Kalkulator Riprap - Alat Saiz Batu D50 & Tonase

Kalkulator kawalan hakisan riprap

Riprap ialah batu longgar yang diletakkan pada cerun, dasar saluran atau garis pantai untuk menghentikan hakisan. Kalkulator kawalan hakisan riprap mengira jumlah batu yang diperlukan bagi sesuatu projek: saiz batu yang diperlukan, isipadu batu dan jumlah tan untuk dipesan, berdasarkan dimensi projek, sudut cerun dan keadaan aliran air.

Fungsi riprap

Hakisan berlaku apabila air yang bergerak menarik zarah tanah dari tebing, cerun atau saluran. Riprap mengatasinya dengan menutupi tanah menggunakan batu berat yang bersudut. Batu-batu itu saling mengunci dan membolehkan air mengalir melalui ruang di antaranya, lalu lapisan tersebut menyerap daya aliran dan bukannya tanah terdedah di bawahnya.

Jurutera menerangkan lapisan riprap berdasarkan D50, iaitu saiz median batu. Separuh daripada batu dalam campuran mempunyai berat melebihi saiz D50 dan separuh lagi kurang daripadanya. D50 lebih penting daripada batu terbesar dalam timbunan kerana riprap berfungsi sebagai satu kumpulan: batu yang lebih kecil mengisi ruang antara batu yang lebih besar, dan saling kuncian itulah yang menghalang keseluruhan lapisan daripada menggelongsor atau dihanyutkan.

Riprap digunakan di sekeliling saluran keluar pembetung, sepanjang tebing sungai, di bawah tiang jambatan, pada lapisan saluran dan di garis pantai yang terdedah kepada ombak.

Cara kalkulator berfungsi

Kalkulator menerima empat input: panjang, lebar dan kedalaman kawasan yang akan diliputi (semuanya dalam kaki), sudut cerun (dalam darjah) dan keadaan aliran: rendah, sederhana atau tinggi.

Isipadu. Kalkulator mendarabkan panjang, lebar dan kedalaman untuk mendapatkan kaki padu, kemudian membahagikannya dengan 27 untuk menukarkannya kepada ela padu, iaitu unit yang biasanya digunakan oleh pembekal batu.

$\text{Isipadu (yd}^3\text{)} = \frac{\text{Panjang} \times \text{Lebar} \times \text{Kedalaman}}{27}$

Saiz batu D50. Daripada meminta kelajuan air yang tepat, kalkulator menggunakan tiga julat aliran, setiap satunya dikaitkan dengan saiz batu asas:

Saiz asas itu kemudiannya dilaraskan mengikut sudut cerun. Batu yang berada di atas cerun mempunyai kurang geseran yang menahannya di tempat berbanding batu di tanah rata, jadi cerun yang lebih curam memerlukan batu yang lebih besar. Kalkulator menggunakan faktor pembetulan cerun, K1:

$K_1 = \sqrt{1 - \frac{\sin^2(\theta)}{\sin^2(\phi)}}$

$D_{50} = \frac{\text{Asas } D_{50}}{K_1}$

Di sini θ ialah sudut cerun yang dimasukkan oleh pengguna, manakala φ ialah sudut 40 darjah, iaitu sudut rehat yang digunakan oleh kalkulator. Sudut rehat ialah sudut paling curam apabila batu yang dicurahkan kekal di tempatnya secara semula jadi. Di tanah rata (θ = 0°), K1 bersamaan 1, maka D50 bersamaan saiz asas. Apabila sudut cerun meningkat menghampiri 40°, K1 mengecil menghampiri sifar dan D50 yang diperlukan meningkat tanpa had.

Pada 40° atau lebih curam, tiada jawapan. Kalkulator menyembunyikan saiz batu dan kelas batu, lalu memaparkan amaran sebagai gantinya: tiada batu, walau sebesar mana pun, dapat kekal di tempatnya pada cerun securam itu, jadi tapak tersebut memerlukan penyelesaian struktur seperti lapisan perlindungan konkrit atau tembok gabion, bukannya batu longgar. Isipadu dan jumlah tan masih dilaporkan kerana kedua-duanya tidak bergantung pada saiz batu.

K1 ialah faktor pembetulan cerun sisi yang digunakan dalam manual Kor Jurutera Tentera Darat A.S. EM 1110-2-1601 dan National Engineering Handbook, Bahagian 654, Technical Supplement 14C terbitan Natural Resources Conservation Service. Faktor ini berasal daripada analisis daya tarikan yang diterbitkan oleh Lane pada 1955: batu yang berada di atas cerun sisi memerlukan daya yang lebih kecil untuk dialihkan berbanding batu di dasar rata, maka batu tersebut perlu lebih besar dengan faktor 1/K1. TS14C menyenaraikan faktor yang sama mengikut nisbah cerun, contohnya 0.87 pada 3H:1 V (18.4°), 0.72 pada 2H:1 V (26.6°) dan 0.52 pada 1.5H:1 V (33.7°).

Kelas saiz batu. Kalkulator mengelaskan hasil D50 kepada salah satu daripada lima kelas bernama:

Jumlah tan. Kalkulator menukarkan isipadu kepada berat menggunakan ketumpatan terpasang tetap sebanyak 1.5 tan (1.36 t) bagi setiap ela padu, iaitu nilai yang digunakan dalam Hydraulic Engineering Circular 15 FHWA. Ketumpatan ini tidak berubah mengikut saiz batu. Batu yang lebih besar mempunyai ruang yang lebih besar antara kepingan batu, jadi satu ela padu riprap besar dan satu ela padu riprap kecil mempunyai berat yang hampir sama selepas dipasang. (Pengukuran lapangan berbeza daripada kira-kira 1.2 hingga 1.7 tan bagi setiap ela padu bergantung pada penggredan dan tahap kepadatan batu; kalkulator menggunakan satu nilai pertengahan tunggal, iaitu 1.5.)

$\text{Jumlah tan} = \text{Isipadu (yd}^3\text{)} \times 1.5$

Contoh pengiraan

Pertimbangkan kawasan perlindungan tebing sungai sepanjang 50 kaki (15 m), selebar 20 kaki (6.1 m), dengan kedalaman riprap 2 kaki (0.61 m), cerun 25° dan aliran sederhana (5–10 kaki/s).

Isipadu:

$\frac{50 \times 20 \times 2}{27} = \frac{2000}{27} \approx 74.1 \text{ yd}^3$

D50:

$K_1 = \sqrt{1 - \frac{\sin^2(25^\circ)}{\sin^2(40^\circ)}} = \sqrt{1 - 0.4323} \approx 0.7535$

$D_{50} = \frac{9}{0.7535} \approx 11.9 \text{ inci}$

Nilai itu berada dalam julat 8–12 inci, jadi kalkulator melaporkan Kelas III – Riprap Besar.

Jumlah tan:

$74.1 \times 1.5 \approx 111.1 \text{ tan}$

Bagi projek ini, kalkulator akan melaporkan batu D50 kira-kira 11.9 inci, 74.1 ela padu (56.7 m³) dan 111.1 tan (101 t) batu.

Panduan pemasangan

Selain angka, kalkulator menyenaraikan nota pemasangan yang berubah mengikut masukan. Setiap hasil merangkumi pemasangan fabrik geotekstil di bawah riprap untuk menghalang tanah daripada terhakis naik melalui ruang, serta peletakan batu dalam corak rawak yang saling mengunci dan bukannya disusun dalam baris yang teratur. Bagi cerun yang lebih curam daripada 30°, kalkulator mengesyorkan penambatan mekanikal atau pembinaan teres, serta pembinaan cerun dari bawah ke atas supaya batu tidak menggelongsor semasa kerja pembinaan. Bagi tapak dengan aliran tinggi, kalkulator menambah nota tentang perlindungan kaki cerun di pangkal cerun. Peraturan umum yang berulang dalam panduan kejuruteraan dan dicerminkan dalam nota kalkulator ialah ketebalan lapisan riprap hendaklah sekurang-kurangnya 1.5 kali saiz D50, supaya batu bertindih dan bukannya terdedah dalam satu lapisan tunggal.

Soalan lazim

Apakah D50 dalam penentuan saiz riprap? D50 ialah saiz median batu dalam muatan riprap: separuh batu mengikut berat adalah lebih besar dan separuh lagi lebih kecil. Jurutera menetapkan D50 dan bukannya batu terbesar kerana riprap berfungsi sebagai jisim yang saling mengunci, bukan sebagai batu individu.

Apakah rumus yang digunakan kalkulator ini untuk D50? Kalkulator bermula dengan saiz batu asas yang dikaitkan dengan keadaan aliran (6 inci bagi aliran rendah, 9 bagi aliran sederhana dan 12 bagi aliran tinggi), kemudian membahagikannya dengan faktor pembetulan cerun, K1 = √(1 − sin²θ / sin²40°), dengan θ sebagai sudut cerun. Cerun yang lebih curam menghasilkan K1 yang lebih kecil dan oleh itu D50 yang diperlukan lebih besar.

Mengapakah kalkulator enggan memberikan saiz batu pada cerun curam? Sebaik sahaja sudut cerun mencapai 40°, iaitu sudut rehat yang digunakan kalkulator bagi batu yang dicurahkan, K1 menjadi sifar dan rumus itu tiada penyelesaian. Batu longgar tidak dapat kekal di tempatnya sendiri pada sudut tersebut, tanpa mengira saiznya. Kalkulator menggantikan saiz batu dan kelas batu dengan amaran, tetapi masih melaporkan isipadu dan jumlah tan yang tidak bergantung pada saiz batu. Tapak dengan kecerunan sebegitu memerlukan struktur penahan dan bukannya riprap.

Bagaimanakah kalkulator menukarkan isipadu kepada jumlah tan? Kalkulator mendarabkan isipadu dalam ela padu dengan ketumpatan terpasang tetap sebanyak 1.5 tan (1.36 t) bagi setiap ela padu. Ketumpatan ini sama bagi setiap saiz batu dalam kalkulator; ketumpatan itu tidak meningkat dengan nilai D50 yang lebih besar.

Adakah kalkulator menggunakan faktor keselamatan pada hasilnya? Tidak. Angka isipadu, D50 dan jumlah tan ialah hasil mentah kalkulator tanpa margin keselamatan terbina dalam. Pereka bentuk projek lazimnya menambah margin sendiri pada pengiraan asas untuk mengambil kira ketidakpastian dalam anggaran aliran dan variasi pembinaan, tetapi kalkulator ini tidak melakukannya secara automatik.

Apakah perbezaan antara riprap dan rip rap? Tiada perbezaan. Kedua-dua ejaan itu merujuk kepada bahan yang sama: batu bersudut yang diletakkan untuk kawalan hakisan. “Riprap”, yang ditulis sebagai satu perkataan, ialah ejaan yang digunakan dalam kebanyakan spesifikasi kejuruteraan dan penerbitan kerajaan.