高小塊石含量堤心石在深水防波堤的綜合利用

肖仕寶，鄧濤，劉洋

1 概述

堤心石作為深水防波堤結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，主要功能為減少波浪透浪并為護(hù)面結(jié)構(gòu)提供支撐，其用量占比大，是防波堤費(fèi)用和進(jìn)度控制的核心因素。堤心石不同于墊層塊石和護(hù)面塊石，堤心石級(jí)配較寬，規(guī)范中對(duì)塊石上下限重量以及含量進(jìn)行了限制，對(duì)中值重量M50沒(méi)有要求。

規(guī)范體系中對(duì)堤心石級(jí)配的選取尚無(wú)系統(tǒng)性指導(dǎo)原則和理論，實(shí)際工程中一般根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)確定。堤心石采用開(kāi)山石自然級(jí)配最有利于項(xiàng)目推進(jìn)，但其級(jí)配與設(shè)計(jì)要求可能存在一定的差距，增加工程實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)。本文以海外某深水防波堤工程為例，其當(dāng)?shù)氐绦氖K石普遍含量較高，很難滿足EPC合同的級(jí)配要求。在搜集規(guī)范和文獻(xiàn)資料并咨詢國(guó)內(nèi)外專家意見(jiàn)后，結(jié)合防波堤不同部位的功能要求和施工安排擬定了堤心石優(yōu)化方案，經(jīng)物模試驗(yàn)的驗(yàn)證，工程實(shí)施中取得了較好效益。本文總結(jié)了堤心石級(jí)配要求的設(shè)計(jì)原則，可為類似項(xiàng)目提供參考。

2 堤心石研究現(xiàn)狀

JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]中規(guī)定斜坡堤的堤心石可采用10～100 kg塊石。對(duì)工程量較大，石料缺乏的地區(qū)，也可采用開(kāi)山石、石碴或袋裝砂土等代用材料。

BS 6349-7《海工建筑物-防波堤設(shè)計(jì)與施工指南》[2]指出理想的堤心石應(yīng)力求其在較寬的范圍內(nèi)均勻分布，防止小塊石被掏出。堤心石的規(guī)格要求應(yīng)根據(jù)本地石場(chǎng)情況、防波堤斷面設(shè)計(jì)功能要求以及施工措施來(lái)確定。

The rock manual[3]指出堤心石對(duì)中值粒徑?jīng)]有要求，一般限制最大塊石重量并控制最小塊石重量。堤心石小塊石含量會(huì)影響堤心石的抗剪強(qiáng)度、孔隙率以及滲透性，合理的堤心石規(guī)格要求需要對(duì)結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行全面分析。

文獻(xiàn)[4]中對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)采用的10～100 kg和1～800 kg重量范圍內(nèi)的堤心石進(jìn)行隨機(jī)抽樣和重量級(jí)配分析，將得到堤心石級(jí)配曲線通過(guò)物模試驗(yàn)量測(cè)了堤前反射系數(shù)，堤心內(nèi)壓強(qiáng)的大小和分布，堤頭的透射波高。

國(guó)外也進(jìn)行很多類似物模和數(shù)模研究，但總的來(lái)講，防波堤堤心石設(shè)計(jì)以定性為主，缺少系統(tǒng)性的指南。

3 某深水防波堤堤心石問(wèn)題

港口城防波堤設(shè)計(jì)斷面如圖1所示，EPC合同中要求堤心石為1～500 kg塊石，泥沙含量不超過(guò)5%，10 kg以下塊石不允許超過(guò)總質(zhì)量的10%，不允許出現(xiàn)超過(guò)1 t的大塊石，如表1所示。

表1 EPC合同堤心石級(jí)配要求Table 1 Quarry run grading requirements of EPC kg

該工程堤心石用量高達(dá)130萬(wàn)m3，來(lái)自于附近大大小小20多個(gè)石場(chǎng)，當(dāng)?shù)卣乒芾聿块T(mén)在開(kāi)采證中對(duì)鉆孔孔距、孔深、孔徑和裝藥量嚴(yán)格控制，石場(chǎng)產(chǎn)出的堤心石普遍偏小，堤心石堆高碾壓后更加劇小塊石含量的增加。堤心石小石料（＜10 kg）含量高達(dá)30%，其級(jí)配很難滿足EPC合同要求，堤心石質(zhì)量問(wèn)題較突出。

經(jīng)與施工單位多次討論后，為避免大量堤心石篩選工作，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定采用3類不同堤心石級(jí)配的方案，1）對(duì)部分受控石場(chǎng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，供應(yīng)質(zhì)量最好A料；2）對(duì)不受控制石場(chǎng)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，合格為次一級(jí)的B料，不合格歸為C料；3）現(xiàn)場(chǎng)堆存的堤心石質(zhì)量較差，統(tǒng)一歸為C料。

4 堤心石級(jí)配調(diào)整優(yōu)化方案

當(dāng)采用開(kāi)山石作為堤心石時(shí)，合理確定堤心石級(jí)配要求受多種因素影響[3]。1）倒濾穩(wěn)定，堤心石細(xì)顆粒可能被掏走從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降；2）堤心石滲透性，影響到防波堤護(hù)面塊石穩(wěn)定性和堤體透浪性能；3）堤心石施工過(guò)程控制的影響；4）對(duì)堤心石抗剪強(qiáng)度影響。其中4）不是本工程的控制因素，不予具體闡述。

4.1 堤心石相關(guān)倒濾穩(wěn)定性

4.1.1 倒濾設(shè)計(jì)理論

倒濾設(shè)計(jì)需要滿足2條標(biāo)準(zhǔn)：1）小顆粒不會(huì)被各種作用力掏走；2）倒濾結(jié)構(gòu)的滲透性不能明顯降低。其研究手段包括有經(jīng)驗(yàn)公式法、物模方法以及數(shù)值模擬方法，其中數(shù)值計(jì)算方法還處于理論研究階段。以下規(guī)范和手冊(cè)中給出堤心石和墊層塊石之間的倒濾指導(dǎo)原則。

1） BS 6349-7的4.4.3節(jié)中，對(duì)于墊層塊石和堤心石之間，采用修正的Terzaghi倒濾準(zhǔn)則來(lái)確定級(jí)配要求，但該公式是基于單向流的經(jīng)驗(yàn)公式，沒(méi)有考慮波浪作用。

式中：D為塊石粒徑；下標(biāo)“u”表示墊層塊石；下標(biāo)“c”表示堤心石；下標(biāo)“15”和“85”表示通過(guò)該尺寸的質(zhì)量百分比。

2） 美國(guó)海岸工程師手冊(cè)中EM 1110-2-1100第6部分，采用圖表法給出一般堤心石取值，堤心石中值粒徑是護(hù)面塊1/20～1/30，上限值可放寬到170%，下限值可放寬到30%。

3） Thompson&Shuttler方法。The rock manual（2016.02）勘誤表中，采用Thompson&Shuttler來(lái)評(píng)估受波浪作用下，護(hù)面塊石和墊層塊石之間倒濾穩(wěn)定性。

4）Cistin/Ziems方法。Therock manual（2016.02）勘誤表中，Cistin/Ziems查圖法采用不均勻系數(shù)和中值粒徑比值綜合確定，但該方法是基于流的經(jīng)驗(yàn)方法，沒(méi)有考慮波浪作用。

4.1.2 倒濾計(jì)算

綜合本工程防波堤不同部位功能，對(duì)于倒濾計(jì)算擬定如下計(jì)算原則：

1）堤心部位。位于1倍波高作用范圍以內(nèi)，波浪經(jīng)扭王塊和墊層塊石進(jìn)入堤心石的波浪作用會(huì)大大折減，合理堤心石級(jí)配確定應(yīng)該介于在BS 6349-7中Terzaghi倒濾準(zhǔn)則和Thompson&Shuttler approach之間。考慮該部位是波浪主要受力作用區(qū)，墊層塊石和堤心石，以及堤心石和堤心石保守采用嚴(yán)格的Thompson&Shuttler公式計(jì)算。

2）護(hù)底以及壓腳塊石以下部分。堤心石最高在-12.7 m，位于2倍波高以下，港口城防波堤頂標(biāo)高為+4.0 m，絕大部分波浪能量越過(guò)堤體而消散內(nèi)側(cè)水域，作用在壓腳處堤心石能量大大減弱，此處采用Thompson&Shuttler法計(jì)算倒濾則過(guò)于保守。物理模型試驗(yàn)結(jié)果亦顯示，即使在200 a一遇設(shè)計(jì)波浪和200 a+20%波浪條件下，沒(méi)有在壓腳處發(fā)現(xiàn)波浪破碎或明顯波浪向下沖擊作用，這表明壓腳處波浪作用也是相對(duì)有限的。基于此，此處倒濾采用Terzaghi計(jì)算方法更合適。

結(jié)合防波堤結(jié)構(gòu)不同部位波浪作用的不同，3種堤心石級(jí)配要求的斷面使用方案如下：

①A類堤心石：位于800～2 000 kg墊層塊石和堤心之間，最小厚度根據(jù)對(duì)護(hù)面塊石的穩(wěn)定性確定；

②B類堤心石：作為護(hù)底以及壓腳塊石下方堤心石；

③C類堤心石：位于A類堤心石下方作為防波堤堤心（見(jiàn)圖1），C類堤心石頂標(biāo)高不得高于-4.0 m，約在1倍波高影響外。

根據(jù)倒濾準(zhǔn)則計(jì)算得到的 M15b、M50b、M85b，根據(jù)Rosin-Rammler理論推導(dǎo)的級(jí)配要求，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)堤心石曲線，綜合給出具體級(jí)配如表2所示。

表2 A/B/C類堤心石的級(jí)配要求Table 2 Grading requirements of type A/B/C quarry run

表2中3類堤心石的級(jí)配要求確定充分咨詢了國(guó)內(nèi)外專家意見(jiàn)，考慮到理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的局限性，優(yōu)化方案對(duì)EPC合同要求進(jìn)行放寬，且突破以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，因此在物模中驗(yàn)證其倒濾掏刷情況，物模試驗(yàn)[5]結(jié)果表明，在10 a一遇、50 a一遇和200 a一遇波浪連續(xù)作用后，前、后坡壓腳塊石表面較初始擺放形態(tài)變化不明顯，斷面各個(gè)結(jié)構(gòu)部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)。前坡2～5 t壓腳塊石下方堤心石（B類堤心石）未被淘刷，試驗(yàn)后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)堤心石輪廓線發(fā)生變形。前坡護(hù)底塊石（B類堤心石）保持穩(wěn)定且水平段的厚度無(wú)明顯減少，僅最外側(cè)1∶2斜坡處稍有變緩，詳見(jiàn)圖2。

圖2 前坡護(hù)底塊石（B類堤心石）受沖刷狀態(tài)Fig.2 The model test scour status of front toe(type B quarry run)

4.2 堤心石滲透性分析

堤體滲透性對(duì)扭王塊體穩(wěn)定性具有影響是行業(yè)內(nèi)共識(shí)，但尚沒(méi)有成熟的計(jì)算公式，其穩(wěn)定計(jì)算均采用哈德遜公式，該公式中假定墊層和堤心具有良好的滲透性，且滲透性相關(guān)參數(shù)并未在公式中體現(xiàn)。根據(jù)Verdegaal[2012]對(duì)Xbloc塊體研究，當(dāng)?shù)腆w滲透性較差時(shí)，塊體重量會(huì)達(dá)到計(jì)算重量的1.5～2倍；Van der Meer[2]對(duì)塊石穩(wěn)定重量計(jì)算公式同樣表明，若反映堤心滲透性的滲透性系數(shù)P由0.4減少到0.1，塊石所需重量會(huì)增加2倍。

這表明堤心石小塊石含量大幅度增加后，堤體滲透性變差，若沒(méi)有合適處理措施，現(xiàn)有17 t扭王塊也許不能滿足穩(wěn)定要求。

Franken[6]對(duì)防波堤的滲透性因素進(jìn)行了更細(xì)致研究，研究不同滲透性能堤心石對(duì)護(hù)面塊體穩(wěn)定影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)透水性較好部分堤心石厚度為1.5倍護(hù)面層厚度時(shí)，結(jié)構(gòu)名義滲透性系數(shù)P可以達(dá)到0.4的正常值。

本項(xiàng)目1.5倍護(hù)面層厚度約為3.75 m，考慮到主要波浪作用破壞區(qū)主要在1倍波高作用。初步確定-4.0 m以上，以及墊層塊石以下最小2 m厚度內(nèi)，必須采用質(zhì)量最好的堤心石A料。

上述關(guān)于滲透性研究結(jié)論是基于非常少的物模試驗(yàn)給出初步的指導(dǎo)原則，堤心石優(yōu)化方案考慮到現(xiàn)場(chǎng)需求，采用了2D物模試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。物模試驗(yàn)中C類堤心石和A類的界面保守采用不透水界面進(jìn)行模擬，物模試驗(yàn)[7]結(jié)果表明，17 t扭王塊、壓腳塊石和護(hù)底依然保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 施工分析和評(píng)估

本項(xiàng)目防波堤施工采用水陸結(jié)合施工特點(diǎn)，前部分1 km采用陸推施工，后2.45 km采用水上施工。-4.0 m以下C類堤心石和B類堤心石采用開(kāi)底駁形成，外包的A類堤心石采用陸推或小開(kāi)底駁形成。由于堤心C料中小塊石含量普遍較高，施工需要加強(qiáng)控制和監(jiān)測(cè)，特別需要注意：

1） C類堤心石小塊石級(jí)配要求最為寬松（小塊石含量最高），全部位于-4.0 m以下波浪作用力較弱位置，非季風(fēng)期施工期做好施工控制以及保證措施，防止堤心石拋填過(guò)程或受波浪作用，避免占據(jù)其它結(jié)構(gòu)層位置。

2）A類堤心石雖然級(jí)配要求最嚴(yán)，但其位于水位線附近受波浪作用最大位置，施工期須做好防護(hù)，防止塊石滾落到墊層塊石或扭王塊安裝處。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下：

1）本項(xiàng)目石場(chǎng)石料級(jí)配無(wú)法滿足EPC堤心石合同要求，結(jié)合倒濾計(jì)算和滲透性分析，根據(jù)防波堤不同部位的功能要求，確定了3種堤心石不同級(jí)配要求和使用范圍，物模試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化方案的各個(gè)結(jié)構(gòu)部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）堤心石小塊石含量偏高，施工期應(yīng)加強(qiáng)施工控制以及保證措施，防止堤心石拋填過(guò)程或受波浪作用，避免占據(jù)其他結(jié)構(gòu)層位置。