高小块石含量堤心石在深水防波堤的综合利用

肖仕宝，邓涛，刘洋

1 概述

堤心石作为深水防波堤结构的主体结构，主要功能为减少波浪透浪并为护面结构提供支撑，其用量占比大，是防波堤费用和进度控制的核心因素。堤心石不同于垫层块石和护面块石，堤心石级配较宽，规范中对块石上下限重量以及含量进行了限制，对中值重量M50没有要求。

规范体系中对堤心石级配的选取尚无系统性指导原则和理论，实际工程中一般根据已有经验确定。堤心石采用开山石自然级配最有利于项目推进，但其级配与设计要求可能存在一定的差距，增加工程实施的风险。本文以海外某深水防波堤工程为例，其当地堤心石小块石普遍含量较高，很难满足EPC合同的级配要求。在搜集规范和文献资料并咨询国内外专家意见后，结合防波堤不同部位的功能要求和施工安排拟定了堤心石优化方案，经物模试验的验证，工程实施中取得了较好效益。本文总结了堤心石级配要求的设计原则，可为类似项目提供参考。

2 堤心石研究现状

JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》[1]中规定斜坡堤的堤心石可采用10～100 kg块石。对工程量较大，石料缺乏的地区，也可采用开山石、石碴或袋装砂土等代用材料。

BS 6349-7《海工建筑物-防波堤设计与施工指南》[2]指出理想的堤心石应力求其在较宽的范围内均匀分布，防止小块石被掏出。堤心石的规格要求应根据本地石场情况、防波堤断面设计功能要求以及施工措施来确定。

The rock manual[3]指出堤心石对中值粒径没有要求，一般限制最大块石重量并控制最小块石重量。堤心石小块石含量会影响堤心石的抗剪强度、孔隙率以及渗透性，合理的堤心石规格要求需要对结构功能进行全面分析。

文献[4]中对施工现场采用的10～100 kg和1～800 kg重量范围内的堤心石进行随机抽样和重量级配分析，将得到堤心石级配曲线通过物模试验量测了堤前反射系数，堤心内压强的大小和分布，堤头的透射波高。

国外也进行很多类似物模和数模研究，但总的来讲，防波堤堤心石设计以定性为主，缺少系统性的指南。

3 某深水防波堤堤心石问题

港口城防波堤设计断面如图1所示，EPC合同中要求堤心石为1～500 kg块石，泥沙含量不超过5%，10 kg以下块石不允许超过总质量的10%，不允许出现超过1 t的大块石，如表1所示。

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

该工程堤心石用量高达130万m3，来自于附近大大小小20多个石场，当地政府爆破管理部门在开采证中对钻孔孔距、孔深、孔径和装药量严格控制，石场产出的堤心石普遍偏小，堤心石堆高碾压后更加剧小块石含量的增加。堤心石小石料（＜10 kg）含量高达30%，其级配很难满足EPC合同要求，堤心石质量问题较突出。

经与施工单位多次讨论后，为避免大量堤心石筛选工作，结合现场实际情况确定采用3类不同堤心石级配的方案，1）对部分受控石场进行严格控制，供应质量最好A料；2）对不受控制石场在施工现场进行检测，合格为次一级的B料，不合格归为C料；3）现场堆存的堤心石质量较差，统一归为C料。

4 堤心石级配调整优化方案

当采用开山石作为堤心石时，合理确定堤心石级配要求受多种因素影响[3]。1）倒滤稳定，堤心石细颗粒可能被掏走从而导致结构发生沉降；2）堤心石渗透性，影响到防波堤护面块石稳定性和堤体透浪性能；3）堤心石施工过程控制的影响；4）对堤心石抗剪强度影响。其中4）不是本工程的控制因素，不予具体阐述。

4.1 堤心石相关倒滤稳定性

4.1.1 倒滤设计理论

倒滤设计需要满足2条标准：1）小颗粒不会被各种作用力掏走；2）倒滤结构的渗透性不能明显降低。其研究手段包括有经验公式法、物模方法以及数值模拟方法，其中数值计算方法还处于理论研究阶段。以下规范和手册中给出堤心石和垫层块石之间的倒滤指导原则。

1） BS 6349-7的4.4.3节中，对于垫层块石和堤心石之间，采用修正的Terzaghi倒滤准则来确定级配要求，但该公式是基于单向流的经验公式，没有考虑波浪作用。

式中：D为块石粒径；下标“u”表示垫层块石；下标“c”表示堤心石；下标“15”和“85”表示通过该尺寸的质量百分比。

2） 美国海岸工程师手册中EM 1110-2-1100第6部分，采用图表法给出一般堤心石取值，堤心石中值粒径是护面块1/20～1/30，上限值可放宽到170%，下限值可放宽到30%。

3） Thompson&Shuttler方法。The rock manual（2016.02）勘误表中，采用Thompson&Shuttler来评估受波浪作用下，护面块石和垫层块石之间倒滤稳定性。

4）Cistin/Ziems方法。Therock manual（2016.02）勘误表中，Cistin/Ziems查图法采用不均匀系数和中值粒径比值综合确定，但该方法是基于流的经验方法，没有考虑波浪作用。

4.1.2 倒滤计算

综合本工程防波堤不同部位功能，对于倒滤计算拟定如下计算原则：

1）堤心部位。位于1倍波高作用范围以内，波浪经扭王块和垫层块石进入堤心石的波浪作用会大大折减，合理堤心石级配确定应该介于在BS 6349-7中Terzaghi倒滤准则和Thompson&Shuttler approach之间。考虑该部位是波浪主要受力作用区，垫层块石和堤心石，以及堤心石和堤心石保守采用严格的Thompson&Shuttler公式计算。

2）护底以及压脚块石以下部分。堤心石最高在-12.7 m，位于2倍波高以下，港口城防波堤顶标高为+4.0 m，绝大部分波浪能量越过堤体而消散内侧水域，作用在压脚处堤心石能量大大减弱，此处采用Thompson&Shuttler法计算倒滤则过于保守。物理模型试验结果亦显示，即使在200 a一遇设计波浪和200 a+20%波浪条件下，没有在压脚处发现波浪破碎或明显波浪向下冲击作用，这表明压脚处波浪作用也是相对有限的。基于此，此处倒滤采用Terzaghi计算方法更合适。

结合防波堤结构不同部位波浪作用的不同，3种堤心石级配要求的断面使用方案如下：

①A类堤心石：位于800～2 000 kg垫层块石和堤心之间，最小厚度根据对护面块石的稳定性确定；

②B类堤心石：作为护底以及压脚块石下方堤心石；

③C类堤心石：位于A类堤心石下方作为防波堤堤心（见图1），C类堤心石顶标高不得高于-4.0 m，约在1倍波高影响外。

根据倒滤准则计算得到的 M15b、M50b、M85b，根据Rosin-Rammler理论推导的级配要求，依据现场检测堤心石曲线，综合给出具体级配如表2所示。

表2 A/B/C类堤心石的级配要求Table 2 Grading requirements of type A/B/C quarry run

表2中3类堤心石的级配要求确定充分咨询了国内外专家意见，考虑到理论经验计算的局限性，优化方案对EPC合同要求进行放宽，且突破以往项目经验，因此在物模中验证其倒滤掏刷情况，物模试验[5]结果表明，在10 a一遇、50 a一遇和200 a一遇波浪连续作用后，前、后坡压脚块石表面较初始摆放形态变化不明显，断面各个结构部位均处于稳定状态。前坡2～5 t压脚块石下方堤心石（B类堤心石）未被淘刷，试验后没有发现堤心石轮廓线发生变形。前坡护底块石（B类堤心石）保持稳定且水平段的厚度无明显减少，仅最外侧1∶2斜坡处稍有变缓，详见图2。

图2 前坡护底块石（B类堤心石）受冲刷状态Fig.2 The model test scour status of front toe(type B quarry run)

4.2 堤心石渗透性分析

堤体渗透性对扭王块体稳定性具有影响是行业内共识，但尚没有成熟的计算公式，其稳定计算均采用哈德逊公式，该公式中假定垫层和堤心具有良好的渗透性，且渗透性相关参数并未在公式中体现。根据Verdegaal[2012]对Xbloc块体研究，当堤体渗透性较差时，块体重量会达到计算重量的1.5～2倍；Van der Meer[2]对块石稳定重量计算公式同样表明，若反映堤心渗透性的渗透性系数P由0.4减少到0.1，块石所需重量会增加2倍。

这表明堤心石小块石含量大幅度增加后，堤体渗透性变差，若没有合适处理措施，现有17 t扭王块也许不能满足稳定要求。

Franken[6]对防波堤的渗透性因素进行了更细致研究，研究不同渗透性能堤心石对护面块体稳定影响，发现当透水性较好部分堤心石厚度为1.5倍护面层厚度时，结构名义渗透性系数P可以达到0.4的正常值。

本项目1.5倍护面层厚度约为3.75 m，考虑到主要波浪作用破坏区主要在1倍波高作用。初步确定-4.0 m以上，以及垫层块石以下最小2 m厚度内，必须采用质量最好的堤心石A料。

上述关于渗透性研究结论是基于非常少的物模试验给出初步的指导原则，堤心石优化方案考虑到现场需求，采用了2D物模试验对结构稳定性进行研究。物模试验中C类堤心石和A类的界面保守采用不透水界面进行模拟，物模试验[7]结果表明，17 t扭王块、压脚块石和护底依然保持良好的稳定状态。

4.3 施工分析和评估

本项目防波堤施工采用水陆结合施工特点，前部分1 km采用陆推施工，后2.45 km采用水上施工。-4.0 m以下C类堤心石和B类堤心石采用开底驳形成，外包的A类堤心石采用陆推或小开底驳形成。由于堤心C料中小块石含量普遍较高，施工需要加强控制和监测，特别需要注意：

1） C类堤心石小块石级配要求最为宽松（小块石含量最高），全部位于-4.0 m以下波浪作用力较弱位置，非季风期施工期做好施工控制以及保证措施，防止堤心石抛填过程或受波浪作用，避免占据其它结构层位置。

2）A类堤心石虽然级配要求最严，但其位于水位线附近受波浪作用最大位置，施工期须做好防护，防止块石滚落到垫层块石或扭王块安装处。

5 结语

通过以上分析，相关设计要点总结如下：

1）本项目石场石料级配无法满足EPC堤心石合同要求，结合倒滤计算和渗透性分析，根据防波堤不同部位的功能要求，确定了3种堤心石不同级配要求和使用范围，物模试验结果表明优化方案的各个结构部位均处于稳定状态。

2）堤心石小块石含量偏高，施工期应加强施工控制以及保证措施，防止堤心石抛填过程或受波浪作用，避免占据其他结构层位置。