干砌石护面结构破坏机理分析及其优化措施

臧振涛，陈振华，倪立建

（1.浙江水院勘测设计研究有限公司，浙江 杭州 310018；2. 浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心，浙江 杭州 310012）

1 问题的提出

在堤坝工程设计时，干砌石类护面结构因其就地取材、成本低廉等优点，已被广泛应用[1]，但由于其整体性不高，当发生不均匀沉降或遇到较大的洪水、风浪冲击时，护面块石往往容易失稳[2]。目前，关于干砌石护面结构计算采用的模式均未考虑块石位移时块石之间的摩擦力、嵌卡力[3]，陈振华等提出一种半灌混凝土的砌石护面结构，通过现场试验研究验证块石1/2左右缝隙灌注1/2结构厚度的混凝土后，可以大幅提高无混凝土的原块石护面结构的抗风浪能力，赵秀珍等[4]试验研究插砌条石护面防波堤的抗风浪能力，验证了通过插砌、竖砌的砌筑方式可以大幅提高相同重量干砌条石护面结构的抗风浪能力，因此，护面块石在受到风浪作用时，摩擦力、嵌卡力的发挥程度将明显影响其抗风浪稳定性。本文在考虑块石间摩擦力、嵌卡力后建立的块石临界跳脱稳定平衡方程基础上，结合实际堤坝工程中干砌石护面结构的破坏情况，综合分析其破坏机理和影响其失稳的主要因素，总结提出干砌石护面结构的优化措施，以供类似工程借鉴。

2 干砌石护面结构破坏机理

2.1 块石受力分析

干砌石护面结构发生失稳现象，一般都是由于单个块石在波浪的作用下，块石内外表面存在压力差，进而发生错位导致。本文考虑块石之间的摩擦力和嵌卡力，并假定块石为规则的长方体，嵌卡力与块石厚度成正比[5]，结合块石受力简图（见图1），从理论上分析块石护面结构在波浪水流作用下的受力情况，并建立块石临界稳定平衡方程。

图1 块石受力简图

式中：W ′为块体浮重，kN；Fμ为块体间的摩擦力，kN；Ft为块体间的嵌卡力，kN；Fn为法向波浪力，kN；γ′ 为块体浮容重，kN/m3；S为块体上表面积，m2；t为块体厚度，m；ft为单位块石厚度上的嵌卡力，kN/m；fn为单位面积上的波浪力，kN/m2；α 为护面与水平面之间的夹角，°；μ为块石间的摩擦系数。

由式（1）可知，影响块石护面结构稳定的因素包括波浪力、块石重量、护面坡度、块石表面粗糙度以及块石间的嵌卡力。分以下几种类型，理论分析块石护面结构破坏形式：①跳脱：当块石受到的波浪力Fn大于临界值时，块石临界稳定平衡方程被打破，使得块石法向向上的力大于法向向下的合力，进而导致块石出现跳脱现象。②侧翻：当相邻块石发生跳脱，或块石受到的波浪力Fn不均匀，或因块石之间的紧靠程度不一致，导致摩擦力及嵌卡力分布不均匀，使得块石在扭矩的作用下出现侧翻现象。③平移：当相邻块石发生跳脱或侧翻后，块石受切向力波浪力及重力影响，导致块石切向受力不平衡，进而出现平移现象。④坍落：块石的重量、块石间的摩擦力与嵌卡力可以抵抗风浪，但由于堤身不均匀沉降超过护面自身变形的能力、护面下或垫层下土石料流失导致部分护面下部挂空，导致挂空区域的块石在原位出现坍落现象。

2.2 护面结构实际破坏情况

温州瓯飞围垦工程位于浙东南沿海瓯江河口和飞云江河口之间的滩涂区域[3]。依据GB/T 51015 — 2014《海堤工程设计规范》[4]、JTS 154 - 1 — 2011《防波堤设计与施工规范》[5]等相关规范设计要求，该工程设计为斜坡式护面结构。其中依照设计要求，镇压层采用理砌块石护面结构，块石稳定重量经理论计算为单重大于800 kg、厚度大于80 cm，施工时要求“块石至少有2个大致平行面”以便理砌。

2016年，在桩号12 + 700 ～ 12 + 900 m原设计镇压平台上完成尺寸为200 m×35 m（7 000 m2）的干砌石护面结构，块石平均单块重量820 kg、平均厚度70 cm（料源实际满足80 cm的块石很少，根据实际抽样测量，干砌石护面结构所用块石实际平均厚度约70 cm）。

此后经历了对其影响最大的17号台风“鲇鱼”（农历八月二十七、二十八），台风期间最大风速为22.3 m/s，相关波高、潮位变化见图2。由图2可知，台风“鲇鱼”期间，正是天文小潮期，且最大波高达到3.17 m，最高潮位为3.66 m，对镇压平台影响最大。

图2 9月台风“鲇鱼”期间试验区潮位、波高随时间变化曲线图

通过对比台风“鲇鱼”前后试验区镇压层相关护面结构面貌，观察块石护面结构在台风过后的破坏情况（见图3 ～ 4）。从图3 ～ 4对比中可以看出，在台风“鲇鱼”过后，块石发生了跳脱、侧翻、平移以及坍落破坏，局部露出堤心石。

图3 台风前干砌石护面结构面貌图

图4 台风后干砌石护面结构面貌图

3 干砌石护面结构优化

将式（2）～（5）代入式（1），并将坡度系数m代入公式，块石临界稳定平衡方程为：

由式（6）可知，当设计护面坡度m确定后，提高干砌石护面结构稳定性（增大等式左侧值）的主要方法包括：①提高块石之间的摩擦系数μ；②增加块石厚度t（块石重量保持不变）；③在一定范围内，减小块石上表面积（块石重量保持不变）；④在保证干砌石护面透水性的同时，提高块石之间的嵌卡力ft。

对于前3种措施，目前常用的优化方法是通过对块石进行二次加工，形成规则的石料，如条石（见图5）。通过充分利用砌石间的摩擦力，增加砌石厚度，降低砌石上下表面积，达到提高砌石稳定性的目的，该类护面结构在福建省应用的较多[4]。

图5 条石护面结果面貌图

对于提高砌石间的嵌卡力的措施，陈振华等人通过在瓯飞围垦工程开展镇压平台干砌石护面结构现场试验优化研究，提出混凝土半灌干砌石护面结构[6-7]（见图6 ～ 7）。以“柔度吸能、透空消能、嵌卡借能”的技术思想，通过利用10% ～ 20%的混凝土（混凝土占护面结构体积的比例）作为砌石间的“嵌卡体”，保留约1/2的缝隙作为透水孔，在保证砌石护面结构具有较好的透水性、消浪性能的同时，增加砌石间的嵌卡力、提高砌石护面的单体稳定性和整体稳定性。

图6 混凝土半灌干砌石护面结构图

4 混凝土半灌砌石技术要求及应用

4.1 混凝土半灌砌石技术要求

混凝土半灌砌石护面结构试验步骤主要包括：铺设碎石垫层→垫层找平→块石选料→块石理砌→混凝土拌制及运输→混凝土半灌入缝→振捣密实→块石表面清扫。其中，碎石垫层及碎石粒径应满足设计要求；块石厚度满足设计要求，形状尽量规则，至少保证有2个平面；块石采用挖掘机摆放，人工辅助。理砌时，块石可以采用竖砌、侧砌，块体可紧靠砌筑，且允许个别较大缝隙插砌片石，但块石之间的缝内确保无淤泥等杂质，块石不应有倾斜、叠砌等弊病。混凝土半灌浇筑方法采用挖掘机及溜槽配合卸料入缝，浇筑时，当采用不规则灌注时，约1/2的较大缝隙灌混凝土，一般每一块石的1 ～ 3条边的缝隙或1 ～ 3处三角缝灌混凝土；当采用规则灌注时，约1/2 ～ 3/4的缝隙灌混凝土，每一灌注单元周边块石应规整、厚重，中间的块石允许规整度略差，中间部位留缝不灌或设置排水孔，要求每一砌筑单元的表面透空率不低于8%；混凝土灌注高度约为护面设计厚度的1/2 ～ 3/4；插砌片石的部位灌混凝土补强。浇筑完成后，以混凝土表面泛浆为标准进行振捣密实。为保持砌石护面结构表面的自然、生态面貌，振捣完成后进行块石表面清扫。

4.2 混凝土半灌砌石护面应用

目前，瓯飞围垦工程海堤沿线长约36.66 km，涉及110万m2的镇压层，均采用混凝土半灌干砌石护面结构进行优化加固（见图7），以提高块石利用率以及护面结构的抗风浪能力。优化后的镇压平台护面结构经受了2017年台风“泰利”（最大风速达8级，最大波高约1.70 m，最高潮位约3.50 m）、2018年台风“康妮”（最大风速达10级，最大波高约3.10 m，最高潮位约3.70 m）的多次台风考验。

图7 混凝土半灌干砌石护面结构现场效果图

5 结 语

干砌石类护面具有就地取材、成本低廉等优点，广泛应用于水利工程、海岸工程中堤坝护面结构，但是受石料的形状、尺寸、砌筑工艺等方面的影响，在洪水、风浪作用时，往往容易发生破坏。本文在考虑块石间的摩擦力、嵌卡力后构建的块石临界跳脱稳定平衡方程的基础上，将块石失稳分为跳脱、侧翻、平移、坍落4种形式，并在工程实际案例中得到印证。同时，结合块石临界稳定平衡方程，分析影响干砌石护面结构失稳的主要因素，有针对性地总结提出优化措施，包括提高块石之间的摩擦系数、增加单块块石的厚度、减小单块块石的上表面积、在保证一定透水性的同时提高块石之间的嵌卡力，如块石料应优选侧面方整的石料，砌筑方式应优选竖向砌筑，块石间嵌卡不紧时可采用混凝土半灌砌石技术等措施进行加强。