海堤堤芯石级配优化

黄双飞，周维，彭志豪

（1.中交广州航道局有限公司，广东 广州 510290；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

香港国际机场第三跑道填海工程（以下简称香港三跑工程）需建设13 km 的海堤，采用抛石斜坡堤结构，初始设计断面见图1。

图1 原设计断面Fig.1 Original design section

堤芯采用香港规范中的G400 级配块石[1]，Dn50=200 mm，堤芯石用量为215 万m3，用量占比整个项目石头用量达到55%。香港国际机场为国际大型航空枢纽，进出港航班多，施工期间，不能影响航班进出港，陆上推填方案[2]不可行，须通过水上施工解决，针对G400 的堤芯石提出的主要施工方案为横鸡趸施工，施工时石料装在舱内，吊杆吊抓斗从舱内抓石料，由船纵向侧舷旋转，进行侧抛，施工示意见图2。因为石料装在舱内，横鸡趸与同吨位方驳或开体驳[3-4]相比，装石量大，船稳定性好，抗风浪能力强，装、抛石料用抓斗，可抓碎石或大块石，与网兜相比，具有无需摘、挂钩，生产效率高等优点，因此在香港地区使用较多。

图2 横鸡趸施工示意图Fig.2 Schematic diagram of construction of Derrick Lighter

本项目经施工组织分析后发现横鸡趸施工堤芯石的方案存在以下难点：

1） 高度超出机管局航空限高；横鸡趸总高约为45 m，而香港机场附近对施工设备有严格的限高要求，限高值由25～32 m 不等，限高区域在没有通知机管局的情况下，横鸡趸不能进入该区域进行施工，因此部分海堤段的堤芯石的横鸡趸施工工艺受到严格限制，堤芯石的施工进度严重影响项目的实施进度，必须找到一种合理的解决方案；

2） 横鸡趸施工设备数量多，海堤计划每500 m 施工时布置6 艘，同时方块码头需要横鸡趸施工。初步计划海堤施工需要40 艘横鸡趸，防污帘施工需要5 艘，后方DCM 砂垫层施工需要25 艘，总计需约70 艘，需要操作人员一百多人，所以现场管理难，且香港地区熟练的操作人员少，存在可能由于操作工人少而延误项目工期的风险；

3） 横鸡趸施工对环境影响大，横鸡趸施工时首先需要将石料从驳船转运到横鸡趸，然后再用横鸡趸抓斗施工，转运过程会有石料洒落到海堤，对环境造成一定影响。

同时由于G400 级配块石粒径较大，需要从开山石中进行分类、挑选，因此生产效率低，对项目工期造成一定影响。

综上分析，需要找到一种替代的施工工艺及块石级配，及解决项目由于横鸡趸施工难以实现的问题，同时解决生产效率问题。

1 优化方案

原方案缺点主要是受到施工设备限高、设备数量等的限制，首先从施工方面提出皮带机输送工艺[5]施工替代部分横鸡趸工艺。航空限高区域海堤选用皮带机从驳船上直接输送堤芯石，同时根据横鸡趸施工计划，其他部分海堤也采用皮带输送工艺，以解决横鸡趸数量和工人受限问题，由于初始设计方案采用G400（Dn50=200 mm）的堤芯石，根据业主要求堤芯石G400 超过200 mm 的石料含量最大可达到75%，且最大粒径可达到400 mm，级配尺寸见表1。经过前期调研，皮带船皮带机受舱格出料口大小限制，当石料粒径超过200 mm 时，出料口极易卡壳，并由此造成输送皮带被石料尖锐部分划伤，皮带损耗则会增大，进而造成船机利用率以及施工效率降低；而当超过石料粒径300 mm 时，几乎无皮带船出料口能出料。因此需要提出一种减小堤芯石粒径的优化方案，如果粒径减小太多对堤芯石内摩擦角影响较大，结合皮带机输送工艺对粒径要求极限，优化方案选用CP45/180（Dn50=160 mm）的堤芯石最大粒径为250 mm，且粒径大于160 mm 占总质量的比小于20%，且基于63～160 mm 粒径的石料含量可达到70%，级配粒径见表2；优化后的堤芯石大体满足皮带船施工需求，但仍有一定损坏皮带风险，在与船机设备专业工程师会议讨论后，最终确定将皮带船出料口尺寸由300 mm 改为400 mm，并验算皮带船输送皮带的单位截面积输送量，确保皮带在安全稳定的输送负荷内运行。拟采用的皮带机施工时最高15 m，满足大部分海堤的限高要求，皮带船施工示意图见图3。

图3 皮带船施工海堤示意图Fig.3 Schematic diagram of construction seawall by pelican barge

表1 G400 堤芯石粒径分布Table 1 G400 core rock particle size distribution

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

优化方案具有以下优点：

1） 皮带机施工效率高，堤芯石的施工效率由每1000 m3需要5 h 变为1 h，大大地提高了施工效率；

2） 优化后的堤芯石可以直接由碎石机生产，避免了筛选过程，石料的生产效率提高；

3） 对环境影响小，需要设备少，根据分析每500 m 长海堤只需要5 艘皮带船施工，从而减轻了施工管理难度，使整个项目对横鸡趸的数量需求大幅减小，降低了可能由于操作工人少而延误项目工期的风险；

4） 施工限高问题大部分得到解决，采用皮带船施工受限高影响区域相比横鸡趸施工受限区域大幅减少。

5） 工种变多，不再受施工设备数量、设备操作人员数量限制，工期更容易保证。

2 稳定及倒滤分析

堤芯石级配优化主要影响堤芯与垫层、堤芯与后方回填料的倒滤计算结果，原设计各块石级配如表3。

表3 各海堤垫层块石级配参数Table 3 Grading parameters of underlayer rocks of each seawall

BS 6349-7：1991[6]中规定太沙基反滤层准则的修正公式可用于确定防波堤垫层与堤芯石之间的几何尺寸关系，即：

式中：Dn为块石的名义粒径（等效立方体），下标u表示垫层块石，c 表示堤芯石；15 和85 表示通过该尺度块石的质量百分数。

海堤后方存在回填时，为防止回填土中的细颗粒渗入堤芯石，则必须要设置合适的倒滤结构。

BS 6349-7：1991[6]中关于该倒滤结构的要求如式（3）～式（5）。其中下标的大、小分别表示倒滤验算时的大块石层和小块石层。规范中对临界值开放性给出了上下限范围（如4～5），本工程采用严格的临界值下限为控制标准。

垫层块石和堤芯石优化前后倒滤验算结果见表4，验算结果表明除SW1 不能满足规范要求外，其余都能满足。由于原设计采用G400 堤芯石时Dn15u/Dn15c＞20，不满足规范要求，设计时在垫层块石和堤芯石之间增加了土工布[7]，因此可以不验算，故减小堤芯石级配后仍能够满足倒滤要求。

表4 垫层块石和堤芯石优化前后倒滤验算结果Table 4 Filter checking results between underlayer rock and core rock before and after optimization

堤芯石（大块石层）和后方倒滤层（小块石层）的倒滤验算结果见表5，结果表明，优化前后都能满足规范要求。

表5 优化前后与后方倒滤层倒滤验算结果Table 5 Filter checking results between core rock and filter layer before and after optimization

级配优化后堤芯石内摩擦角降低，保守估计堤芯石内摩擦角由42°变为40°，由于海堤基础采用DCM 处理，DCM 桩抗剪强度大，所以本文只分析海堤基础以上堤身的稳定影响，各回填料参数见表6，使用期考虑后方均布荷载6 kPa，计算高水位4.11 m，计算低水位0.36 m。

表6 海堤回填料参数Table 6 Parameters of filling materials of seawall

各施工部海堤结构优化前、后的稳定性计算结果对比见表7，可以看出堤芯石级配优化后即使内摩擦角有小幅降低，但是对边坡稳定影响有限，本项目仍能够满足设计要求大于1.3[8]。

表7 优化前后整体稳定计算结果对比表Table 7 Stability calculation results before and after optimization

3 结语

通过以上分析，可得出香港三跑工程将原设计堤芯石级配由Dn50=200 mm 优化为Dn50=160 mm，主要影响如下：

1） 减小级配粒径后，对限高部分海堤可采用皮带机运送抛填堤芯；

2） 级配变更，对海堤的整体稳定影响有限；

3） 倒滤验算满足要求，其它工程如不能满足可通过局部调整级配满足。

香港三跑工程通过优化堤芯石，成功解决了机场限高、施工设备受限、工期风险大以及管理难度大的问题，因此堤芯石的级配尺寸对设计和施工均有影响，设计时需要结合项目特点、施工工艺选择合理的级配，合理的选择级配可能带来很大的经济效益，本项目的成功经验具有重要的借鉴意义。