海堤堤芯石級(jí)配優(yōu)化

黃雙飛，周維，彭志豪

（1.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（以下簡(jiǎn)稱香港三跑工程）需建設(shè)13 km 的海堤，采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，初始設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)斷面Fig.1 Original design section

堤芯采用香港規(guī)范中的G400 級(jí)配塊石[1]，Dn50=200 mm，堤芯石用量為215 萬(wàn)m3，用量占比整個(gè)項(xiàng)目石頭用量達(dá)到55%。香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)為國(guó)際大型航空樞紐，進(jìn)出港航班多，施工期間，不能影響航班進(jìn)出港，陸上推填方案[2]不可行，須通過(guò)水上施工解決，針對(duì)G400 的堤芯石提出的主要施工方案為橫雞躉施工，施工時(shí)石料裝在艙內(nèi)，吊桿吊抓斗從艙內(nèi)抓石料，由船縱向側(cè)舷旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行側(cè)拋，施工示意見(jiàn)圖2。因?yàn)槭涎b在艙內(nèi)，橫雞躉與同噸位方駁或開(kāi)體駁[3-4]相比，裝石量大，船穩(wěn)定性好，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，裝、拋石料用抓斗，可抓碎石或大塊石，與網(wǎng)兜相比，具有無(wú)需摘、掛鉤，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在香港地區(qū)使用較多。

圖2 橫雞躉施工示意圖Fig.2 Schematic diagram of construction of Derrick Lighter

本項(xiàng)目經(jīng)施工組織分析后發(fā)現(xiàn)橫雞躉施工堤芯石的方案存在以下難點(diǎn)：

1） 高度超出機(jī)管局航空限高；橫雞躉總高約為45 m，而香港機(jī)場(chǎng)附近對(duì)施工設(shè)備有嚴(yán)格的限高要求，限高值由25～32 m 不等，限高區(qū)域在沒(méi)有通知機(jī)管局的情況下，橫雞躉不能進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)行施工，因此部分海堤段的堤芯石的橫雞躉施工工藝受到嚴(yán)格限制，堤芯石的施工進(jìn)度嚴(yán)重影響項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)度，必須找到一種合理的解決方案；

2） 橫雞躉施工設(shè)備數(shù)量多，海堤計(jì)劃每500 m 施工時(shí)布置6 艘，同時(shí)方塊碼頭需要橫雞躉施工。初步計(jì)劃海堤施工需要40 艘橫雞躉，防污簾施工需要5 艘，后方DCM 砂墊層施工需要25 艘，總計(jì)需約70 艘，需要操作人員一百多人，所以現(xiàn)場(chǎng)管理難，且香港地區(qū)熟練的操作人員少，存在可能由于操作工人少而延誤項(xiàng)目工期的風(fēng)險(xiǎn)；

3） 橫雞躉施工對(duì)環(huán)境影響大，橫雞躉施工時(shí)首先需要將石料從駁船轉(zhuǎn)運(yùn)到橫雞躉，然后再用橫雞躉抓斗施工，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程會(huì)有石料灑落到海堤，對(duì)環(huán)境造成一定影響。

同時(shí)由于G400 級(jí)配塊石粒徑較大，需要從開(kāi)山石中進(jìn)行分類、挑選，因此生產(chǎn)效率低，對(duì)項(xiàng)目工期造成一定影響。

綜上分析，需要找到一種替代的施工工藝及塊石級(jí)配，及解決項(xiàng)目由于橫雞躉施工難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)解決生產(chǎn)效率問(wèn)題。

1 優(yōu)化方案

原方案缺點(diǎn)主要是受到施工設(shè)備限高、設(shè)備數(shù)量等的限制，首先從施工方面提出皮帶機(jī)輸送工藝[5]施工替代部分橫雞躉工藝。航空限高區(qū)域海堤選用皮帶機(jī)從駁船上直接輸送堤芯石，同時(shí)根據(jù)橫雞躉施工計(jì)劃，其他部分海堤也采用皮帶輸送工藝，以解決橫雞躉數(shù)量和工人受限問(wèn)題，由于初始設(shè)計(jì)方案采用G400（Dn50=200 mm）的堤芯石，根據(jù)業(yè)主要求堤芯石G400 超過(guò)200 mm 的石料含量最大可達(dá)到75%，且最大粒徑可達(dá)到400 mm，級(jí)配尺寸見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)前期調(diào)研，皮帶船皮帶機(jī)受艙格出料口大小限制，當(dāng)石料粒徑超過(guò)200 mm 時(shí)，出料口極易卡殼，并由此造成輸送皮帶被石料尖銳部分劃傷，皮帶損耗則會(huì)增大，進(jìn)而造成船機(jī)利用率以及施工效率降低；而當(dāng)超過(guò)石料粒徑300 mm 時(shí)，幾乎無(wú)皮帶船出料口能出料。因此需要提出一種減小堤芯石粒徑的優(yōu)化方案，如果粒徑減小太多對(duì)堤芯石內(nèi)摩擦角影響較大，結(jié)合皮帶機(jī)輸送工藝對(duì)粒徑要求極限，優(yōu)化方案選用CP45/180（Dn50=160 mm）的堤芯石最大粒徑為250 mm，且粒徑大于160 mm 占總質(zhì)量的比小于20%，且基于63～160 mm 粒徑的石料含量可達(dá)到70%，級(jí)配粒徑見(jiàn)表2；優(yōu)化后的堤芯石大體滿足皮帶船施工需求，但仍有一定損壞皮帶風(fēng)險(xiǎn)，在與船機(jī)設(shè)備專業(yè)工程師會(huì)議討論后，最終確定將皮帶船出料口尺寸由300 mm 改為400 mm，并驗(yàn)算皮帶船輸送皮帶的單位截面積輸送量，確保皮帶在安全穩(wěn)定的輸送負(fù)荷內(nèi)運(yùn)行。擬采用的皮帶機(jī)施工時(shí)最高15 m，滿足大部分海堤的限高要求，皮帶船施工示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 皮帶船施工海堤示意圖Fig.3 Schematic diagram of construction seawall by pelican barge

表1 G400 堤芯石粒徑分布Table 1 G400 core rock particle size distribution

表2 CP45/180（Dn50=160 mm）堤芯石粒徑分布Table 2 CP45/180(Dn50=160 mm）core rock particle size distribution

優(yōu)化方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 皮帶機(jī)施工效率高，堤芯石的施工效率由每1000 m3需要5 h 變?yōu)? h，大大地提高了施工效率；

2） 優(yōu)化后的堤芯石可以直接由碎石機(jī)生產(chǎn)，避免了篩選過(guò)程，石料的生產(chǎn)效率提高；

3） 對(duì)環(huán)境影響小，需要設(shè)備少，根據(jù)分析每500 m 長(zhǎng)海堤只需要5 艘皮帶船施工，從而減輕了施工管理難度，使整個(gè)項(xiàng)目對(duì)橫雞躉的數(shù)量需求大幅減小，降低了可能由于操作工人少而延誤項(xiàng)目工期的風(fēng)險(xiǎn)；

4） 施工限高問(wèn)題大部分得到解決，采用皮帶船施工受限高影響區(qū)域相比橫雞躉施工受限區(qū)域大幅減少。

5） 工種變多，不再受施工設(shè)備數(shù)量、設(shè)備操作人員數(shù)量限制，工期更容易保證。

2 穩(wěn)定及倒濾分析

堤芯石級(jí)配優(yōu)化主要影響堤芯與墊層、堤芯與后方回填料的倒濾計(jì)算結(jié)果，原設(shè)計(jì)各塊石級(jí)配如表3。

表3 各海堤墊層塊石級(jí)配參數(shù)Table 3 Grading parameters of underlayer rocks of each seawall

BS 6349-7：1991[6]中規(guī)定太沙基反濾層準(zhǔn)則的修正公式可用于確定防波堤墊層與堤芯石之間的幾何尺寸關(guān)系，即：

式中：Dn為塊石的名義粒徑（等效立方體），下標(biāo)u表示墊層塊石，c 表示堤芯石；15 和85 表示通過(guò)該尺度塊石的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

海堤后方存在回填時(shí)，為防止回填土中的細(xì)顆粒滲入堤芯石，則必須要設(shè)置合適的倒濾結(jié)構(gòu)。

BS 6349-7：1991[6]中關(guān)于該倒濾結(jié)構(gòu)的要求如式（3）～式（5）。其中下標(biāo)的大、小分別表示倒濾驗(yàn)算時(shí)的大塊石層和小塊石層。規(guī)范中對(duì)臨界值開(kāi)放性給出了上下限范圍（如4～5），本工程采用嚴(yán)格的臨界值下限為控制標(biāo)準(zhǔn)。

墊層塊石和堤芯石優(yōu)化前后倒濾驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4，驗(yàn)算結(jié)果表明除SW1 不能滿足規(guī)范要求外，其余都能滿足。由于原設(shè)計(jì)采用G400 堤芯石時(shí)Dn15u/Dn15c＞20，不滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)時(shí)在墊層塊石和堤芯石之間增加了土工布[7]，因此可以不驗(yàn)算，故減小堤芯石級(jí)配后仍能夠滿足倒濾要求。

表4 墊層塊石和堤芯石優(yōu)化前后倒濾驗(yàn)算結(jié)果Table 4 Filter checking results between underlayer rock and core rock before and after optimization

堤芯石（大塊石層）和后方倒濾層（小塊石層）的倒濾驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表5，結(jié)果表明，優(yōu)化前后都能滿足規(guī)范要求。

表5 優(yōu)化前后與后方倒濾層倒濾驗(yàn)算結(jié)果Table 5 Filter checking results between core rock and filter layer before and after optimization

級(jí)配優(yōu)化后堤芯石內(nèi)摩擦角降低，保守估計(jì)堤芯石內(nèi)摩擦角由42°變?yōu)?0°，由于海堤基礎(chǔ)采用DCM 處理，DCM 樁抗剪強(qiáng)度大，所以本文只分析海堤基礎(chǔ)以上堤身的穩(wěn)定影響，各回填料參數(shù)見(jiàn)表6，使用期考慮后方均布荷載6 kPa，計(jì)算高水位4.11 m，計(jì)算低水位0.36 m。

表6 海堤回填料參數(shù)Table 6 Parameters of filling materials of seawall

各施工部海堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表7，可以看出堤芯石級(jí)配優(yōu)化后即使內(nèi)摩擦角有小幅降低，但是對(duì)邊坡穩(wěn)定影響有限，本項(xiàng)目仍能夠滿足設(shè)計(jì)要求大于1.3[8]。

表7 優(yōu)化前后整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果對(duì)比表Table 7 Stability calculation results before and after optimization

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可得出香港三跑工程將原設(shè)計(jì)堤芯石級(jí)配由Dn50=200 mm 優(yōu)化為Dn50=160 mm，主要影響如下：

1） 減小級(jí)配粒徑后，對(duì)限高部分海堤可采用皮帶機(jī)運(yùn)送拋填堤芯；

2） 級(jí)配變更，對(duì)海堤的整體穩(wěn)定影響有限；

3） 倒濾驗(yàn)算滿足要求，其它工程如不能滿足可通過(guò)局部調(diào)整級(jí)配滿足。

香港三跑工程通過(guò)優(yōu)化堤芯石，成功解決了機(jī)場(chǎng)限高、施工設(shè)備受限、工期風(fēng)險(xiǎn)大以及管理難度大的問(wèn)題，因此堤芯石的級(jí)配尺寸對(duì)設(shè)計(jì)和施工均有影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)、施工工藝選擇合理的級(jí)配，合理的選擇級(jí)配可能帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益，本項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)具有重要的借鑒意義。