沉箱式深水拋石新工藝應(yīng)用研究
——以長江澄通河段老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程為例

翟二生

（江蘇省張家港市水利局，215600，張家港）

老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程位于長江澄通河段瀏海沙水道右岸張家港市沙鋼集團(tuán)海力碼頭群前沿水域，施工區(qū)平均水深超過40 m，水下地形復(fù)雜，水流速度變化快，漲落潮頻繁，拋石施工難度大。為更好地解決傳統(tǒng)水上拋石工藝在大水深情況下精準(zhǔn)拋投到位難的問題，施工單位建造了一艘沉箱式深水拋石專用船，并探索出相應(yīng)施工工藝。目前該設(shè)備已獲國家實(shí)用新型專利，施工工藝被中國水利工程協(xié)會(huì)評(píng)定為箱式準(zhǔn)確定位深水拋投施工工法。

一、工程概況

老海壩節(jié)點(diǎn)位于長江澄通河段瀏海沙水道與如皋中汊兩股水流的交匯頂沖處，歷史上一直是水下沖刷的險(xiǎn)工區(qū)域。20世紀(jì)70年代，張家港專門成立了保坍指揮部對(duì)老海壩區(qū)域進(jìn)行治理，經(jīng)過多年拋石防護(hù)，堤岸向內(nèi)侵蝕坍塌的趨勢基本得到扼制，但水下刷深仍在繼續(xù)。1980—2005年，該段河床平均刷深超過20 m，-50 m沖刷槽基本貫通。工程前海力碼頭群前沿100～220 m范圍內(nèi)水深基本上都超過40 m，其中海力1號(hào)、2號(hào)、8號(hào)等碼頭前沿外側(cè)多處出現(xiàn)-60 m以上深潭，部分岸段水下岸坡陡峭，存在較大安全隱患。

2014年江蘇省發(fā)改委批復(fù)同意老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程初步設(shè)計(jì)，項(xiàng)目正式開工建設(shè)。工程全長約7.2km，整治寬度165～255 m，工程主體內(nèi)容是對(duì)碼頭前沿岸坡直至深槽進(jìn)行水下拋石防護(hù)，設(shè)計(jì)拋石厚度2.0～2.5 m，從碼頭前沿至河床深槽分為防崩層和防沖層兩部分，分別拋投不同粒徑的散塊石，部分區(qū)域拋投網(wǎng)兜石，用以減緩和扼制水下沖刷繼續(xù)發(fā)展，總拋石量230多萬m3，工程概算5億元。工程于2014年7月正式開工，2016年7月基本完成。

二、沉箱式深水拋石設(shè)備及工藝

拋石因其工藝簡單、施工便捷的特點(diǎn)，被廣泛用于長江岸坡整治、航道整治等工程中。目前普遍使用的拋石工藝施工為：將拋石區(qū)域劃分為若干小拋區(qū)，在水上對(duì)拋石船進(jìn)行GPS定位，同時(shí)測量水面流速計(jì)算塊石理論落距，據(jù)此調(diào)整定位船位置，然后在水面上采用人工拋投、挖掘機(jī)機(jī)械拋投或浮吊船拋投等方式將塊石拋入水中。在塊石拋投過程中，特別是在水深較深且水流流速、流向復(fù)雜多變區(qū)域，塊石落距往往難以精準(zhǔn)控制。在老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程實(shí)施初期，考慮到施工水域水深流急，施工單位成功改裝了一艘沉箱拋石專用設(shè)備船，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，探索出一套比較成熟可靠的施工工藝，并在老海壩一期和二期工程施工中廣泛使用，效果良好。

該沉箱式深水定位拋石船由普通運(yùn)輸船改裝而成，船體長約30 m，寬約13 m，船體中段為加強(qiáng)型開底結(jié)構(gòu)，配備2個(gè)長10 m、寬 4 m、深 1.5 m的獨(dú)立沉箱，每只沉箱重量約為25 t，內(nèi)部分隔為10個(gè)2 m×2 m的網(wǎng)格。沉箱底部為可控啟閉的對(duì)開門構(gòu)造，沉箱前后甲板上各配備2臺(tái)電動(dòng)絞車等裝置，用于控制沉箱的下降、提升及箱底啟閉。甲板后部裝有吊機(jī)1臺(tái)，用于起吊裝載塊石，甲板前部安裝有水深測深儀和GPS定位系統(tǒng)。沉箱裝好塊石后，通過GPS和錨機(jī)調(diào)整拋石船位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，然后同步啟動(dòng)前后電動(dòng)絞車，松開鏈輪使箱體緩慢下沉，箱體下降深度根據(jù)水深和配套標(biāo)尺讀數(shù)進(jìn)行控制，在箱體底部距河床4～5 m時(shí)，兩邊4路鏈輪限位支擋，中間4路繼續(xù)下降到距河床2 m左右，深箱底部雙開門打開，石塊自行滑落在河床上，然后再依次提升中間4路鏈輪關(guān)好底門，打開限位支擋提升箱體，歸檔回升至艙口面，隨即進(jìn)行下一次塊石灌裝及下沉提升，如此循環(huán)操作。老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程中使用的雙沉箱拋石船一次沉放提升循環(huán)可完成拋投塊石100 m3，在河床指定位置形成面積40 m2的塊石防沖體。

圖1 沉箱式深水拋石船水下定位拋石示意圖

圖2 沉箱式深水定位拋石主要工藝流程

三、工藝主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)水上拋石方法相比，沉箱式深水定位拋石新工藝有以下幾方面特點(diǎn)：

一是有助于提高拋石精準(zhǔn)度。傳統(tǒng)水上拋石工藝一般是通過測量施工區(qū)域水流表面流速，代入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出一定粒徑塊石的理論拋投落距，然后通過錨機(jī)調(diào)整拋石船到相應(yīng)位置進(jìn)行定位和拋投作業(yè)。目前計(jì)算漂距通常使用的經(jīng)驗(yàn)公式為長江水利委員會(huì)編制的《長江中下游護(hù)岸工程技術(shù)要求》中的S=0.8VH/W1/6。式中，S為塊石落距 （m），V為垂線平均流速（m/s），H 為拋石區(qū)域水深（m），W為代表性塊石重量，有的設(shè)計(jì)方案中直接給出了流速、水深、塊石粒徑與漂距之間的經(jīng)驗(yàn)值，查表即可。但在實(shí)際施工過程中，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的理論落距與實(shí)際漂距總會(huì)存在一定偏離，特別是在大水深情況下誤差更大。一方面，同一位置水體流速隨水深不斷變化，常規(guī)以測量水體表面流速計(jì)算所得的塊石漂距與實(shí)際必然有一定偏差；另一方面，經(jīng)驗(yàn)落距計(jì)算公式中的重量W一般取代表性塊石重量，但實(shí)際上設(shè)計(jì)方案中塊石粒徑往往要求是一個(gè)區(qū)間數(shù)，現(xiàn)實(shí)塊石也不可能大小一致，比如老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程設(shè)計(jì)方案中明確的防崩層塊石粒徑區(qū)間為0.16～0.40 m，相應(yīng)重量為 5～100 kg，護(hù)坡防沖層塊石粒徑為0.50～0.65 cm，相應(yīng)重量為150～300 kg，以代表性塊石重量計(jì)算落距進(jìn)而指導(dǎo)拋石船定位，與實(shí)際情況必然會(huì)有一定偏差。由于以上原因，將大小不一的塊石比較精準(zhǔn)地拋投到指定網(wǎng)格拋區(qū)內(nèi)，難度往往比較大，在大水深條件下更是如此。而沉箱式定位拋石新工藝的一大特點(diǎn)就是讓裝載塊石的沉箱下沉接近河床底部2 m左右時(shí)打開底部倉門，讓塊石自然滑落到河底，相當(dāng)于在2 m水深區(qū)域進(jìn)行水面拋石，由于塊石從打開倉門至落到河底時(shí)間很短，產(chǎn)生的漂距也就十分有限，近似于將塊石“安放”在河床上。因此，這種施工方法可以較好地克服大水深情況下塊石漂距難以精確掌控的問題，達(dá)到比較精準(zhǔn)定位拋投到預(yù)定網(wǎng)格小拋區(qū)內(nèi)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

二是有助于提升拋石均勻度。目前，國內(nèi)長江平順護(hù)岸拋石施工主要采用平板駁配合挖機(jī)或深倉駁配合浮吊船掛包的施工工藝，通過劃分拋投小網(wǎng)格，多次測算落距、頻繁移動(dòng)拋石船、分層多次拋投來控制拋投厚度和拋投均勻度。在施工過程中，由于種種因素制約，水下拋石覆蓋情況大都呈現(xiàn)整體連續(xù)基礎(chǔ)上的高低起伏形態(tài)，很難達(dá)到比較均勻的理論設(shè)計(jì)情況，評(píng)價(jià)拋石均勻度的指標(biāo)也大都比較寬泛。沉箱式深水拋石船施工時(shí)塊石漂距較小，定位拋投準(zhǔn)確度高，一次拋投即可在水下形成面積較大且比較均勻的覆蓋面，循環(huán)作業(yè)即可形成比較連續(xù)、平整規(guī)則的水下防沖體。老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程的實(shí)際測量結(jié)果表明，使用該工藝完成的水下拋投區(qū)域塊石連續(xù)性好，均勻度也較水面拋石作業(yè)有比較明顯的提高。

三是有助于提高拋石效率。傳統(tǒng)的水上散拋石施工工藝一般遵循測流速—計(jì)算漂距—施工躉船移位—實(shí)施拋投等過程。在老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程施工水域，水流流速持續(xù)動(dòng)態(tài)變化，每天有兩次漲潮、兩次落潮，流向也經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)換。使用傳統(tǒng)施工方法頻繁進(jìn)行流速測量和拋石船重新移位、定位很浪費(fèi)作業(yè)時(shí)間，同時(shí)考慮到拋石精度要求，設(shè)計(jì)方案確定的拋投流速控制范圍為不大于1.5 m/s，實(shí)際施工中從嚴(yán)掌握至不大于1.0 m/s。這些因素導(dǎo)致老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程建設(shè)過程中，用傳統(tǒng)水上拋石方法施工作業(yè)時(shí)間大大受限，作業(yè)效率較低。采用沉箱式深水拋石船進(jìn)行施工時(shí)，由于受潮汐轉(zhuǎn)換、水流流速變化等因素影響較小，基本上可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)，施工便捷性和效率有較大提高。

四是定位成型施工優(yōu)勢突出。河道防沖刷治理過程中經(jīng)常用到的丁壩、潛壩等水下工程，通常設(shè)計(jì)要求拋投成一定底寬和坡比的條帶形狀。由于前述相關(guān)因素制約，使用傳統(tǒng)水上拋投工藝很難精確控制大小不一的塊石落距，定位拋出規(guī)定尺寸及形狀的拋石體困難很大。為了實(shí)現(xiàn)定位成型設(shè)計(jì)目標(biāo)，往往需要采用增加額外拋投量的辦法。沉箱式深水拋石船及工藝受水深、流速、塊石粒徑大小不一等因素影響較小，定位拋投準(zhǔn)確性高，塊石損耗率低，在成型要求高的拋石項(xiàng)目施工中具有明顯的優(yōu)勢。

四、結(jié) 語

沉箱式深水定位拋石工藝采用可在水中升降和啟閉的專用沉箱，待接近河床表面時(shí)將所裝載塊石平穩(wěn)地“安放”在設(shè)計(jì)拋投網(wǎng)格內(nèi)，與傳統(tǒng)水上拋石施工方法相比，具有拋投精度高、均勻度好、效率高等特點(diǎn)，特別是在大水深及流速流向變化大的施工條件下優(yōu)勢更加明顯。 ■