關(guān)于四面六邊體護(hù)岸技術(shù)的幾點(diǎn)淺見

高興福 王 偉

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 南京 210006)

江河湖泊及堤防和岸灘的安全穩(wěn)定一直以來是各級(jí)黨和政府水利工程建設(shè)和管理的核心問題。長(zhǎng)期以來,為了實(shí)現(xiàn)護(hù)堤固岸,采用過各種各樣的技術(shù)和方法,其中水下護(hù)岸常采用:平順拋石、混凝土鉸鏈排、模袋混凝土、壓載土工織物軟體排等措施。直到二十世紀(jì)90年代,西北水利科學(xué)研究所,江西水利科學(xué)研究所等提出了一種新型的護(hù)堤固岸技術(shù),利用拋投四面六邊透水框架群來護(hù)堤固岸,并在一些實(shí)際工程中得到應(yīng)用,取得了良好的工程效果。長(zhǎng)江南京河段采用該技術(shù)在新濟(jì)洲尾右緣、八卦洲左緣和三江口節(jié)點(diǎn)護(hù)岸工程中加以應(yīng)用,本人有幸參與了其中兩個(gè)工程的施工監(jiān)理,通過四面六邊體透水框架護(hù)岸理論的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用效果分析,表達(dá)自己一些粗淺的看法。

1 與傳統(tǒng)護(hù)岸比較的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的護(hù)岸方式相比,四面六邊體透水框架群護(hù)岸技術(shù)集生態(tài)保護(hù)、防洪護(hù)岸和固灘為一體,具有明顯的性能和造價(jià)優(yōu)勢(shì)。

1.1 作用機(jī)理評(píng)價(jià)

護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式多樣,就護(hù)岸機(jī)理而言,可分為抗沖護(hù)岸 (也稱 “阻水”式防護(hù))和減速護(hù)岸 (也稱 “親水”式防護(hù))兩類。拋石護(hù)岸、混凝土鉸鏈排、模袋混凝土等傳統(tǒng)護(hù)岸方式對(duì)水流采用的是集中消能,這樣一方面不但會(huì)造成水流對(duì)防護(hù)措施的嚴(yán)重沖擊,加快防護(hù)措施本身的破壞,而且當(dāng)防護(hù)措施被破壞后將會(huì)增強(qiáng)水流對(duì)提防岸灘的破壞。

四面六邊體透水框架群是通過內(nèi)部眾多框架體的杠件來阻水,杠件在阻水的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)水流的消能。因此利用框架群這種同時(shí)具備透水和阻水消能的特點(diǎn),可以對(duì)水流進(jìn)行多層次、分級(jí)式消能逐步消弱水流的沖刷能量,減低水流對(duì)提防岸灘的沖刷,實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)護(hù)岸技術(shù)中的集中消能到逐步分級(jí)式消能的轉(zhuǎn)變。當(dāng)水流經(jīng)過四面六邊透水框架群的消能后流速小于泥沙的沉降速度時(shí),將會(huì)促進(jìn)水體中泥沙的淤積沉淀,從而進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)堤防岸灘的保護(hù)。

1.2 生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的護(hù)岸方式在施工和使用過程中,很大程度上改變了區(qū)域局部的水流條件和地形條形,對(duì)部分水中生物和岸灘兩棲生物,如某些甲殼類和浮游生物的棲息、繁殖環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞和影響。

而四面六邊體框架本身是透水的,框架體與框架體之間也有很大的空隙,這就為一些底棲、浮游、附著生物提供了棲息場(chǎng)所,為岸灘兩棲生物提供了生活通道,起到了生態(tài)防護(hù)的目的。

1.3 經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),長(zhǎng)江南京河段采用拋石、四面六邊體框架群、混凝土鉸鏈排三種護(hù)岸形式的費(fèi)用分別為70元/m3、60元/m3、95元/m3,可見四面六邊體框架群工程費(fèi)用最低。而且傳統(tǒng)護(hù)岸采取的是集中消能,工程使用過程中須不斷加強(qiáng)維護(hù)、補(bǔ)充甚至重新施工,可見傳統(tǒng)的方法雖然在短期內(nèi)防護(hù)效果比較明顯,但從中、長(zhǎng)期來看存在著工程量大、投資大、維護(hù)費(fèi)用大等不足之處。四面六邊體框架群具有自身穩(wěn)定性好、透水、基礎(chǔ)不易被沖刷、適合地形變化的特性,避免了傳統(tǒng)拋石護(hù)岸根石不穩(wěn)的問題。

2 優(yōu)化框架群減速效應(yīng)的幾個(gè)規(guī)律

2.1 桿件長(zhǎng)細(xì)比對(duì)減速率的影響

將桿件長(zhǎng)度 (fn)與桿件邊長(zhǎng) (b。)之比稱為桿件長(zhǎng)細(xì)比。綜合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)框架群架空率s=4.8～5.0,桿件的長(zhǎng)細(xì)比fn/b。=16時(shí),減速率最高。設(shè)計(jì)時(shí)一般取值范圍為fn/b。=10～20。為保證施工質(zhì)量,桿件斷面最小尺寸不得小于0.06 m;為方便施工搬運(yùn)和拋投,桿件的長(zhǎng)度以fn=1.00 m為宜。值得注意的是,當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比取值太大,受邊長(zhǎng) (b。)的限制,一方面框架自重和尺度加大,不便拋投施工;另一方面桿件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不易滿足。

2.2 框架群長(zhǎng)度對(duì)水平順?biāo)鞣较驕p速效果的影響

根據(jù)不同投放長(zhǎng)度下框架群產(chǎn)減速效果試驗(yàn),在不同架空率下,隨著框架群拋投長(zhǎng)度的增加,框架群后測(cè)點(diǎn)處減速率在迅速增大,但當(dāng)拋投長(zhǎng)度超過20m后,隨著拋投長(zhǎng)度的持續(xù)增加,對(duì)框架群后測(cè)點(diǎn)流速的影響沒有明顯增加,流速減速率變化僅在5%以內(nèi)。

因此,拋投長(zhǎng)度大于20m是不經(jīng)濟(jì)的,而當(dāng)拋投長(zhǎng)度為10m時(shí),其相對(duì)減速率與20m相近,但是拋投長(zhǎng)度小于10m后,則框架群后測(cè)點(diǎn)的減速率急劇下降,不能起到一個(gè)有效的減速作用?？紤]到工程施工及安全,建議工程中框架體拋投長(zhǎng)度取10m～20m較為適宜。

2.3 框架群間隔區(qū)長(zhǎng)度對(duì)減速率的影響

工程實(shí)踐證明,順直河段采取間隔拋投 (布置)四面體,在節(jié)省工程投資的同時(shí)也能得到較好的減速效果。

試驗(yàn)表明:在框架群拋投長(zhǎng)度一定的情況下。隨著框架群間隔長(zhǎng)度的增加,減速率逐漸降低。當(dāng)間隔長(zhǎng)度為+∞,拋投長(zhǎng)度為0時(shí),對(duì)水流無任何影響,當(dāng)間隔長(zhǎng)度等于0時(shí),可看成是全面拋投,即拋投長(zhǎng)度為+∞,經(jīng)對(duì)框架群長(zhǎng)度與減速率的關(guān)系分析,這種拋投方式也不可取。當(dāng)間隔長(zhǎng)度小于10m時(shí),曲線比較平緩,減速率隨間隔長(zhǎng)度的增加變化不大;當(dāng)間隔長(zhǎng)度大于10m時(shí),曲線明顯變陡。減速率顯著下降。在間隔長(zhǎng)度大于30m時(shí),曲線又稍趨平緩,但此時(shí)減速率太小,已很難起到護(hù)岸固堤的作用。因此,當(dāng)工程要求減速率較高時(shí),間隔區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)不大于10m。

2.4 框架拋投密度對(duì)減速率的影響

根據(jù)已有工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),由護(hù)岸需要的拋石厚度 0.75m～1.50m折算為 0.975～1.95架/m2(拋?zhàn)o(hù)厚度與拋投層數(shù)的折算按架空度ε=6計(jì)算,即每平米拋?zhàn)o(hù)面以1m拋石厚度折算為拋框架1.3架)。

3 框架制作與拋投施工監(jiān)理注意事項(xiàng)

3.1 桿件制作方面

(1)四面六邊體桿件制作量大、結(jié)構(gòu)單一、形狀規(guī)則,監(jiān)理在審批施工組織設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)建議施工單位選用定型組合鋼模,以利于組織大規(guī)模流水作業(yè),保證桿件的外形尺寸準(zhǔn)確,成型面光潔。一套組合鋼模最好一次性澆注6根桿件,正好組裝一個(gè)框架。

(2)預(yù)制場(chǎng)地規(guī)劃。四面六邊體框架一般量大,勞動(dòng)強(qiáng)度高,因此前期場(chǎng)地規(guī)劃顯得尤為重要。如果按長(zhǎng)1.0m的桿件考慮,鋼模組裝后加上預(yù)埋鋼筋外伸長(zhǎng)度和一定的作業(yè)空間,一套組合鋼模的占地面積約1.5m2,同時(shí)考慮養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸通道的占地面積,根據(jù)工期如果每天計(jì)劃完成1個(gè)框架,則預(yù)制場(chǎng)地硬化區(qū)占地面積至少為4m2,綜合考慮攪拌站 (包括砂石堆場(chǎng)、水泥庫房和砼攪拌機(jī)),鋼筋加工場(chǎng)等占地面積,整個(gè)場(chǎng)地硬化區(qū)占地面積至少為52/架。同時(shí)也要配套建設(shè)桿件堆放、焊接拼裝和成品堆放場(chǎng)地,面積幾乎與預(yù)制場(chǎng)地相當(dāng) (可鋪20cm厚道渣,并要保持排水通暢)。

(3)因桿件截面只有100×100mm,在砼配合比設(shè)計(jì)時(shí),建議施工方粗骨料宜選用堅(jiān)硬密實(shí),具有足夠強(qiáng)度的卵石或碎石,最大粒徑宜小于20mm、其中5mm～20mm的量占55%,10mm～20mm的量占45%,強(qiáng)度50MPa以上、級(jí)配良好的碎石。

(4)預(yù)制構(gòu)件的轉(zhuǎn)場(chǎng)、堆放及運(yùn)輸。監(jiān)理應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)制構(gòu)件轉(zhuǎn)場(chǎng)的時(shí)間,應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%方可同意轉(zhuǎn)場(chǎng),可采用同期同條件養(yǎng)護(hù)條件下砼試壓塊進(jìn)行試壓。轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)堆放的場(chǎng)地要平穩(wěn)堅(jiān)實(shí),不得產(chǎn)生過大的不均勻沉降.支點(diǎn)墊木的間距應(yīng)一致,并保持在同一平面上,堆碼高度一般不超過十層,防止底部桿件被壓斷。

轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)每根桿件應(yīng)用不易褪色的顏料標(biāo)明生產(chǎn)日期,同一天生產(chǎn)的桿件應(yīng)集中堆放,并按日期順序排列,排與排之間應(yīng)留有足夠?qū)挾鹊倪\(yùn)輸?shù)缆?同一堆放區(qū)應(yīng)制作標(biāo)牌醒目標(biāo)示,標(biāo)牌上應(yīng)標(biāo)有同一批次桿件的數(shù)量、混凝土標(biāo)號(hào)、生產(chǎn)日期。出庫時(shí)應(yīng)有專人按 “先進(jìn)先出法”指定出庫區(qū)進(jìn)行焊接拼裝,以保證桿件得到充分養(yǎng)護(hù)。監(jiān)理在日常巡查中要注意察看現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝時(shí)桿件標(biāo)明的預(yù)制日期,達(dá)不到保養(yǎng)時(shí)間的桿件,要堅(jiān)決要求退回,重新發(fā)料。

3.2 桿件拋投方面

(1)四面六邊體拋投落距計(jì)算公式。在相同水流條件下相同重量四面六邊體的落距大小與拋石的落距大小相近。計(jì)算四面六邊體的落距同樣可采用塊石的以重量計(jì)的公式形式,即:

式中Lt為四面六邊體的落距;k2為系數(shù);W為四面六邊體的重量kg,v為流速,h為水深 。

根據(jù)試驗(yàn)資料,取平均值確定四面六邊體落距公式系數(shù)2的值為0.795。

定位船根據(jù)流速和水位及時(shí)調(diào)整船位是定位準(zhǔn)確的關(guān)鍵,施工過程中拋方監(jiān)理應(yīng)要求施工方根據(jù)水位和潮水漲落情況勤測(cè)流速、水深等參數(shù),及時(shí)計(jì)算調(diào)整拋投提前量。

(2)施工區(qū)域劃分。四面六邊體拋投施工的關(guān)鍵是合理劃分施工小區(qū) (網(wǎng)格),而施工網(wǎng)格的劃分主要依據(jù)所進(jìn)場(chǎng)的船型。根據(jù)以往拋投的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合目前南京地區(qū)從事裝、運(yùn)石作業(yè)的船只的具體情況,可建議施工單位將施工小區(qū) (網(wǎng)格)劃分為15m(寬)×30m(長(zhǎng))的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格再分為上、下兩個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行拋布,寬度不足15m的拋區(qū)可劃分為定寬的小區(qū)進(jìn)行施工。

(3)測(cè)量、放樣。由于四面六邊體施工位置是位于水中,無法在水中確立施工位置,因而需在與施工位置對(duì)應(yīng)的岸上設(shè)立標(biāo)志,以確定施工位置。

測(cè)量放樣方法:

①在拋區(qū)附近的岸邊,根據(jù)建設(shè)單位提供的控制點(diǎn),采用前方交會(huì)或后方交會(huì)的方法在岸上測(cè)設(shè)一點(diǎn),由此點(diǎn)放出施工基線。

②根據(jù)測(cè)設(shè)的已知點(diǎn)設(shè)立一條正基線 (平行于拋區(qū)長(zhǎng)度方向)或斜基線 (不平行于拋區(qū)長(zhǎng)度方向)。

③在基線上根據(jù)各施工小區(qū)的長(zhǎng)度劃分放出各基線樁。

④由基線樁上測(cè)設(shè)出各斷面樁 (方向樁),方向樁應(yīng)垂直于拋區(qū)長(zhǎng)度方向。

在測(cè)量放樣中應(yīng)由專業(yè)測(cè)量工程師會(huì)同業(yè)主進(jìn)行測(cè)設(shè)點(diǎn)的交點(diǎn)、設(shè)點(diǎn)工作。測(cè)量過程中應(yīng)選擇有代表性的斷面樁進(jìn)行復(fù)核,據(jù)以確定測(cè)量成果是否符合精度要求。

(4)裝框架駁船的選用。為保證框架拋布均勻,在拋投施工中監(jiān)理應(yīng)控制駁船的規(guī)格,使得駁船盡量符合依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙劃分的拋區(qū)網(wǎng)格,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),要求投入施工的裝運(yùn)船只長(zhǎng)度約為20m～30m,寬約5m～7m,裝框架長(zhǎng)度約15m,以保證拋布連續(xù)、均勻,不留空檔。監(jiān)理在進(jìn)場(chǎng)設(shè)備報(bào)審時(shí)要對(duì)進(jìn)場(chǎng)船舶的船型加以重點(diǎn)控制,與網(wǎng)格劃分不相符的船舶要杜絕進(jìn)場(chǎng)使用。

(5)準(zhǔn)確定位。根據(jù)在岸上在測(cè)量放樣放出的斷面樁位處插上定位斷面花桿,移動(dòng)定位船,使定位船上舷或下舷與斷面花桿成一直線。在斷面花桿的直線上,在定位船上用六分儀交會(huì)定位。定位船移位應(yīng)旁站監(jiān)理,定位船移位記錄要有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理簽字認(rèn)可。

圖1 測(cè)量放樣示意圖

4 結(jié)語

四面六邊體透水框架由傳統(tǒng)阻水集中消能的方式改變?yōu)榉植际健⒍嗉?jí)消能,自身穩(wěn)定性好,適應(yīng)河床變形能力強(qiáng),具有降低流速,促使泥沙迅速落淤,從而達(dá)到減速促淤的目的。避免了傳統(tǒng)拋石護(hù)岸根石不穩(wěn)、工程投資大、后期需長(zhǎng)期維護(hù)補(bǔ)充等不足之處,也保持了原生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和完整性,可廣泛應(yīng)用于構(gòu)筑河道控導(dǎo)工程、護(hù)腳護(hù)坡、防止和治理崩窩等工程。

在桿件的長(zhǎng)細(xì)比設(shè)計(jì)和框架群的空間布置中,要充分運(yùn)用規(guī)律優(yōu)化框架群的減速效應(yīng),降低成本,發(fā)揮效益。

施工監(jiān)理在審批施工組織設(shè)計(jì)、專項(xiàng)方案時(shí)要從模板選用、配合比設(shè)計(jì)、網(wǎng)格劃分、船型選擇、測(cè)量放樣、準(zhǔn)確定位等方面優(yōu)化施工工藝,協(xié)調(diào)各工序間的平衡銜接,以利提高工作效率,確保工程質(zhì)量。