基于浦東機場3#圍堤施工實踐探討混凝土替代塊石的可行性

張志華

摘 要：文章詳細介紹浦東機場3#圍區(qū)外側(cè)護坡墊層中“混凝土替代部分塊石”方案創(chuàng)新與實踐過程，分析創(chuàng)新方案的實踐效果，基于此實踐，探討水利水運工程中混凝土替代塊石（簡稱“替代方案”）的可行性。

關(guān)鍵詞：護坡;灌砌塊石;波浪爬高;材料重度

中圖分類號：U655? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0070-05

上世紀五十年代以后，在“就地取材”方針指引下，灌砌塊石施工工藝應(yīng)運而生;在水利水運工程建設(shè)中采用灌砌石工藝使用大量地方材料（特別是石材），為節(jié)省大量建設(shè)投資，為我國水利水運工程高速發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

但是，長期開采石料造成水土流失，周邊農(nóng)地?zé)o法耕種，破壞了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，嚴重影響人民生活。這種情況在2010年左右已引起國家有關(guān)部門的高度重視，國家出臺了“礦山石料開采許可證”政策。

隨著國家對石料開采實行嚴格控制和管理，導(dǎo)致水利水運工程建設(shè)所需塊石供應(yīng)量難以保障;其次，由于新鮮花崗巖等堅硬巖石的開采難度大、加工費時費工，而石灰?guī)r、風(fēng)化巖等巖性偏弱巖石相對易于開采、費用降低，導(dǎo)致水利水運工程石料供應(yīng)質(zhì)量下降;再次，由于砌石砌筑需要有熟練技術(shù)工人，且需承擔(dān)繁重體力勞動，目前，能夠勝任此工作的中青年勞力數(shù)量急劇下降，呈現(xiàn)后續(xù)無人趨勢;另外，砌石砌筑工藝無法高度機械化，人工耗用較多，由于人工費快速增長，使得砌石砌筑單方造價接近或甚至高于混凝土價格。

而混凝土具有對石材質(zhì)量（可利用石材下角料）要求低、可塑性好、作業(yè)適合機械化、施工速度快等特點。自上世紀末，水利水運工程建設(shè)中利用“混凝土代替部分塊石或全部塊石”愿望十分強烈。“浦東機場3#圍區(qū)工程外側(cè)灌砌石護坡墊層利用混凝土替代部分塊石”創(chuàng)新方案就是在此情況產(chǎn)生并付諸實踐的。

1浦東機場3#圍區(qū)工程概況

1.1工程位置、范圍及主要內(nèi)容

浦東機場3#圍區(qū)工程是為浦東機場第五跑道建設(shè)而立項新建的，是2011年上海市重點工程。工程位于浦東新區(qū)中部海塘岸段及上下游灘涂水域，北起浦東機場江鎮(zhèn)河泵閘，南至浦東機場薛家泓泵閘。工程主要內(nèi)容新建圍堤13.736km，并將圍區(qū)內(nèi)2萬畝灘面吹填至 3.50m 高程。工程平面布置詳見圖1。

1.2外側(cè)護坡護面結(jié)構(gòu)設(shè)計

3#圍區(qū)堤身外側(cè)為復(fù)式坡面，上下級坡度一致，中部設(shè)置消浪平臺。外坡護面結(jié)構(gòu)包括60cm厚拋石護灘;C20埋石混凝土護腳;C20灌砌塊石護坡墊層及墊層外2t消浪異形塊體，C20埋石混凝土消浪平臺，外側(cè)護面結(jié)構(gòu)形式詳見圖2。

1.3外側(cè)護坡結(jié)構(gòu)主要工程量

鋪設(shè)無紡布約 15.0 萬m2，袋裝碎石約 3.0 萬m3;灌砌塊石約4.5萬m3（灌砌石設(shè)計孔隙率40%，混凝土理論用量約1.8萬m3），塊體89000塊。

1.4外側(cè)護坡結(jié)構(gòu)計劃施工時間

截止2011年2月底，3#圍區(qū)堤身土方施工到位;計劃施工準備10天，3月10日開始外側(cè)護坡（度汛）結(jié)構(gòu)施工，2011年6月30日主汛期來臨之前結(jié)束。

2“混凝土替代塊石”方案實踐

2.1設(shè)計及《標準》對塊石質(zhì)量要求

（1）設(shè)計要求：塊石應(yīng)新鮮、質(zhì)地堅硬、無風(fēng)化、無裂隙，單體重量不小于30kg。

（2）《標準》要求：上海市工程建設(shè)規(guī)范《水利工程施工質(zhì)量檢驗與評定標準》（DG-TJ08-2008）規(guī)定，塊石質(zhì)量應(yīng)符合設(shè)計要求，最小尺寸不小于20cm。

2.2塊石供應(yīng)現(xiàn)狀

上海地區(qū)用塊石主要來源地是浙江省舟山地區(qū)，由于受生態(tài)環(huán)境保護、石料開采許可證等政策影響，2011年礦山關(guān)停過半，上海地區(qū)塊石供應(yīng)量遠遠滿足不了工程建設(shè)需要;進場塊石質(zhì)量參差不齊，大的重達數(shù)噸需要人工解石方可使用，而小的重量不足10kg作為廢渣拋棄，塊石質(zhì)量不滿足設(shè)計及《標準》要求。

3月10日至4月底結(jié)構(gòu)施工40天，時間超過計劃工期1/3，但施工任務(wù)完成不足1/5，實際進度遠滯后于計劃進度。

2.3混凝土替代部分塊石想法的提出與確定

由于外坡結(jié)構(gòu)前期施工進度嚴重滯后計劃，再不改變現(xiàn)狀，6月30日外去上結(jié)構(gòu)將無法完成，7月份臺風(fēng)來臨，土質(zhì)大堤存在被風(fēng)浪沖毀的風(fēng)險。

參建單位為解決困境，提出修改外坡墊層設(shè)計方案想法，初擬三種修改方案：一是將護坡墊層灌砌石修改成混凝土;二是將護坡墊層灌砌塊石修改成埋石混凝土;三是修改《標準》中“灌砌石施工質(zhì)量檢驗與評定標準”，放寬塊石最小尺寸、單體重量、砌石縫寬規(guī)定，提高進場塊石利用率、提高混凝土使用量，進而加快施工進度。前兩種方案因結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化及斜坡上澆筑商品混凝土難以成型等原因被否決。

2011年5月5日，圍繞外側(cè)護坡護面墊層（灌砌塊石）設(shè)計技術(shù)要求調(diào)整，項目建設(shè)單位組織參建單位，邀請項目主管部門參加召開專題會。設(shè)計單位首先介紹了灌砌塊石有關(guān)設(shè)計要求需調(diào)整的原因和調(diào)整后方案，以及調(diào)整后功能、質(zhì)量、施工等方面理論分析，同時，對照現(xiàn)行《標準》進行符合性分析;與會人員充分討論后形成共識：結(jié)合施工實際，放寬塊石尺寸及重量要求，增大塊石縫寬，最大縫寬控制在30cm以內(nèi)（三角縫不作限制），這就是浦東機場3#圍區(qū)的“混凝土代替護坡墊層部分塊石”替代方案。

2.4替代方案實施

2.4.1實施過程

5月5日替代方案確定后，總包方方案質(zhì)量標準大量采購塊石，由于降低“塊石質(zhì)量”，塊石供應(yīng)量很快得到保障;施工班組及時調(diào)整施工力量，增加工作面，由于砌石縫寬增大，灌砌塊石工效明顯提高，施工速度較前期加快近30%。經(jīng)過項目全體人員的共同努力，6月29日外坡（度汛）結(jié)構(gòu)施工結(jié)束。

2.4.2實施要點

（1）由于外坡存在坡度，塊石擺砌大面朝下以保證塊石穩(wěn)定、減少懸空石或刀口石數(shù)量，方便混凝土灌注與振搗，進而保證混凝土密實。

（2）混凝土灌注澆筑堅持“由下而上”原則，下部混凝土振搗密實后再澆筑上部混凝土，嚴禁相反施工;每倉混凝土灌注澆筑在同潮水完成，避免灌砌石混凝土內(nèi)部產(chǎn)生施工縫，影響護坡墊層整體性。

（3）由于砌石縫寬增大，混凝土澆筑過程中易下溜（流），可臨時采用片石支撐于兩塊石之間，一是阻止混凝土下溜，二是保證混凝土澆筑過程中塊石的穩(wěn)定;另外，減小混凝土塌落度降低其流動性，進而減少混凝土下溜機率。

（4）混凝土振搗結(jié)束，應(yīng)及時整理塊石高低及縫寬，保證墊層面平整及縫寬均勻，原漿勾縫并清潔表面。

2.5替代方案實施效果分析

（1）進度分析。2011年6月29日外坡（度汛）結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，較原計劃提前一天;7月1日，工程經(jīng)歷了2011年第一場臺風(fēng)的洗禮，大堤平安度過。

（2）質(zhì)量分析。外坡（度汛）結(jié)構(gòu)驗收前，質(zhì)量監(jiān)督單位委托第三方對外坡墊層施工質(zhì)量取芯檢測，結(jié)果顯示，墊層厚度、混凝土密實度與強度均滿足設(shè)計及《標準》要求。

（3）經(jīng)濟分析。據(jù)項目部統(tǒng)計，外坡墊層混凝土實際用量約2.34萬m3，較理論量增加5400m3（塊石用量減少5400m3），混凝土增加30%;反向推算，墊層砌石孔隙率52%，較設(shè)計孔隙率增大12%;增加縫寬導(dǎo)致混凝土增加約0.12m3/灌砌石m3，墊層混凝土表面積增加（塊石面積減少）約為總面積13.3%。按時價結(jié)合工效（塊石135元/m3、混凝土300元/m3、人工150元/m3，人工節(jié)省30%）比較替代前后方案的施工成本，替代方案較前方案節(jié)省約26.2元/m3。

（4）缺點分析。由于塊石單體重量減小砌石縫寬增大，塊石表面積減少，墊層“天然屬性”及觀感質(zhì)量有所降低;但是，異形塊體安裝后，上述缺點將隨之消失。

3混凝土替代塊石的可行性分析

3.1混凝土替代塊石趨勢分析

中國高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護等政策的執(zhí)行愈來愈嚴格，天然材料（石材、木材）開采量與利用率必將大幅度下降;由于混凝土具備優(yōu)良施工特性和混凝土研發(fā)的新技術(shù)新材料迅猛發(fā)展，混凝土（包含材質(zhì)改變的新型混凝土）應(yīng)用量將逐漸增大，應(yīng)用范圍將更加廣泛;水利水運工程結(jié)構(gòu)某些部位利用混凝土替代塊石終將是趨勢。

3.2混凝土替代塊石優(yōu)劣勢分析

混凝土屬于人造“石”，與塊石相比，有此劣勢但優(yōu)勢也明顯。

（1）替代劣勢。自然屬性存在劣勢。一是單位面積重量小于堅硬塊石;二是混凝土強度遠不及塊石;三是混凝土耐磨性與耐久性不及塊石。混凝土與天然石材相比的天然屬性差可以通過新技術(shù)新材料來解決。

（2）替代優(yōu)勢。施工屬性具備優(yōu)勢。一是能較好地利用料場“下角料”，減少石料資源浪費，促進生態(tài)環(huán)境保護;二是選用合適新材料能制成改性“混凝土”為工程所用（如鐵渣替代粗骨料），三是可以將水利水運工程拆除混凝土破碎再利用節(jié)約資源;四是混凝土可塑性好，能制造各類形狀，滿足個性化需要;五是混凝土作業(yè)機械化程度高，施工成本相對較低。

3.3混凝土替代塊石對結(jié)構(gòu)功能、性能影響分析

“混凝土替代部分或全部塊石”能否在水利水運工程結(jié)構(gòu)實施，其性能對結(jié)構(gòu)設(shè)計功能、性能有無影響必須驗證。

下面就浦東3#圍區(qū)工程“混凝土替代部分塊石”主要指標“波浪爬高、設(shè)計厚度、強度及使用壽命”進行驗證。

3.3.1波浪爬高影響分析

塊體安裝前，風(fēng)浪對外坡襲擊影響最大，因此，替代方案的抗風(fēng)浪影響即波浪爬高驗證最為重要。

浦東3#圍區(qū)一二級坡與平臺構(gòu)成復(fù)式結(jié)構(gòu)，兩級坡坡度一致均為1：3。

（1）帶平臺復(fù)合斜坡堤波浪爬高，可先確定該斷面折算坡度系數(shù)me，再按坡度系數(shù)為 me 單坡斷面確定其爬高。折算坡度系數(shù)me 可按下列公式計算：

當 ?m=（m下-m上）=0，即上下坡度一致時;

me =m上（1-0.4*ΙdwΙ/L）Kb

Kb=1+3B/L

式中：m下、m上—分別為平臺以下，以上的斜坡坡度;

dw—平臺上的水深（m），平臺在靜水水位以上取正值，以下取負值;

B—平臺寬度（m）;

L—波長（m）。

注：上述折算坡度法適用于m上=1.0～4.0，m下=1.5～3.0，ΙdwΙ/L=-0.025～+0.025， 0.05<dw/L≥0.25。

（2）斜坡式堤正向規(guī)則波作用下波浪爬高計算，符合以下條件規(guī)定確定：

①波浪正向作用;

②斜坡坡比 1：m，m 為1～5，復(fù)式坡采用me;

③建筑物前水深d=（1.5～5.0）H;

④建筑物前底坡i≤1/50。

R=K? R1H

R1=1.24tan（0.432M）+[（R1）m -1.029]R（M）

M=1/m（L/H ）1/2（th2πd/L ）-1/2

（R1）m=2.49th2πd/L[（1+4πd/L）/sinh（4πd/L）]

R（M）=1.09M3.32exp（-1.25M）

式中 R — 波浪爬高（m），從靜水位起算，向上為正;

R1—K? =1，H=1m 時的波浪爬高（m）;

（R1）m —相應(yīng)于某一d/L 時的爬高最大值（m）;

H —波高（m）;

M —與斜坡坡比 m 值有關(guān)的函數(shù);

R（M）— 爬高函數(shù);

K?—與斜坡護面結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的糙滲系數(shù)，可下表確定。

由（1）、（2）式來看，替代方案僅改變原方案墊層斜坡的糙滲系數(shù)K?，K?影響波浪爬高，替代方案造成波浪爬高增高率：

N=（0.9-0.775）/0.775*100%*13.3%（改變面積）=2.1%

項目堤身高度約6.5m，波浪爬高增加h計算如下：

h=6.5*2.1%=0.014m

波浪襲擊最危險時正值堤身土方施工結(jié)束期，其時，堤身拋高預(yù)留量較大。因此，混凝土替代部分塊石后，波浪爬高增加對工程影響甚小。

3.3.2設(shè)計厚度影響分析

在波浪作用下，斜坡堤灌砌塊石護面厚度t（m），當斜坡坡度m=1.5～5.0時，按下式計算。

t=K1rH（L/H）1/2/（rb-r）*m1/2

式中? K1—系數(shù)，砌石可取0.225;

rb—灌砌石的重度，KN/m3;

r—水的重度，KN/m3;

H—計算波高（m）;d/L≥0.125時取H4%;d/L≦0.125時取H13%;

（H4%、H13%—由《灘涂促淤圈圍造地工程設(shè)計規(guī)范》查得）

L—計算波長（m）;

m—斜坡坡比;m=cosɑ;

ɑ—斜坡坡角（0）。

從上式來看，替代方案對護坡設(shè)計厚度影響因素是護坡結(jié)構(gòu)材料（即灌砌石）的重度;素混凝土重度23KN/m3，塊石重度25～27KN/m3。原設(shè)計灌砌石孔隙率40%，替代方案灌砌石孔隙率為52%。

原設(shè)計方案灌砌石重度計算：

rb原=0.60*26+0.40*23=24.8KN/m3

替代方案灌砌石重度計算：

rb新=0.52*26+0.48*23=24.56KN/m3

其他因素未發(fā)生變化，替代方案灌砌石設(shè)計厚度與原灌砌石設(shè)計厚度比：

n=（rb新-r）/（rb原-r）=（24.56-9.8）/（24.8-9.8）=98.4%

t新=h原/n=305（mm）

替代方案灌砌石護坡厚度增加5mm，增加值遠小于《標準》允許偏差值厚度±30mm及平整度30mm偏差，因此，影響較小可忽略不計。

3.3.3結(jié)構(gòu)強度影響分析

護坡墊層灌砌石結(jié)構(gòu)整體強度取決于結(jié)構(gòu)中混凝土強度，而替代方案未改變混凝土強度，僅僅是結(jié)構(gòu)中兩類材料用量發(fā)生改變而已;因此，替代方案對護坡墊層結(jié)構(gòu)整體強度幾無影響。

反之，項目采取砌石大面潮下，增大縫寬等措施，對混凝土振搗更有利，混凝土內(nèi)部更密實。綜上所述，替代方案提高灌砌石施工質(zhì)量，整體強度會更好。

3.3.4結(jié)構(gòu)使用壽命影響分析

混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命與混凝土強度、密實度關(guān)系密切，由3.3.3分析可知，結(jié)構(gòu)使用替代方案對壽命未造成影響。

其次，為經(jīng)濟合理，我國水利水運工程永久性建筑物合理使用年限多在50年以內(nèi)，只要混凝土施工質(zhì)量能嚴格控制，運營期間能規(guī)范維修與保養(yǎng)管理，混凝土使用壽命遠超合理使用年限。

因此，替代方案對工程結(jié)構(gòu)使用壽命即耐久性也無影響。

3.3.5結(jié)構(gòu)運行維護影響分析

混凝土的耐磨性差于塊石，墊層混凝土表面積增大，將來維養(yǎng)中修理工程量稍微增大，但砌石縫寬增大，將來維養(yǎng)更加方便。

3.4替代方案分析結(jié)論

通過上述驗證分析，可以得出替代方案對工程使用功能及其運營安全無影響。“浦東機場3#圍區(qū)外側(cè)護坡墊層中混凝土替代部分塊石技術(shù)”是可行的。

3.5混凝土替代塊石方案的引用與發(fā)展

3.5.1替代方案的引用

自浦東機場3#圍區(qū)大堤外側(cè)護坡墊層運用替代方案之后，混凝土替代塊石已作為創(chuàng)新技術(shù)在后來開工的橫沙八期工程等類似工程中推薦性（目前仍無標準）引用，均取得良好效果。

3.5.2替代方案的發(fā)展

在引用替代方案同時，相關(guān)建設(shè)人員將其延伸發(fā)展至海堤護腳、平臺等部位的灌砌石結(jié)構(gòu)、埋石混凝土結(jié)構(gòu)之中，均達到預(yù)期效果。

最近幾年，隨著石材價格及人工費單價的快速升高，替代方案的經(jīng)濟優(yōu)勢更加明顯。

4建議

浦東機場3#圍區(qū)工程“混凝土替代塊石”的實踐說明，替代方案能節(jié)省自然資源，減少對自然環(huán)境破壞。為了能把青山石山變成金山銀山，更好造福子孫后代，在替代方案運用同時，應(yīng)深入研究“混凝土替代塊石”發(fā)展技術(shù)，為此，提出如下建議：

（1）水利水運行業(yè)非重大工程有關(guān)部位（如河道護坡、護底等）均可推廣。

（2）水利水運工程建設(shè)中，根據(jù)混凝土替代部位重要性嘗試擴大替代范圍。

（3）非關(guān)鍵部位嘗試使用再生骨料生產(chǎn)替代混凝土，提高水利水運工程建設(shè)中廢棄物資源化利用率，取得更好的經(jīng)濟效益與社會效益。

（4）水利水運行業(yè)應(yīng)加強高分子膠凝材料、新型骨料（比如鐵渣）的研究與使用，以更新更環(huán)保的合成材料來替代水利水運中的天然材料。

5結(jié)論

浦東機場3#圍區(qū)大堤外坡工程自2011年6月建成運行至今十余年，經(jīng)歷2012年“海葵”、2014年“鳳凰”、2019年“利奇馬”及2021年“煙花”等超強臺風(fēng)的襲擊，但是，工程至今未發(fā)生任何變形與損壞，結(jié)構(gòu)依然完好，為浦東機場第五跑道建設(shè)運營提供了安全屏障。由此可見，水利水運工程某些部位“混凝土替代塊石”是可行的，應(yīng)該繼續(xù)深入研究與推廣。

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