新型透空式六面體在南匯東灘促淤二期工程中的應用

張靜

摘 要：基于已有的研究數(shù)據(jù)，為降低海岸工程對天然材料的依賴度，尋找可替代的人工材料，同時降低工程成本。將大體積新型六面體應用在南匯東灘促淤二期工程中，構筑透空潛堤，代替以往以拋石為代表的實心潛堤，同樣能起到消浪促淤的效果。

關鍵詞：六面體；促淤；應用

中圖分類號：U654 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）06-0066-02

在港口海岸工程中常修筑潛堤來達到促淤、護岸、防浪、導流等目的。潛堤的結構形式較多，有矩形、半圓形、梯形、槽形、斜坡形等。無論是哪種形式的潛堤，目前大多采用的是實心結構。隨著各大港口規(guī)模的發(fā)展壯大，保灘促淤需求不斷增多，若依然采用傳統(tǒng)的拋石等實心結構，則對天然材料需求將不斷增大，工程造價將居高不下。為了節(jié)約工程成本，在工程建設中減少對天然材料的依賴，新型材料——六面體應運而生。

2014年馮衛(wèi)兵已經(jīng)研究證明實心堤與六面體構筑的透空式潛堤并無很大差異，透空式潛堤一樣能滿足消浪要求，能對潛堤后方水域起到很好的保護作用，透空式潛堤相對于實心潛堤而言，不僅可以節(jié)省原材料、降低工程造價，還可以保證海域水質，這進一步說明了透空式潛堤的實用性。

就本工程而言，上海地區(qū)可供開采的礦山較少，塊石、砂土等材料供應緊張，如果采用遠距離供應塊石等材料，必將大大增加工程造價。同時，工程區(qū)域屬于軟土地基，潛堤建成后極易產(chǎn)生較大沉降，尤其是不均勻沉降，影響堤身結構的穩(wěn)定性。因此，人工替代材料以及修建在軟基上的建筑物應最大限度地減輕堤身自重，同時有利于促淤保灘。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南匯東灘促淤二期工程位于浦東機場外側促淤區(qū)以南的沒冒沙水域，以及大治河延伸段以南的-2～-3m 高程（吳淞零點為基準，下同）以上的南匯東灘灘地，南側邊界以臨港新城大堤與原南匯東灘四期大堤交匯點為界。六面體堤身段的形成為本工程的主要施工內容。

1.2 工程內容及結構形式

六面體為1.8×1.8×1.8m的中間鏤空的方型塊體，單重約為10.0噸，組成材料為素混凝土，強度為C30，單個實體體積4.32m3，六面體數(shù)量共計21345。

六面體結構見圖1，六面體堤身段結構見圖2，六面體堤三維視圖見圖3。

2 主要技術難點

2.1 堤身高度不確定

由堤身的設計斷面圖可以看出，六面體直接安放在護底軟體排上，護底軟體排隨河勢高低起伏，故堤身高度因河勢的起伏為一變值。

六面體為固定尺寸的大型預制構件，很難通過增加六面體的安放數(shù)量及層數(shù)來調節(jié)堤身高度。特別是堤身高度發(fā)生較小變化時，增加一層塊體頂標高則太高，且會增加成本，而減少一層塊體頂標高則太低，不滿足設計要求。通過何種手段來調節(jié)高度以達到既滿足設計要求又節(jié)約工程成本是本工程需要解決的技術難點之一。

2.2 塊體水下定位困難

六面體斜坡堤的堤身底部護底軟體排的標高一般在-1.4m～-2.9m之間，施工區(qū)域的潮位介于+0.5m～+4.5m之間，因此有2～3層的塊體始終處于水下，施工過程中塊體入水后就無法觀測到塊體的具體位置。而六面體的安放原則是為“質心定點、姿態(tài)隨機”，即要求底層六面體的位置基本準確，其余幾層的塊體質心應基本準確，不能有較大偏差，但水下六面體的位置人工無法觀測到。如何使六面體準確定位成為本工程的技術難點之二。

3 技術難點的解決

對于以上兩個難點，只有考慮通過調整透六面體質心間距來調整堤身空隙率和高度。六面體安放原則為分層安放，層與層之間呈梅花型擺放，上一層塊體始終放在下一層四個塊體中央。這樣使其塊體之間孔隙率達到最大值，然后通過調整最底層塊體的縱橫中心間距，使上層塊體下臥于下一層塊體的嵌入深度發(fā)生變化，從而使方塊層高發(fā)生變化來達到堤身高度發(fā)生變化而后保證堤頂高程值的目的。

3.1 室內模型試驗

3.1.1 實驗目的

通過模型試驗，驗證設計堤身所達到的孔隙率。為保證所建造堤身頂部標高均勻一致，確定不同灘底標高斷面最底層六面體拋放的質心間距。

3.1.2 模型建立

（1）模型比例為1：20，六面體為7.5×7.5×7.5cm方鋼結構；沙盤為1.0×0.8m，將1.0m確定為堤身寬度，相當于20m。將0.8m方向確定為堤身縱向長度，相當于16m。

（2）斷面建立為在橫斷面的模型玻璃上1：20比例縮放，標注尺寸并在堤頂預留沉降標高0.3m（頂高為4.0m，設計頂高為3.7m）。

3.1.3 試驗內容

第一層預制塊模型為規(guī)則擺放，塊體間距暫按11cm（在試驗底標高情況下，每個斷面均勻布設7塊，塊體間距約為11cm，二層以上部分按“梅花”形式擺放，且根據(jù)實際空隙調整塊體的擺放位置，將整個斷面擺放至飽滿狀態(tài)，具體見圖4。

3.1.4 試驗結論

本階段經(jīng)過20次模型塊體擺放試驗，試驗斷面層數(shù)對應塊體數(shù)量詳情見表1：

通過調整底層塊體的行、列間距，使相鄰層塊體間的嵌入深度有所變化，已調節(jié)堤身孔隙率和堤身總高度。根據(jù)不同區(qū)段、不同灘底高程對應試驗模塊縱、橫向距離、斷面層數(shù)及計算壩體孔隙率，詳情見表2：

3.1.5 試驗結論分析

根據(jù)設計給出的的56%孔隙率反推其擺放預制塊數(shù)量為73塊；有規(guī)則擺放為74塊；從擺放結論上得出本次模型試驗與設計的給出的結果吻合。

3.2 通過典型施工驗證施工參數(shù)

3.2.1 典型施工計劃

設置50米典型施工段，對室內模型試驗的參數(shù)進行驗證和調整，同時對安裝工藝進行必要的檢驗，為大規(guī)模安裝提供合理參數(shù)、優(yōu)化施工工藝，保障工程順利實施。

3.2.2 典型施工

本工程先進行典型施工，邊摸索邊施工，安裝期間出現(xiàn)底部滑移現(xiàn)象，頂面高程不能一次性加高至計劃高程，在兩側拋石棱體完成后，繼續(xù)加高至4.2～4.8米高程，預計將安裝970只塊體。

成型斷面能保證頂層塊體不少于3個，相鄰塊體高差能夠控制在50cm以內。

施工期間基本能夠保證底層塊體安裝位置準確、分布均勻，未發(fā)現(xiàn)排布破壞現(xiàn)象；二層塊體斜插嵌套，露出水面部分基本都是斜面嵌套，很少出現(xiàn)塊體水平放置。

測量檢查：人工摸索登上塊體，為了在有限的時間內全面測量，每個塊體測量對角兩個點，以一點定位、一點定向的方式確定塊體的位置和方位，成圖后與理論塊體位置形成對比，便于直觀地反映現(xiàn)場情況。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制塊體位置圖，采用模型進行室內復原，將現(xiàn)場的安裝情況在室內再現(xiàn)。塊體中心間距橫向最大值為2.60m，最小值為2.20m；縱向最大值為2.37m，最小值為2.02m；兩側塊體的邊角均超出理論邊線范圍，平均超出0.21m。塊體實際安放中心位置最大偏移0.26m，最小偏移0.01m。

3.2.3 典型施工對后期施工的指導意義

（1）在典型施工中，發(fā)現(xiàn)塊體加高過程中出現(xiàn)底層滑移現(xiàn)象，所以對施工流程做調整：

施工工藝流程：a、砼連鎖排鋪設；b、水平安放底層塊體；c、拋投兩側拋石棱體；d、進行二層及以上塊體加高。

（2）通過本次試驗可以確定現(xiàn)有施工工藝能夠滿足設計要求。

（3）安裝完成的部分塊體已經(jīng)長出青苔，給人工攀登帶來更大困難，后期整修應以增加補充為主，不宜對已安放塊體重新起吊。

（4）安放完成的底層塊體不能露出水面，設置的警示標志難以阻擋船舶進入，存在很大安全隱患，施工組織上要盡量減小流水步距，降低安全風險。

3.3 采用3GPS定位系統(tǒng)進行定點安裝

定位船選用平板吊機船，利用船載雙GPS導航系統(tǒng)對船舶的位置和方向進行準確定位，保證船舶在風浪中的平面搖擺幅度不大于30cm，風浪過大時暫停施工。

定位吊機船吊機臂頂部安裝一臺GPS接收機，用無線傳輸方式與吊機駕駛室的電腦相連，通過電腦顯示屏確定吊鉤所在位置，到達計劃拋投區(qū)域時進行定點準確拋投。

運輸船舶選用1000噸級左右的平板駁船，在高潮位時靠檔定位船，拋投時，分區(qū)定位拋沉。底層每塊六面體按室內試驗分段劃分網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進行編號，吊機逐格進行拋投，一個區(qū)域完成后，由定位船松緊錨纜進行移位，再進行下一個區(qū)域進行拋投。

4 施工方法

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程：開工前測量、掃海清基→底層通長沖砂管袋鋪設（同步底層透空里面提預制）→混凝土聯(lián)鎖塊軟體排鋪設→底層六面體安裝→堤角拋石棱體拋理→二層及以上六面體安裝。

4.2 安裝方法

六面體底層全部水平放置（采用雙吊點），質心位置根據(jù)每標準段的灘地高程計算確定，現(xiàn)場采用GPS控制。第二層開始塊體采用定點隨機安放，塊體角插入相鄰塊體中，但同時應確保塊體角不直插至底層排體，以免損壞已鋪設的排體。

4.2.1 底層六面體的安放

底層六面體采用水平吊裝，吊起后偷空六面體呈水平狀態(tài)，以保證安裝后六面體呈水平狀態(tài)安裝間距由模型試驗的結果確定；吊裝船順堤軸線停，根據(jù)GPS顯示數(shù)據(jù)移船位；按模擬試驗所確定的縱、橫向間距，將參數(shù)輸入電腦，完成程序設置；吊起六面體，按電腦屏幕顯示的六面體理論位置和實際位置，移動吊臂，安放方塊，安放時盡量確保塊體能水平著底。圖5為六面體底層安放斜視圖，圖6為吊機操作室電腦界面。

4.2.2 第二層及其上各層六面體的安放

第二層及其以上的六面體采用單點吊，吊起后塊體呈傾斜狀態(tài)；第二層及其以上的六面體的安放步驟與第一層相同，但橫向安放行數(shù)為：若第一層為n行，則第二層為n+1行，第三層為n行，其后每增加一層行數(shù)減少一排；相鄰兩層的六面體從平面看呈梅花型布置，即上層塊體均安放在其下層塊體的空檔處。圖7為第二層以上吊裝示意圖。

4.2.3 水面附近及以上六面體的安放

安裝水面以上六面體時，除按間距控制外，還需結合實際情況，將塊體安放在下層塊體的空隙處，以確保上層塊體的穩(wěn)定性。六面體斜坡堤的堤頂滿足頂寬及安放三塊塊體的要求。

在吊放過程中應保證構件的均勻受力，要求輕吊輕放，采取防撞措施，避免碰壞構件棱角。

由于大部分區(qū)域需要在高潮時安裝，安裝面處于水下，只能進行隨機安裝。最下面一排塊體坡腳位置利用GPS根據(jù)模型試驗確定的縱橫間距準備定位，其它坡面上，從下向上依次安裝，頂部安裝時盡量利用露出的時間，保證頂面每個斷面有三塊六面體。

六面體內部隨機拋投，表面根據(jù)設計斷面進行精確安裝，保證壩體外形與設計相符，安裝后的效果如圖8所示。

5 工程效應

大體積透空式六面體在南匯東灘促淤二期工程中的應用，進一步證實新材料、新工藝在促淤保灘工程中的重大意義。通過兩期工程的實施，對材料及工藝的不斷調整，將最大限度的發(fā)揮新材料的作用。透空式六面體的應用，降低了對天然材料的依賴程度，使今后缺乏天然材料地區(qū)的促淤工程不再受天然石料限制，為城市港口海岸建設作出重要貢獻。南匯東灘促淤二期工程的順利實施，將完成促淤面積約6.6萬畝，為后期的圈圍造地工程奠定基礎。透空式六面體的實際應用證明透空式潛在缺乏天然石料的城市港口建設中，將發(fā)揮巨大的作用，為其他區(qū)域促淤工程的實施提供基礎數(shù)據(jù)的積累及寶貴的經(jīng)驗。

參考文獻：

[1] 馮衛(wèi)兵，厲佳卉，曹海錦，張俞.一種新型透空式潛堤消浪促淤特性試驗研究[J]. 水運工程，2014（1）.

[2] 鄭榮平，李建軍.塊體斜坡地施工技術[J]. 水運工程，2006（S2）.

[3] 李杰.南匯東灘促淤工程南區(qū)設計波浪要素研究[J]. 水道港口，2012（3）.