和暢洲左汊口門(mén)潛壩加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

范 兵，林木松，錢(qián) 圣

(1.江陰市水利農(nóng)機(jī)局，江蘇江陰 214400;2長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010)

1 工程背景

長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段，自三江口至五峰山，全長(zhǎng)73.7 km，由儀征水道、世業(yè)洲汊道、六圩彎道、和暢洲汊道及大港水道組成。該河段是長(zhǎng)江下游變化劇烈的河段之一。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，六圩彎道、和暢洲汊道、孟家港、龍門(mén)口等處變化劇烈。河勢(shì)不穩(wěn)，河道的劇烈變化，致使許多排灌設(shè)施被破壞，人遷房毀，對(duì)沿岸防洪和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅，也嚴(yán)重影響了沿江企業(yè)的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)發(fā)展［1］。為了穩(wěn)定鎮(zhèn)揚(yáng)河段河勢(shì)，于1983年開(kāi)始實(shí)施一期整治工程，歷經(jīng)10 a完工，鎮(zhèn)揚(yáng)河段河勢(shì)急劇惡化的勢(shì)頭得到了一定遏制，工程取得了預(yù)期的效果。為了鞏固一期整治效果，進(jìn)一步穩(wěn)定河勢(shì)，自1998年開(kāi)始實(shí)施二期整治工程，長(zhǎng)江和暢洲左汊口門(mén)控制工程是長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段二期整治工程中的一個(gè)重要單項(xiàng)工程，它是抑制左汊發(fā)展、維持河勢(shì)穩(wěn)定的重要工程措施。

經(jīng)過(guò)一期、二期整治工程的實(shí)施［2－4］，鎮(zhèn)揚(yáng)河段平面變化速率減緩，和暢洲左汊分流比減少約3%，作為鎮(zhèn)揚(yáng)河段二期整治工程重點(diǎn)項(xiàng)目的和暢洲左汊口門(mén)控制工程初見(jiàn)成效。但和暢洲左汊口門(mén)控制工程仍只是鎮(zhèn)揚(yáng)河段進(jìn)一步治理的基礎(chǔ)。根據(jù)近幾年的監(jiān)測(cè)報(bào)告，目前，和暢洲潛壩壩頂普遍降低0.2～0.4 m、部分降低0.6～0.8 m，壩頂局部形成 V 型沖刷坑，下游護(hù)坦(護(hù)底)防崩層也有部分損壞，左汊分流比達(dá)到73.2%。如任其發(fā)展，潛壩控制分流作用將不斷減弱，不僅影響到和暢洲兩汊江岸的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用，也影響到長(zhǎng)江12.5 m深水航道建設(shè)。因此，為了保持和暢洲左汊口門(mén)控制工程效果的正常發(fā)揮，維持壩體的穩(wěn)定，對(duì)壩體進(jìn)行維護(hù)加固是十分必要和迫切的。

由于潛壩工程位于和暢洲左汊進(jìn)口段，水流流態(tài)紊亂、河床地形復(fù)雜、水深與流速較大，而就如何進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位，如何控制深水拋石(尼龍石兜)的準(zhǔn)確性以及潛壩表面的施工工藝、工序和確定工程量補(bǔ)償系數(shù)等，均無(wú)先例或類(lèi)似工程可供參考，因此必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行探索、總結(jié)，取得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)管理提供依據(jù)和參考。

2 試驗(yàn)段概況

綜合考慮試驗(yàn)內(nèi)容的全面性、工程難度的代表性，以及試驗(yàn)規(guī)模的大小，結(jié)合潛壩工程資料、歷次水下地形監(jiān)測(cè)和水文測(cè)驗(yàn)資料，選取潛壩斷面1+000至1+060作為試驗(yàn)段(見(jiàn)圖1和圖2)，其長(zhǎng)度為60 m。該段壩頂黃海高程位于－14至－16 m，壩腳處河床黃海高程位于－17至－20 m，壩腳最大水深約24 m，水流流速相對(duì)較大，整體代表性相對(duì)較好。表1給出了試驗(yàn)段具體防護(hù)內(nèi)容、寬度及斷面高程。

圖1 試驗(yàn)段縱剖面位置Fig.1 Longitudinal profile of the test segment

圖2 試驗(yàn)段平面布置Fig.2 Plane layout of the test segment

3 試驗(yàn)段拋投區(qū)網(wǎng)格劃分

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，在將壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋?zhàn)o(hù)劃分為3個(gè)單元(G—I)的基礎(chǔ)上，根據(jù)壩頂(拋厚2.4 m)及壩肩(拋厚1.2 m)不同的拋?zhàn)o(hù)厚度，將每個(gè)單元又劃分為8個(gè)小拋區(qū)。將壩坡拋石防護(hù)劃分為6個(gè)單元(A—F)，每個(gè)單元沿潛壩縱軸線方向長(zhǎng)10 m，再根據(jù)壩坡拋石區(qū)域所處的不同位置將每個(gè)單元?jiǎng)澐譃樯?、下?個(gè)小拋區(qū)(見(jiàn)圖3)。

表1 試驗(yàn)段各區(qū)寬度及斷面高程表Table1 Widths and cross sectional heights of test sections

圖3 試驗(yàn)段網(wǎng)格劃分Fig.3 Partitioning of the test segments

4 拋投提前量計(jì)算及施工定位方法

4.1 各拋投區(qū)表層流速及水深

水深和表層流速是決定拋投提前量的關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)拋投區(qū)的水深和表層流速見(jiàn)表2、表3。

表2 尼龍網(wǎng)石兜拋投區(qū)水深及表層流速實(shí)測(cè)值Table 2 Measured values of water depth and surface flow velocity in the area of nylon cage dumping

表3 塊石拋投區(qū)水深及表層流速實(shí)測(cè)值Table 3 Measured values of water depth and surface flow velocity in the area of rock riprapping

4.2 尼龍網(wǎng)兜及塊石拋投提前量計(jì)算理論分析

由于河道中的水流具有一定流速，故在實(shí)際施工中應(yīng)考慮塊石及網(wǎng)兜在水流作用下的漂距。根據(jù)漂距確定拋投提前量，進(jìn)而對(duì)定位船進(jìn)行精準(zhǔn)定位。下面是顆粒在流水中的漂距計(jì)算理論推導(dǎo)過(guò)程:

明渠水流流速V垂向分布公式［5］為

紊流區(qū)顆粒沉速ω計(jì)算公式［6］為

顆粒等容粒徑的計(jì)算公式［6］為

式中:L為漂距(m);Vmax為河道表面流速(m/s);y為與河底邊界的距離(m);h為水深(m);Cd為繞流阻力系數(shù);S為拋投物的體積質(zhì)量(kg/m3);D為拋投物的等容粒徑(m);W為拋投物質(zhì)量(kg)。

式(1)和式(2)構(gòu)成一個(gè)微分方程組，易知當(dāng)t=0時(shí)，y=h，L=0，這就是該問(wèn)題的初值條件。由式(1)和式(2)聯(lián)立得

對(duì)式(3)進(jìn)行變形并進(jìn)行積分得

即得球體顆粒的理論漂距計(jì)算公式為

式(7)即為拋投物水中漂距的理論計(jì)算公式，常數(shù)C與拋投物的形狀，拋投點(diǎn)流速、流態(tài)相關(guān)。由此可見(jiàn)在同一拋投點(diǎn)拋投物的漂距僅僅同拋投點(diǎn)的水深、表面流速以及拋投物的質(zhì)量相關(guān)。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出尼龍網(wǎng)石兜的C值取1.38，塊石的拋投的C值取1.17。在本次試驗(yàn)中的尼龍網(wǎng)兜設(shè)計(jì)質(zhì)量為4.08 t，塊石密度為1 700 kg/m3，將其代入式(7)化簡(jiǎn)可得本次施工設(shè)計(jì)的尼龍網(wǎng)石兜漂距的計(jì)算公式為

4.3 計(jì)算值同實(shí)際拋投提前量比較

運(yùn)用式(7)計(jì)算尼龍網(wǎng)石兜理論拋投提前量同實(shí)際值比較如圖4，由圖可知理論值與實(shí)測(cè)值擬合較好，因此理論公式的誤差范圍較小，可用于后續(xù)工程的施工定位計(jì)算。

4.4 定位躉船的定位

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工定位躉船的拋錨定位采用四錨定位，為了避免拋錨拋在潛壩壩體上，錨纜也必須跨過(guò)壩頂，因此，施工現(xiàn)場(chǎng)采用2 000 t的躉船，每只錨纜長(zhǎng)度均達(dá)200 m以上，這樣可保證躉船在風(fēng)浪中的穩(wěn)定和移動(dòng)自如，同時(shí)拋錨點(diǎn)位置在塑枕壩體以外部位。拋錨順序?yàn)?外上游錨→里上游錨→里下游錨→外下游錨。上、下游錨纜拋成八字形，以利于定位船移動(dòng)(圖5)。施工定位躉船利用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在施工定位的船頭和船尾選取固定點(diǎn)，通過(guò)控制定位船的個(gè)錨機(jī)來(lái)給施工定位躉船精確定位。

圖5 施工定位躉船拋錨示意圖Fig.5 Positioning for the anchoring of construction barge

5 壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋?zhàn)o(hù)

5.1 尼龍網(wǎng)兜拋投試驗(yàn)次序

尼龍網(wǎng)石兜拋投施工流程與試驗(yàn)前確定的施工方案完全一致，先進(jìn)行壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補(bǔ)，按平均拋厚0.6 m分2次拋投完成，再進(jìn)行壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋?zhàn)o(hù)施工，同樣按平均拋厚0.6 m分2次拋投完成，具體的施工工序和流程是:

水下地形測(cè)量→定位船定位→壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補(bǔ)第1次拋投→拋后水下地形測(cè)量→壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補(bǔ)第2次拋投→拋后水下地形測(cè)量→依次類(lèi)推直至壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補(bǔ)結(jié)束→壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋?zhàn)o(hù)第1次拋投→拋后水下地形測(cè)量→壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋?zhàn)o(hù)第2次拋投→拋后水下地形測(cè)量→依次類(lèi)推直至壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋?zhàn)o(hù)結(jié)束→補(bǔ)拋→竣工測(cè)量。

5.2 壩頂與壩肩尼龍網(wǎng)兜拋投施工定位方法

根據(jù)計(jì)算的拋投提前量對(duì)定位躉船進(jìn)行定位(圖5)，石料運(yùn)輸船按驗(yàn)收噸位和拋區(qū)寬度、厚度，合理安排石料船上檔。本試驗(yàn)給出了石料運(yùn)輸船種掛靠定位躉船的方式(圖6)，組織吊機(jī)進(jìn)行尼龍網(wǎng)石兜拋投作業(yè)。將運(yùn)輸來(lái)的尼龍網(wǎng)石兜采用脫鉤鋼絲繩固定在吊機(jī)扒桿上，到水面自動(dòng)脫鉤。

圖6 尼龍網(wǎng)石兜拋示意圖Fig.6 Schematic diagram of the riprapping with nylon cage

5.3 尼龍網(wǎng)兜拋石試驗(yàn)實(shí)際增厚率計(jì)算

DTM掃測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的壩頂及壩肩尼龍石兜拋投實(shí)際增厚率見(jiàn)表4。

表4 尼龍石兜拋投實(shí)際增厚率統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of the thickening rate of riprap with nylon cage

以上成果是按設(shè)計(jì)補(bǔ)償系數(shù)(實(shí)際拋投石方量/設(shè)計(jì)石方拋投量)1.2進(jìn)行計(jì)算得到的。由于尼龍網(wǎng)兜的束縛作用石塊的散落度得到了較好控制，理論公式計(jì)算的尼龍網(wǎng)石兜漂距值可靠，斷面或單元的拋?zhàn)o(hù)厚度達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)的要求。本次采用尼龍網(wǎng)兜對(duì)壩頂及壩肩進(jìn)行防護(hù)試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期目的。

6 壩坡拋石防護(hù)

6.1 壩坡拋石拋投次序

由于石料船噸位較大，而現(xiàn)場(chǎng)拋?zhàn)o(hù)單元面積下如果平均拋厚0.6 m分2次拋投完成要求頻繁定位并移動(dòng)運(yùn)輸船，給施工和安全帶來(lái)比較大的困難，故在本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用設(shè)計(jì)拋厚1.2 m一次拋投完成，具體的施工工序和流程是:

試驗(yàn)段水下地形測(cè)量→定位船定位→壩上游拋石→第1單元小區(qū)拋石→拋后試驗(yàn)段水下地形測(cè)量→第2單元小區(qū)拋石→拋后試驗(yàn)段水下地形測(cè)量→……→最后單元小區(qū)拋石→拋后試驗(yàn)段水下地形測(cè)量→補(bǔ)拋→水下地形測(cè)量→再補(bǔ)拋→壩下游拋石→第1單元小區(qū)拋石→拋后試驗(yàn)段水下地形測(cè)量→第2單元小區(qū)拋石→拋后試驗(yàn)段水下地形測(cè)量→……→最后單元小區(qū)拋石→拋后試驗(yàn)段水下地形測(cè)量→補(bǔ)拋→水下地形測(cè)量→再補(bǔ)拋→竣工測(cè)量。

6.2 壩坡拋石準(zhǔn)施工定位方法

按公式計(jì)算塊石漂距，然后對(duì)定位躉施工定位后(圖5)，在定位船下舷邊，按標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格設(shè)置的掛檔標(biāo)記，掛靠運(yùn)石船進(jìn)行拋石施工。根據(jù)以往在長(zhǎng)江護(hù)岸拋石工程中施工的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)石船上的塊石由機(jī)械從船側(cè)拋出距離為1.5～2.5 m。因此，采用機(jī)械拋石時(shí)各運(yùn)石船位相互錯(cuò)開(kāi)5.0 m左右，從而保證拋投均勻無(wú)空檔(圖7)。

圖7 拋石船拋投示意圖Fig.7 Schematic diagram of riprapping by ship

6.3 壩坡拋石試驗(yàn)實(shí)際增厚率計(jì)算

DTM掃測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的潛壩壩坡拋石防護(hù)的拋投增量及實(shí)際增厚率見(jiàn)表5。

表5 拋石防護(hù)拋投增量及實(shí)際增厚率統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of the increment and actual thickening rate of riprap

以上試驗(yàn)成果是按設(shè)計(jì)補(bǔ)償系數(shù)1.7計(jì)算得出的，如果拋投系數(shù)采用1.5，按等比縮小可以得到，平均斷面的綜合實(shí)際增厚率為104.8%，整個(gè)潛壩壩坡拋石防護(hù)的平均增厚率為99.0%，仍然可以同時(shí)滿足增加相鄰斷面平均增厚率、單個(gè)斷面平均增厚率2個(gè)控制指標(biāo)的要求。由于塊石屬個(gè)體，單體質(zhì)量相對(duì)小一些，而且塊石大小不均勻，故其散落度大于尼龍石兜。根據(jù)上述的本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，建議在潛壩加固的下一步工作中，壩坡塊石拋?zhàn)o(hù)工程量補(bǔ)償系數(shù)按1.5進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

7 結(jié)語(yǔ)

本文就長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段和暢洲左汊口門(mén)潛壩加固工程的現(xiàn)場(chǎng)定位方法、具體施工工藝、工序和工程量補(bǔ)償系數(shù)的選擇進(jìn)行了試驗(yàn)研究?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總體達(dá)到了初步設(shè)計(jì)的目的，為深水潛壩工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施和建設(shè)管理提供依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為大面積施工進(jìn)行了探索性而有意義的工作。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要取得了以下成果:

(1)本次試驗(yàn)采用的施工設(shè)備和定位方法能滿足工程要求，可以作為后續(xù)工程的施工方案。

(2)推導(dǎo)的公式屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，誤差小，可用于實(shí)際工程的定位計(jì)算。

(3)本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出尼龍網(wǎng)石兜的阻力系數(shù)為1.38，塊石的阻力系數(shù)為1.17。

(4)尼龍網(wǎng)石兜的補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)取1.2，拋石的散落度稍大，其補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)取1.5。

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