干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析及其優(yōu)化措施

臧振濤，陳振華，倪立建

（1.浙江水院勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 杭州 310018；2. 浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310012）

1 問題的提出

在堤壩工程設(shè)計(jì)時(shí)，干砌石類護(hù)面結(jié)構(gòu)因其就地取材、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用[1]，但由于其整體性不高，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降或遇到較大的洪水、風(fēng)浪沖擊時(shí)，護(hù)面塊石往往容易失穩(wěn)[2]。目前，關(guān)于干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的模式均未考慮塊石位移時(shí)塊石之間的摩擦力、嵌卡力[3]，陳振華等提出一種半灌混凝土的砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究驗(yàn)證塊石1/2左右縫隙灌注1/2結(jié)構(gòu)厚度的混凝土后，可以大幅提高無混凝土的原塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)浪能力，趙秀珍等[4]試驗(yàn)研究插砌條石護(hù)面防波堤的抗風(fēng)浪能力，驗(yàn)證了通過插砌、豎砌的砌筑方式可以大幅提高相同重量干砌條石護(hù)面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)浪能力，因此，護(hù)面塊石在受到風(fēng)浪作用時(shí)，摩擦力、嵌卡力的發(fā)揮程度將明顯影響其抗風(fēng)浪穩(wěn)定性。本文在考慮塊石間摩擦力、嵌卡力后建立的塊石臨界跳脫穩(wěn)定平衡方程基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際堤壩工程中干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)的破壞情況，綜合分析其破壞機(jī)理和影響其失穩(wěn)的主要因素，總結(jié)提出干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施，以供類似工程借鑒。

2 干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理

2.1 塊石受力分析

干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，一般都是由于單個(gè)塊石在波浪的作用下，塊石內(nèi)外表面存在壓力差，進(jìn)而發(fā)生錯(cuò)位導(dǎo)致。本文考慮塊石之間的摩擦力和嵌卡力，并假定塊石為規(guī)則的長方體，嵌卡力與塊石厚度成正比[5]，結(jié)合塊石受力簡圖（見圖1），從理論上分析塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)在波浪水流作用下的受力情況，并建立塊石臨界穩(wěn)定平衡方程。

圖1 塊石受力簡圖

式中：W ′為塊體浮重，kN；Fμ為塊體間的摩擦力，kN；Ft為塊體間的嵌卡力，kN；Fn為法向波浪力，kN；γ′ 為塊體浮容重，kN/m3；S為塊體上表面積，m2；t為塊體厚度，m；ft為單位塊石厚度上的嵌卡力，kN/m；fn為單位面積上的波浪力，kN/m2；α 為護(hù)面與水平面之間的夾角，°；μ為塊石間的摩擦系數(shù)。

由式（1）可知，影響塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素包括波浪力、塊石重量、護(hù)面坡度、塊石表面粗糙度以及塊石間的嵌卡力。分以下幾種類型，理論分析塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)破壞形式：①跳脫：當(dāng)塊石受到的波浪力Fn大于臨界值時(shí)，塊石臨界穩(wěn)定平衡方程被打破，使得塊石法向向上的力大于法向向下的合力，進(jìn)而導(dǎo)致塊石出現(xiàn)跳脫現(xiàn)象。②側(cè)翻：當(dāng)相鄰塊石發(fā)生跳脫，或塊石受到的波浪力Fn不均勻，或因塊石之間的緊靠程度不一致，導(dǎo)致摩擦力及嵌卡力分布不均勻，使得塊石在扭矩的作用下出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象。③平移：當(dāng)相鄰塊石發(fā)生跳脫或側(cè)翻后，塊石受切向力波浪力及重力影響，導(dǎo)致塊石切向受力不平衡，進(jìn)而出現(xiàn)平移現(xiàn)象。④坍落：塊石的重量、塊石間的摩擦力與嵌卡力可以抵抗風(fēng)浪，但由于堤身不均勻沉降超過護(hù)面自身變形的能力、護(hù)面下或墊層下土石料流失導(dǎo)致部分護(hù)面下部掛空，導(dǎo)致掛空區(qū)域的塊石在原位出現(xiàn)坍落現(xiàn)象。

2.2 護(hù)面結(jié)構(gòu)實(shí)際破壞情況

溫州甌飛圍墾工程位于浙東南沿海甌江河口和飛云江河口之間的灘涂區(qū)域[3]。依據(jù)GB/T 51015 — 2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]、JTS 154 - 1 — 2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[5]等相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)要求，該工程設(shè)計(jì)為斜坡式護(hù)面結(jié)構(gòu)。其中依照設(shè)計(jì)要求，鎮(zhèn)壓層采用理砌塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)，塊石穩(wěn)定重量經(jīng)理論計(jì)算為單重大于800 kg、厚度大于80 cm，施工時(shí)要求“塊石至少有2個(gè)大致平行面”以便理砌。

2016年，在樁號12 + 700 ～ 12 + 900 m原設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓平臺上完成尺寸為200 m×35 m（7 000 m2）的干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)，塊石平均單塊重量820 kg、平均厚度70 cm（料源實(shí)際滿足80 cm的塊石很少，根據(jù)實(shí)際抽樣測量，干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)所用塊石實(shí)際平均厚度約70 cm）。

此后經(jīng)歷了對其影響最大的17號臺風(fēng)“鲇魚”（農(nóng)歷八月二十七、二十八），臺風(fēng)期間最大風(fēng)速為22.3 m/s，相關(guān)波高、潮位變化見圖2。由圖2可知，臺風(fēng)“鲇魚”期間，正是天文小潮期，且最大波高達(dá)到3.17 m，最高潮位為3.66 m，對鎮(zhèn)壓平臺影響最大。

圖2 9月臺風(fēng)“鲇魚”期間試驗(yàn)區(qū)潮位、波高隨時(shí)間變化曲線圖

通過對比臺風(fēng)“鲇魚”前后試驗(yàn)區(qū)鎮(zhèn)壓層相關(guān)護(hù)面結(jié)構(gòu)面貌，觀察塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)過后的破壞情況（見圖3 ～ 4）。從圖3 ～ 4對比中可以看出，在臺風(fēng)“鲇魚”過后，塊石發(fā)生了跳脫、側(cè)翻、平移以及坍落破壞，局部露出堤心石。

圖3 臺風(fēng)前干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)面貌圖

圖4 臺風(fēng)后干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)面貌圖

3 干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將式（2）～（5）代入式（1），并將坡度系數(shù)m代入公式，塊石臨界穩(wěn)定平衡方程為：

由式（6）可知，當(dāng)設(shè)計(jì)護(hù)面坡度m確定后，提高干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（增大等式左側(cè)值）的主要方法包括：①提高塊石之間的摩擦系數(shù)μ；②增加塊石厚度t（塊石重量保持不變）；③在一定范圍內(nèi)，減小塊石上表面積（塊石重量保持不變）；④在保證干砌石護(hù)面透水性的同時(shí)，提高塊石之間的嵌卡力ft。

對于前3種措施，目前常用的優(yōu)化方法是通過對塊石進(jìn)行二次加工，形成規(guī)則的石料，如條石（見圖5）。通過充分利用砌石間的摩擦力，增加砌石厚度，降低砌石上下表面積，達(dá)到提高砌石穩(wěn)定性的目的，該類護(hù)面結(jié)構(gòu)在福建省應(yīng)用的較多[4]。

圖5 條石護(hù)面結(jié)果面貌圖

對于提高砌石間的嵌卡力的措施，陳振華等人通過在甌飛圍墾工程開展鎮(zhèn)壓平臺干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)優(yōu)化研究，提出混凝土半灌干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)[6-7]（見圖6 ～ 7）。以“柔度吸能、透空消能、嵌卡借能”的技術(shù)思想，通過利用10% ～ 20%的混凝土（混凝土占護(hù)面結(jié)構(gòu)體積的比例）作為砌石間的“嵌卡體”，保留約1/2的縫隙作為透水孔，在保證砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)具有較好的透水性、消浪性能的同時(shí)，增加砌石間的嵌卡力、提高砌石護(hù)面的單體穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性。

圖6 混凝土半灌干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)圖

4 混凝土半灌砌石技術(shù)要求及應(yīng)用

4.1 混凝土半灌砌石技術(shù)要求

混凝土半灌砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)步驟主要包括：鋪設(shè)碎石墊層→墊層找平→塊石選料→塊石理砌→混凝土拌制及運(yùn)輸→混凝土半灌入縫→振搗密實(shí)→塊石表面清掃。其中，碎石墊層及碎石粒徑應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求；塊石厚度滿足設(shè)計(jì)要求，形狀盡量規(guī)則，至少保證有2個(gè)平面；塊石采用挖掘機(jī)擺放，人工輔助。理砌時(shí)，塊石可以采用豎砌、側(cè)砌，塊體可緊靠砌筑，且允許個(gè)別較大縫隙插砌片石，但塊石之間的縫內(nèi)確保無淤泥等雜質(zhì)，塊石不應(yīng)有傾斜、疊砌等弊病。混凝土半灌澆筑方法采用挖掘機(jī)及溜槽配合卸料入縫，澆筑時(shí)，當(dāng)采用不規(guī)則灌注時(shí)，約1/2的較大縫隙灌混凝土，一般每一塊石的1 ～ 3條邊的縫隙或1 ～ 3處三角縫灌混凝土；當(dāng)采用規(guī)則灌注時(shí)，約1/2 ～ 3/4的縫隙灌混凝土，每一灌注單元周邊塊石應(yīng)規(guī)整、厚重，中間的塊石允許規(guī)整度略差，中間部位留縫不灌或設(shè)置排水孔，要求每一砌筑單元的表面透空率不低于8%；混凝土灌注高度約為護(hù)面設(shè)計(jì)厚度的1/2 ～ 3/4；插砌片石的部位灌混凝土補(bǔ)強(qiáng)。澆筑完成后，以混凝土表面泛漿為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振搗密實(shí)。為保持砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)表面的自然、生態(tài)面貌，振搗完成后進(jìn)行塊石表面清掃。

4.2 混凝土半灌砌石護(hù)面應(yīng)用

目前，甌飛圍墾工程海堤沿線長約36.66 km，涉及110萬m2的鎮(zhèn)壓層，均采用混凝土半灌干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化加固（見圖7），以提高塊石利用率以及護(hù)面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)浪能力。優(yōu)化后的鎮(zhèn)壓平臺護(hù)面結(jié)構(gòu)經(jīng)受了2017年臺風(fēng)“泰利”（最大風(fēng)速達(dá)8級，最大波高約1.70 m，最高潮位約3.50 m）、2018年臺風(fēng)“康妮”（最大風(fēng)速達(dá)10級，最大波高約3.10 m，最高潮位約3.70 m）的多次臺風(fēng)考驗(yàn)。

圖7 混凝土半灌干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)現(xiàn)場效果圖

5 結(jié) 語

干砌石類護(hù)面具有就地取材、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水利工程、海岸工程中堤壩護(hù)面結(jié)構(gòu)，但是受石料的形狀、尺寸、砌筑工藝等方面的影響，在洪水、風(fēng)浪作用時(shí)，往往容易發(fā)生破壞。本文在考慮塊石間的摩擦力、嵌卡力后構(gòu)建的塊石臨界跳脫穩(wěn)定平衡方程的基礎(chǔ)上，將塊石失穩(wěn)分為跳脫、側(cè)翻、平移、坍落4種形式，并在工程實(shí)際案例中得到印證。同時(shí)，結(jié)合塊石臨界穩(wěn)定平衡方程，分析影響干砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要因素，有針對性地總結(jié)提出優(yōu)化措施，包括提高塊石之間的摩擦系數(shù)、增加單塊塊石的厚度、減小單塊塊石的上表面積、在保證一定透水性的同時(shí)提高塊石之間的嵌卡力，如塊石料應(yīng)優(yōu)選側(cè)面方整的石料，砌筑方式應(yīng)優(yōu)選豎向砌筑，塊石間嵌卡不緊時(shí)可采用混凝土半灌砌石技術(shù)等措施進(jìn)行加強(qiáng)。