透空格柵魚巢排水下拋投控制

王 崢，郭素明

(1.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海200136；2.中交上海航道局有限公司，上海200002)

國家大力發(fā)展長江經(jīng)濟帶的戰(zhàn)略效果顯著，但由于工程建設(shè)引起局部地區(qū)水體交換能力變?nèi)?、水流流速降低，造成了水域浮游動物、魚類及其他處于食物鏈頂端的水生生物生境的變化[1]，許多自然江河的原始水域生態(tài)及環(huán)境遭到了不同程度的改變[2]，對水下生物特別是魚類的棲息和繁衍造成了巨大影響。長江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程Ⅲ標段在生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)采用新型薄壁預(yù)制構(gòu)件透空格柵魚巢排，是在長江大保護的理念下，采用工程措施將河流系統(tǒng)內(nèi)部的生物、水體及土壤三者重新組合的新型工藝，可以在保砂的基礎(chǔ)上通過維持水體與河床間的連通達到對水下微生物環(huán)境進行改善的目的，實現(xiàn)生物與環(huán)境的相互涵養(yǎng)。像透空格柵魚巢排這類小尺寸結(jié)構(gòu)，在投放過程中不可避免地將面臨由水流引起的復(fù)雜水動力荷載，魚巢排的漂移對于控制施工成本及精細化施工均會產(chǎn)生負面影響，由于漂移作用，使得魚巢排進入水下后產(chǎn)生側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)及著地偏移等現(xiàn)象，導(dǎo)致魚巢排著床后局部堆疊、構(gòu)件間距參差不齊、局部構(gòu)件碰撞破損等，這對水域的保砂促淤以及生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水下微生物環(huán)境的再次生成產(chǎn)生不利影響。因而有必要對這類結(jié)構(gòu)的漂移進行合理的估計，進而控制施工質(zhì)量和施工成本。對于拋石一類極小尺度的規(guī)則結(jié)構(gòu)，韓海騫等[3]和李小超等[4]結(jié)合Morison方程給出了拋石漂移距的半解析結(jié)果并通過模型試驗對其進行了驗證。對于魚巢排，由于尺度更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，因此結(jié)合Morison方程對其運動過程直接進行數(shù)值求解，并在現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上驗證模型，結(jié)果表明計算模型可以對魚巢排投放過程中的漂移距進行合理估計。以本文的計算模型為基礎(chǔ)，可將其推廣至預(yù)測大部分水流條件下、任意規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)漂移距，進而控制施工成本和施工質(zhì)量，指導(dǎo)精細化施工。

1 工程概況

工程主要分布在湖北省鄂州市戴家洲水道、湖北省黃岡市鯉魚山水道及江西省九江市張家洲水道，施工區(qū)域總跨度約150 km。工程建設(shè)內(nèi)容主要包括：整治工程、生態(tài)工程、建設(shè)期維護工程、航標及配套工程、臨時工程以及生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)。工程建設(shè)標準為6.0 m×200 m×1 050 m(水深×航寬×彎曲半徑)，部分重點礙航灘段航寬不低于110 m，設(shè)計最低通航水位年保證率為98%。

生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)采用透空格柵魚巢排，選擇張家洲水道北港凸岸串溝區(qū)域進行試點。工程區(qū)域內(nèi)總體按兩組大區(qū)域進行布局，采用吊放工藝進行布置，每組區(qū)域沿橫向布置80件、沿縱向布置25件，每組區(qū)域總布置數(shù)量為2 000件，施工過程中構(gòu)件間按1 m間隔組成陣列形式，生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)共計吊放魚巢排4 000件、總覆蓋面積為3.6萬m2。

2 工作機理

2.1 地點選擇

本次生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)試點建設(shè)區(qū)域的選取主要考慮水域的生態(tài)資源與外部條件兩方面因素。

2.1.1水域條件

考慮到試驗的非典型性，須選取具有足夠的覆蓋面積且具有一定原始規(guī)模生態(tài)資源總量的水域環(huán)境，同時綜合水域環(huán)境中水環(huán)境系統(tǒng)、土壤環(huán)境系統(tǒng)以及生物環(huán)境系統(tǒng)三者的完備程度與水域涵蓋面積的適配性，要求選取的水域涵蓋面積須具有一定規(guī)模。

2.1.2外部條件

水域的外部條件主要指保護試點水域的可行性。因此要求試點水域周邊人類活動相對較少、試驗水域內(nèi)船舶流量相對較小且周圍外界環(huán)境相對安靜。

綜上，將生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)位置選取在張家洲水道北港支汊。此支汊形狀較長、分流量較為可觀，周邊居民以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動為主，支汊所在河段主汊航道條件優(yōu)勢明顯，支汊本身通航需求量不大。

2.2 魚巢排特性和機理

2.2.1結(jié)構(gòu)特性

局部生境改良是生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)建設(shè)的重要組成環(huán)節(jié)。本工程采用透空格柵魚巢排改良局部水下生境，魚巢排布置在水下環(huán)境中，改變了水流形態(tài)、增加水體流動性，有利于浮游動植物聚集，為魚類覓食提供場所[5]。魚巢排為2 m×2 m×0.5 m(長×寬×厚)的田字形鋼混透空格柵，見圖1。

圖1 構(gòu)件尺寸(單位：mm)

2.2.2拋投工藝

魚巢排的吊裝施工主要采取運輸船，配合裝有2臺GPS定位系統(tǒng)的浮吊定位船進行拋投。拋投施工前，運輸船靠檔定位船后，測水深、流速并計算漂移距，然后對定位船進行精準定位。

拋投施工時，浮吊船起吊魚巢排吊架至運輸船艙內(nèi)，人工將吊架自動脫鉤裝置安掛在透空格柵魚巢排的4個掛鉤上，確保起吊后透空格柵魚巢排不會脫鉤后，起吊透空格柵魚巢排，每次起吊1個。浮吊船吊起透空格柵魚巢排旋轉(zhuǎn)至拋投區(qū)域，并根據(jù)吊機拋投一側(cè)甲板上的定位刻度標記確認拋投點。操縱吊機，待透空格柵魚巢排貼近水面時，操縱脫鉤開關(guān)，完成魚巢排拋投。一次拋投完畢后，提升吊車鋼絲繩，收回吊架至運輸船艙內(nèi)，繼續(xù)掛鉤，準備進行下一次拋投。

該結(jié)構(gòu)投入水下后，具有較為穩(wěn)定的著床效果，該水下結(jié)構(gòu)在具備一定的保砂能力的基礎(chǔ)上，通過中部的空腔可以保持水體與河床之間的有效連通，格柵結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面層在水下原生環(huán)境作用下，可以為水下生物、植物提供穩(wěn)定的附著環(huán)境，也可蓄積或綁扎水中的樹枝、蘆葦，從而能夠在空腔內(nèi)形成局部緩流，促進局部微生境改善。水中的樹枝、蘆葦或附著藻類在逐漸降解或更新?lián)Q代的過程中也可一定程度上提升河流近底生境的初級生產(chǎn)力。

3 拋投質(zhì)量分析

魚巢排作為生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)的重要組成部分，其施工質(zhì)量是決定試驗成功與否的關(guān)鍵。實際現(xiàn)場施工的經(jīng)驗表明，除預(yù)制質(zhì)量控制外，安放過程中的質(zhì)量控制顯得尤為重要。魚巢排在吊安施工過程中要考慮船舶吃水、安全距離以及構(gòu)件高度尺寸等因素，受水位影響較大。另外張家洲北港支汊船舶流量較少，本身支汊分流量有限，其航道高低起伏不均勻。經(jīng)過對測圖的分析，綜合考慮控制生態(tài)試驗區(qū)施工水深在10～12 m，局部深水區(qū)可達到14 m，因此水流會對水下自身質(zhì)量較小、且斷面面積較大的薄壁型預(yù)制構(gòu)件的精準安放產(chǎn)生較大影響。

3.1 拋投參數(shù)驗證

3.1.1漂移距公式

構(gòu)件起拋點與著落點之間的水平距離稱為漂移距離。漂移距經(jīng)驗公式反映流速、拋高、水深、不規(guī)則的塊石形狀及塊石質(zhì)量等因素對拋石漂距的影響；同時，考慮水流流速在垂直方向分布的基礎(chǔ)上，通過分析塊石在動水狀態(tài)中的受力特點，推導(dǎo)出水上拋石漂移距離計算公式，并將其現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)、計算結(jié)果和模型試驗數(shù)據(jù)三者進行比較，最終驗證合理。

研究表明，其主要影響因素是構(gòu)件在動水作用下在下沉過程中受到水的阻力；同時也受水流流速的沖擊，因而下落過程中將產(chǎn)生漂移。而魚巢排截面厚度僅為長度的1/20，且側(cè)面面積占比較大，因此在沉放過程中會由于水流影響產(chǎn)生顯著的橫向漂移。施工過程中需要根據(jù)現(xiàn)場測定拋投區(qū)的水深和流速，進一步根據(jù)公式計算和現(xiàn)場試驗綜合確定透空格柵魚巢排漂移距。

根據(jù)經(jīng)驗公式，魚巢排拋入水中，在著落河床之前，在水流作用下，漂移距離Ld與流速v和水深H成正比，可用理論漂移距經(jīng)驗公式(1)進行估算，并通過現(xiàn)場試驗綜合確定。

Ld=0.74vHW-1/6

(1)

式中：Ld為漂移距離(m)；v為表面流速(m/s)；H為水深(m)；W為魚巢排質(zhì)量(kg)。

3.1.2橫流力側(cè)翻

透空格柵魚巢排入水后會受橫向水流力推移、重力作用和水浮力作用，在魚巢排入水姿態(tài)不平衡的情況下，構(gòu)件極易發(fā)生傾覆、側(cè)翻，此現(xiàn)象在構(gòu)件進行水上脫鉤時較為明顯。為了避免構(gòu)件傾覆側(cè)翻現(xiàn)象的發(fā)生，施工中選擇送件入水、水下脫鉤的施工方式。水下脫鉤方式的最佳情況為將預(yù)制構(gòu)件直接沉入水底，待著床后進行脫鉤操作，此時魚巢排的定位控制最為精準?？紤]水深、流速等因素，該方式的安全隱患較大，因此施工過程中需根據(jù)水流橫向力作用計算出最佳入水距離，在避免安全問題的基礎(chǔ)上盡可能減少傾覆、側(cè)翻等現(xiàn)象的發(fā)生；同時，拋投位置點對魚巢排的實際漂移距離有直接影響。構(gòu)件入水后受到重力、浮力及水流橫向力影響，拋投位置越低、拋投初始速度越大、構(gòu)件沉入水底時間越快，則構(gòu)件在水流作用下的橫向推移距離也就越短。

3.1.3經(jīng)驗公式與力學(xué)計算漂移距對比

魚巢排漂移距經(jīng)驗公式(1)的推導(dǎo)中假定魚巢排投放過程中具有恒定的垂向下落速度，并通過Morison公式估計垂向水流力，同時經(jīng)驗公式假定漂移過程中的水平速度始終與水流速度保持一致。對于拋石投放這類問題，該假定具有一定的合理性，即相對水深較大、結(jié)構(gòu)尺度較小的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷短暫的過渡后快速進入穩(wěn)定狀態(tài)與當?shù)厮魍竭\動。但對于魚巢排這類尺度較大的結(jié)構(gòu)，由于相對水深并不大，因此，漂移過程中的過渡階段不可忽略，即魚巢排自投放至觸底的過程中相當長的時間內(nèi)其運動與當?shù)厮鞑⒉煌剑虼擞斜匾獙ζ七^程進行更為精細的分析。相比于經(jīng)驗公式(1)，一方面可以獲得魚巢排的漂移距；另一方面通過對魚巢排運動過程的時域直接求解，魚巢排漂移過程中的運動曲線可以方便地獲得。圖2為魚巢排受力分析。

圖2 魚巢排受力

根據(jù)圖2，透空格柵魚巢排入水后主要受到重力G、浮力FB及水流力Fx、Fy作用，采用Morison公式估計水流力，通過改變唯一變量——水流速度，在同等情況下對比計算數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式數(shù)據(jù)，從而計算出準確的漂移距，保證施工定點拋投的精準度。Morison公式[6]如下：

(2)

式中：F=(Fx，F(xiàn)y)為魚巢排所受水流力合力；ρ為水體密度；V為浸沒水中的體積；U為水流流速；Uc為質(zhì)心速度；CM為慣性力系數(shù)；CD為拖曳力系數(shù)；A為迎流面積，由于魚巢排中間透空，迎流面積應(yīng)按側(cè)面積的3倍進行選??；U為投放過程中的水流流速，取結(jié)構(gòu)質(zhì)心處的水質(zhì)點速度；dU/dt為水質(zhì)點加速度，對于本文涉及的均勻來流工況，該項取值為0；Uc、dUc/dt分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)心的速度矢量及加速度矢量，經(jīng)驗系數(shù)CM、CD可參考海港規(guī)范進行選取并根據(jù)具體工況適當調(diào)節(jié)。

在通過Morison公式對水流力進行估計的基礎(chǔ)上，通過牛頓第二定律對結(jié)構(gòu)的運動過程進行時域求解：

(3)

式中：XC=(XC，ZC)為質(zhì)心坐標；G=(0，-G)為重力；FB=(0，F(xiàn)B)為浮力；M為質(zhì)量。求解過程采用二階精度中心差分[7]對加速度項進行離散，對魚巢排位移進行數(shù)值積分。魚巢排Z向觸底時程序終止，并將此時魚巢排X向位移作為漂移距輸出。需要指出，由于Morison公式中隱含了未知的結(jié)構(gòu)質(zhì)心加速度，因此實際求解過程中需將Morison公式中的慣性力與結(jié)構(gòu)自身慣性力進行合并，即將Morison公式的慣性力項移至等式左端進行計算。另外，本文涉及的流速與水深、魚巢排的轉(zhuǎn)動效應(yīng)與側(cè)向運動并不顯著；同時，施工過程中往往需要通過投放過程的精準化操作避免魚巢排側(cè)翻，因此求解過程中并未考慮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動及側(cè)向漂移的影響。

在具體實施過程中，為保證數(shù)據(jù)的可靠性、實用性及普遍性，將生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)平均劃分為8塊區(qū)域，從中選取6個區(qū)域，每個區(qū)域隨機抽取6組數(shù)據(jù)，共計36組數(shù)據(jù)，計算對比透空格柵魚巢排拋投漂移距。36組數(shù)據(jù)的Morison計算偏移距與理論計算偏移距的數(shù)據(jù)與水深變化關(guān)系見圖3。

圖3 Morison計算偏移距和理論計算偏移距水深比

將Morison計算實測值和理論計算偏移距做差值，并結(jié)合流速變化制作成圖4。根據(jù)圖4曲線分布，本次試驗區(qū)域的Morison實測計算與理論計算偏移差數(shù)據(jù)趨勢較為集中，比值基本在-0.01～0.02波動，并隨水深改變而呈現(xiàn)一定變化規(guī)律。不難看出，在水深較淺的區(qū)域，Morison計算數(shù)值與理論計算數(shù)值比較接近，在施工過程中可做小幅適時調(diào)整以滿足施工精度要求；在實際施工過程中尤其是在水深超過7.5 m后，正負值的變化逐步增大，須根據(jù)實際情況結(jié)合區(qū)間計算結(jié)果的中間值作為偏移修正值，附加在理論漂移距計算公式后進行二次對比修正，保證吊安薄壁構(gòu)件過程中能夠準確定點安放，消除橫向水流帶來的漂移偏移差。

圖4 Morison和理論偏移差值水深比

綜上，在水深、魚巢排構(gòu)件自身質(zhì)量以及浮力不變的情況下，對比力學(xué)計算與經(jīng)驗公式的漂移距離，可以看出，在水深10 m以內(nèi)理論漂移距比實算漂移距相差-7.07%～8.88%，并且以水深7.5 m為界隨著水深的增加偏移距差距逐漸由負轉(zhuǎn)正，并存在一定變大趨勢。因此在施工過程中，可根據(jù)精度要求進行適當偏移，偏移距離建議在原經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上根據(jù)實測值乘以安全系數(shù)5%～10%，并判斷方向，以保證拋投的精確度。

3.2 吊具制作

透空格柵魚巢排的拋投最初采用傳統(tǒng)魚巢磚吊具，吊具自身質(zhì)量大、過于笨重，起吊過程中魚巢排吊具方向控制困難，因此拋投點位置、方向難以控制，操作不便且存在一定安全隱患。

經(jīng)過研究改良，新吊具主骨架仍然為矩形鋼架，其長度3 m、寬度2 m，四角連接吊繩及吊扣，主體框架采用國標14 mm的槽鋼焊接而成，框架內(nèi)加焊槽鋼使吊架更堅固；同時對吊鉤鐵鏈進行調(diào)整，保證其同時受力同時脫鉤。新吊具長寬比縮小，其側(cè)面輔助控制方向的鋼絲工作效率提升，且穩(wěn)定性高、操作便捷。針對松脫鉤系統(tǒng)的調(diào)整，提高吊具各點與構(gòu)件輪廓形狀及主要受力點的切合度，使得預(yù)制構(gòu)件各點受力均勻，保證同起同落，避免在入水姿態(tài)扭翻，保證拋投精準度。吊架見圖5。

圖5 改良吊架

3.3 過程監(jiān)測

傳統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)格圖可以觀測船舶位置及吊架位置。由于生境改造區(qū)域平均水深為10～12 m，魚巢排拋投至著床穩(wěn)定過程受水流影響較大，因此，精準觀測水底魚巢排著床情況及落點分布是質(zhì)量控制的重點。

采用聲吶監(jiān)控系統(tǒng)實時對水下情況進行檢測。聲吶監(jiān)控系統(tǒng)利用聲吶反射原理，將反射信息進行成像反映到屏幕，從而得到實時水下監(jiān)控。水下監(jiān)控情況前后效果見圖6。

圖6 聲吶旁掃

將聲吶裝置安裝在船舶拋投側(cè)，可輻射半徑為30 m的范圍。在魚巢排施工過程中為保證施工精度吊臂施工范圍，根據(jù)定位船大小，輻射半徑一般控制在10～20 m，因此聲吶掃測可完全反映水下魚巢排著床狀態(tài)。通過實時監(jiān)測可迅速反映魚巢排的著床情況，對受水流影響或地形變化區(qū)域可以做到及時調(diào)整，以保證施工質(zhì)量。

4 生態(tài)效果

魚巢排作為一種人工結(jié)構(gòu)對魚類群和微生物群進行生境改良，可以改變水體的理化環(huán)境和生物環(huán)境[8]，而水體理化環(huán)境的改變是新生物區(qū)系形成的前提條件?？刂启~巢排材料、投放規(guī)模、投放時間和管理等人為因素能保證施工質(zhì)量，生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)域水深、底質(zhì)、流速等自然因素的選擇會影響魚巢排對魚類的增殖效果。

魚巢排在精確布設(shè)以后，可以導(dǎo)致大量著生生物、浮游生物生長，為魚類的索餌行為提供便利；魚巢排的透空格柵空隙也可以為小型魚類躲避敵害提供幫助，具有適宜水生動植物繁衍生長的優(yōu)點[9]；同時，小型魚類的聚集也可吸引肉食性魚類群體，當魚巢排水域生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過長時間的穩(wěn)定后，就可以形成穩(wěn)定水下生態(tài)，對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性修復(fù)提供有效幫助。

5 結(jié)語

1)薄壁型預(yù)制構(gòu)件在拋投過程中由于構(gòu)件存在多個規(guī)則的縱向面，在水下受水流橫向作用明顯，基于Morison方程計算與漂移距經(jīng)驗公式進行對比，發(fā)現(xiàn)薄壁型預(yù)制構(gòu)件在水中的運動不能簡單視為質(zhì)點運動，要根據(jù)水流、水深等因素綜合考慮橫向水流力。

2)在橫向水流力的作用下采用Morison公式與經(jīng)驗公式的數(shù)值對比，發(fā)現(xiàn)在拋投漂移距控制過程中需要對原始的漂移距經(jīng)驗公式的計算結(jié)果進行修正，在水深較淺區(qū)域由于下落高度較低，偏差調(diào)整值可在10 cm；當水深超過10 m施工水域，Morison公式計算值與經(jīng)驗公式偏差較大，需根據(jù)現(xiàn)場實際數(shù)值進行二次分析校正經(jīng)驗公式偏移距，從而達到精準拋投控制。

3)新型預(yù)制構(gòu)件拋投過程中應(yīng)逐一拋投，根據(jù)構(gòu)件自身特點及與水接觸結(jié)構(gòu)面形狀制作專門的吊裝用具，保證構(gòu)件在拋投過程中各邊均勻釋放，平穩(wěn)入水，減少側(cè)翻。

4)深水區(qū)域可采用聲吶裝置實施監(jiān)控，可有效反映預(yù)制構(gòu)件著床形態(tài)，以到達輔助現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件精準拋投施工的作用。