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構的主體結構，主要功能為減少波浪透浪并為護面結構提供支撐，其用量占比大，是防波堤費用和進度控制的核心因素。堤心石不同于墊層塊石和護面塊石，堤心石級配較寬，規范中對塊石上下限重量以及含量進行了限制，對中值重量M50沒有要求。

規范體系中對堤心石級配的選取尚無系統性指導原則和理論，實際工程中一般根據已有經驗確定。堤心石采用開山石自然級配最有利于項目推進，但其級配與設計要求可能存在一定的差距，增加工程實施的風險。本文以海外某深水防波堤工程為例，其當地堤心石小塊石普遍含量較高，很難滿足EPC合同的級配要求。在搜集規范和文獻資料并咨詢國內外專家意見后，結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化方案，經物模試驗的驗證，工程實施中取得了較好效益。本文總結了堤心石級配要求的設計原則，可為類似項目提供參考。

2 堤心石研究現狀

JTS 154-1—2011《防波堤設計與施工規范》[1]中規定斜坡堤的堤心石可采用10～100 kg塊石。對工程量較大，石料缺乏的地區，也可采用開山石、石碴或袋裝砂土等代用材料。

BS 6349-7《海工建筑物-防波堤設計與施工指南》[2]指出理想的堤心石應力求其在較寬的范圍內均勻分布，防止小塊石被掏出。堤心石的規格要求應根據本地石場情況、防波堤斷面設計功能要求以及施工措施來確定。

The rock manual[3]指出堤心石對中值粒徑沒有要求，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影響堤心石的抗剪強度、孔隙率以及滲透性，合理的堤心石規格要求需要對結構功能進行全面分析。

文獻[4]中對施工現場采用的10～100 kg和1～800 kg重量范圍內的堤心石進行隨機抽樣和重量級配分析，將得到堤心石級配曲線通過物模試驗量測了堤前反射系數，堤心內壓強的大小和分布，堤頭的透射波高。

國外也進行很多類似物模和數模研究，但總的來講，防波堤堤心石設計以定性為主，缺少系統性的指南。

3 某深水防波堤堤心石問題

港口城防波堤設計斷面如圖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5%，10 kg以下塊石不允許超過總質量的10%，不允許出現超過1 t的大塊石，如表1所示。

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

該工程堤心石用量高達130萬m3，來自于附近大大小小20多個石場，當地政府爆破管理部門在開采證中對鉆孔孔距、孔深、孔徑和裝藥量嚴格控制，石場產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30%，其級配很難滿足EPC合同要求，堤心石質量問題較突出。

經與施工單位多次討論后，為避免大量堤心石篩選工作，結合現場實際情況確定采用3類不同堤心石級配的方案，1）對部分受控石場進行嚴格控制，供應質量最好A料；2）對不受控制石場在施工現場進行檢測，合格為次一級的B料，不合格歸為C料；3）現場堆存的堤心石質量較差，統一歸為C料。

4 堤心石級配調整優化方案

當采用開山石作為堤心石時，合理確定堤心石級配要求受多種因素影響[3]。1）倒濾穩定，堤心石細顆粒可能被掏走從而導致結構發生沉降；2）堤心石滲透性，影響到防波堤護面塊石穩定性和堤體透浪性能；3）堤心石施工過程控制的影響；4）對堤心石抗剪強度影響。其中4）不是本工程的控制因素，不予具體闡述。

4.1 堤心石相關倒濾穩定性

4.1.1 倒濾設計理論

倒濾設計需要滿足2條標準：1）小顆粒不會被各種作用力掏走；2）倒濾結構的滲透性不能明顯降低。其研究手段包括有經驗公式法、物模方法以及數值模擬方法，其中數值計算方法還處于理論研究階段。以下規范和手冊中給出堤心石和墊層塊石之間的倒濾指導原則。

1） BS 6349-7的4.4.3節中，對于墊層塊石和堤心石之間，采用修正的Terzaghi倒濾準則來確定級配要求，但該公式是基于單向流的經驗公式，沒有考慮波浪作用。

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

2） 美國海岸工程師手冊中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來評估受波浪作用下，護面塊石和墊層塊石之間倒濾穩定性。

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和中值粒徑比值綜合確定，但該方法是基于流的經驗方法，沒有考慮波浪作用。

4.1.2 倒濾計算

綜合本工程防波堤不同部位功能，對于倒濾計算擬定如下計算原則：

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

2）護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，港口城防波堤頂標高為+4.0 m，絕大部分波浪能量越過堤體而消散內側水域，作用在壓腳處堤心石能量大大減弱，此處采用Thompson&Shuttler法計算倒濾則過于保守。物理模型試驗結果亦顯示，即使在200 a一遇設計波浪和200 a+20%波浪條件下，沒有在壓腳處發現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有限的。基于此，此處倒濾采用Terzaghi計算方法更合適。

結合防波堤結構不同部位波浪作用的不同，3種堤心石級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，最小厚度根據對護面塊石的穩定性確定；

②B類堤心石：作為護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（見圖1），C類堤心石頂標高不得高于-4.0 m，約在1倍波高影響外。

根據倒濾準則計算得到的 M15b、M50b、M85b，根據Rosin-Rammler理論推導的級配要求，依據現場檢測堤心石曲線，綜合給出具體級配如表2所示。

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

表2中3類堤心石的級配要求確定充分咨詢了國內外專家意見，考慮到理論經驗計算的局限性，優化方案對EPC合同要求進行放寬，且突破以往項目經驗，因此在物模中驗證其倒濾掏刷情況，物模試驗[5]結果表明，在10 a一遇、50 a一遇和200 a一遇波浪連續作用后，前、后坡壓腳塊石表面較初始擺放形態變化不明顯，斷面各個結構部位均處于穩定狀態。前坡2～5 t壓腳塊石下方堤心石（B類堤心石）未被淘刷，試驗后沒有發現堤心石輪廓線發生變形。前坡護底塊石（B類堤心石）保持穩定且水平段的厚度無明顯減少，僅最外側1∶2斜坡處稍有變緩，詳見圖2。

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

4.2 堤心石滲透性分析

堤體滲透性對扭王塊體穩定性具有影響是行業內共識，但尚沒有成熟的計算公式，其穩定計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，且滲透性相關參數并未在公式中體現。根據Verdegaal[2012]對Xbloc塊體研究，當堤體滲透性較差時，塊體重量會達到計算重量的1.5～2倍；Van der Meer[2]對塊石穩定重量計算公式同樣表明，若反映堤心滲透性的滲透性系數P由0.4減少到0.1，塊石所需重量會增加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，若沒有合適處理措施，現有17 t扭王塊也許不能滿足穩定要求。

Franken[6]對防波堤的滲透性因素進行了更細致研究，研究不同滲透性能堤心石對護面塊體穩定影響，發現當透水性較好部分堤心石厚度為1.5倍護面層厚度時，結構名義滲透性系數P可以達到0.4的正常值。

本項目1.5倍護面層厚度約為3.75 m，考慮到主要波浪作用破壞區主要在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，必須采用質量最好的堤心石A料。

上述關于滲透性研究結論是基于非常少的物模試驗給出初步的指導原則，堤心石優化方案考慮到現場需求，采用了2D物模試驗對結構穩定性進行研究。物模試驗中C類堤心石和A類的界面保守采用不透水界面進行模擬，物模試驗[7]結果表明，17 t扭王塊、壓腳塊石和護底依然保持良好的穩定狀態。

4.3 施工分析和評估

本項目防波堤施工采用水陸結合施工特點，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類堤心石采用開底駁形成，外包的A類堤心石采用陸推或小開底駁形成。由于堤心C料中小塊石含量普遍較高，施工需要加強控制和監測，特別需要注意：

1） C類堤心石小塊石級配要求最為寬松（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，非季風期施工期做好施工控制以及保證措施，防止堤心石拋填過程或受波浪作用，避免占據其它結構層位置。

2）A類堤心石雖然級配要求最嚴，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，防止塊石滾落到墊層塊石或扭王塊安裝處。

5 結語

通過以上分析，相關設計要點總結如下：

1）本項目石場石料級配無法滿足EPC堤心石合同要求，結合倒濾計算和滲透性分析，根據防波堤不同部位的功能要求，確定了3種堤心石不同級配要求和使用范圍，物模試驗結果表明優化方案的各個結構部位均處于穩定狀態。

2）堤心石小塊石含量偏高，施工期應加強施工控制以及保證措施，防止堤心石拋填過程或受波浪作用，避免占據其他結構層位置。