糙度影响因子，γf，很难预测，因为它取决于波浪的过顶量和波浪的陡度。因此，需要物理建模来更好地估计过顶。
图4。安装后的护堤(上图)和自行车道完工后的护堤(下图)。Jan Wessels摄影;由Rijkswaterstaat & level提供
物理模型测试
在海岸设计中，采用简化的方法来计算海岸结构的水力和结构性能。边界条件，如测深、波浪气候和可用材料可能因地区而异，这使得每个装置本质上都是独一无二的。场地条件离边界条件越远，不确定性和风险就越大。物理模型试验是确定和优化设计的重要步骤。此外，它们可以提供更多关于overtopping的信息。
为了证明XblocPlus单元符合项目要求，进行了多尺度物理模型测试。最初，进行了1:20和1:30的小规模试验，以优化波浪过顶和装甲稳定性的设计。最后，在Deltares的Delta水槽进行了1 / 3比例尺(1:3)试验。三角洲水槽是世界上最大的水槽之一，宽16.4英尺，高31英尺，长近1000英尺。波浪可以产生7.2英尺的最大有效浪高，但该设施产生了超过15英尺的单波记录。
采用较大的比例尺，是因为在较小的比例尺上，块体护岸稳定性试验的尺度效应可以忽略不计。否则，在过滤器中流动的雷诺标度律和波的弗劳德标度律之间存在冲突的风险。在阿夫鲁戴克的测试中，浪高高达5英尺，超载情况为10%。对装甲、底层和趾部的液压稳定性进行了监测。图5显示了测试设备中XblocPlus单元的波浪破裂。
图5。三角洲水槽的水力试验．
XblocPlus在所有测试中都非常稳定，这证实了设计中提供的稳定性数2.5包含了一个重要的安全系数。XblocPlus单元的稳定性如图6所示，并与使用Van Gent修改的Van der Meer公式计算的浅前滩岩石边坡的稳定性进行了比较(rock Manual 2007)。由图可知，当等效稳定系数为3.0时，无损伤发生。XblocPlus单元的互锁及其独特的形状允许实现这种高稳定性。
将水槽试验的波浪过顶测量值与公式2的估算值进行比较，结果显示一致性良好，符合合同要求。
图6。XblocPlus测试结果与计算的岩石稳定性．
阿夫鲁戴克设计的弹性
阿夫鲁戴克的设计方法具有内在的弹性，可以应对未来水位和波浪气候的不确定性。根据目前对未来气候条件的预测，位于较低斜坡上的XblocPlus层能够承受比设计条件高得多的海浪。因此，如果波浪和/或水位变得比目前预测的更不利，就没有必要加强结构。在这种情况下，可能有必要提高堤防的波峰水平，以减少波浪的漫过。虽然这仍然是一项很大的行动，但与整个结构的全面升级相比，这只是一项有限的任务。
图7。XblocPlus的装甲层及其表面潮汐池(左)和多孔性(中)为海洋生物提供了栖息地(右)。
环境注意事项
由于XblocPlus的护甲层位于潮汐带内，并且这些单元的孔隙率为60%，因此它们为螃蟹、龙虾和贝类等海洋生物提供了栖息地。为了进一步促进海洋生长，单元的顶部表面被粗糙化，并在单元顶部增加了两个小型潮汐池。
使用XblocPlus单元代替参考设计中的混凝土立方体，可以节省56%的CO2由于相对更薄，更多孔的装甲层造成的足迹。阻塞也导致大量一氧化碳2与传统的岩石装甲解决方案相比，通过减少材料数量和运输排放来节省成本。此外，旧的现有玄武岩装甲保护被从大坝上移除，并重新用作新的XblocPlus单元的骨料。这减少了项目所需的骨料数量，也有助于减少处理现有材料的影响。
Rijkswaterstaat采用了八种新的可持续混凝土技术，作为验证未来混凝土增强性能的测试项目。这8种混合物被分成32个单元，以测试旨在减少CO的不同技术2排放。这32个测试块将进行常规检查，包括视觉问题、耐久性、变色、破碎和生物附着。证明有利的混合物将被允许纳入未来的Rijkswaterstaat项目。
图8。用可持续混凝土混合料放置试验块．
安装
XblocPlus单元放置在预定义的坐标上。放置网格是半砖连接，所以每个单元被放置在下一行的两个单元之间，然后被放置在上面的两个单元联锁，以获得与斜坡上周围单元联锁的稳定性。XblocPlus装置上的孔可以释放静水压力(增加装置的稳定性)，同时也可以作为举升点。夹持器插入到装置顶部的孔中。这可以由挖掘机操作员完成，而不需要任何地面工人的帮助，从而使XblocPlus装置的安装更安全、更高效。
为了安装在阿夫鲁戴克大坝上，一个漂浮在海边驳船上的液压起重机被用来放置这些装置。挖掘机使用带有旋转器的液压夹持器来完全控制位置。在连接XblocPlus装置的驳船上不需要人工，在安装点也不需要人工。此外，挖掘机还配备了一个屏幕，提供实时3D BIM模型，以便可视化单元的确切放置位置。
图9。从驳船上安装XblocPlus。Jan Wessels摄影;由Rijkswaterstaat & level提供
结论
今天建设足够强大的基础设施以应对未来的极端力量可能是昂贵的。相反，如果使用具有内置弹性的技术来实现短期项目目标并保持在当前预算范围内，和对未来的变化具有弹性和适应性?XblocPlus装甲系统满足了海岸防护的这些目标。联锁装甲单元具有高储备液压稳定性，这使得XblocPlus单元适合由于气候变化，海平面上升和世界各地防波堤，码头和海岸线项目中日益增加的恶劣天气事件而变化的水力边界条件。
作者
丹尼尔·普里斯特，体育老师他是康泰克工程解决方案公司的硬装甲解决方案总经理。他是一名注册专业工程师，在岩土和水工结构的设计和施工方面拥有超过20年的经验。他持有辛辛那提大学土木与环境工程学士学位，以及伊利诺伊州埃文斯顿西北大学土木与岩土工程硕士学位;电子邮件:(电子邮件保护)．
Pieter赞美上帝是Delta Marine Consultants的全球经理Xbloc。他拥有代尔夫特理工大学水利工程硕士学位。作为一名沿海专家，他参与了许多沿海和港口项目，从中美洲的小型码头到欧洲的大型港口开发，中东的离岸岛屿和美国的飓风保护系统;电子邮件(电子邮件保护)．
