河道整治工程中袋裝砂土枕試驗(yàn)方案的分析

季 駿，徐文婕，鮑中秋

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 工程簡(jiǎn)介

工程內(nèi)容：洲頭右緣深槽采用袋裝砂土枕回填，外層1.0 m厚聚丙烯網(wǎng)兜塊石覆蓋防護(hù)；洲頭右緣深槽防護(hù)為三級(jí)復(fù)式斷面，頂高程為-5 m，頂寬為5 m，坡比1∶3，二級(jí)平臺(tái)頂高程-15 m，寬5 m，坡比1∶3，三級(jí)平臺(tái)頂高程-25 m，寬10 m，坡比1∶3；坡腳水下拋石防護(hù)，拋石設(shè)計(jì)寬度30 m，厚度為2.0 m。砂料取自左汊進(jìn)口黃家洲邊灘。

2 試拋區(qū)域的選擇

試拋區(qū)域選取的原則：

（1）本標(biāo)段與二標(biāo)、五標(biāo)相鄰，試拋區(qū)域應(yīng)盡量避免影響相鄰標(biāo)段的施工。

（2）拋枕施工遵循先上游后下游，先深泓后淺灘，先遠(yuǎn)岸后近岸的原則。

（3）拋枕施工時(shí)必須劃分小區(qū)，準(zhǔn)確定位，定量拋投。

（4）試驗(yàn)區(qū)域應(yīng)在施工區(qū)內(nèi)有代表性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能具有指導(dǎo)作用。

試拋區(qū)域的選擇：

（1）對(duì)施工區(qū)域劃分小區(qū)。本工程的拋枕船為開(kāi)底駁，根據(jù)船艙尺寸將施工區(qū)劃分為30 m×30 m的區(qū)格。

（2）二標(biāo)、五標(biāo)銜接段的影響。二標(biāo)位于本標(biāo)段（六標(biāo)）下游，銜接段必須先施工二標(biāo)的軟體排再施工六標(biāo)的袋裝砂枕；五標(biāo)位于六標(biāo)的上游，銜接段必須先施工五標(biāo)的袋裝砂枕再施工六標(biāo)的袋裝砂枕。因此試拋區(qū)域只能選擇在六標(biāo)段的下游。

（3）試驗(yàn)區(qū)域的代表性。施工區(qū)域高程-5～-41 m，考慮到岸坡較陡，砂枕可能往江中滑落，因此選擇相對(duì)平坦的三塊區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，試拋一區(qū)高程-33～-41 m，試拋二區(qū)高程-17～-29 m，試拋三區(qū)高程-31～-34 m。

（4）試驗(yàn)區(qū)域施工順序。遵循砂枕施工的原則，按試驗(yàn)一區(qū)→試驗(yàn)二區(qū)→試驗(yàn)三區(qū)的順序進(jìn)行施工，如圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)平面位置圖

3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)內(nèi)容：①砂枕的漂距與水深、流速、流向之間的關(guān)系；②砂枕落地的成型分布情況；③砂枕充填時(shí)間與充盈度之間的關(guān)系。

3.1 砂枕的漂距與水深、流速之間的關(guān)系

砂枕落入水中后，會(huì)沿水流方向向下游漂移一段距離后才能落至河床，在定位船施工前，必須測(cè)定落距，落距的測(cè)定方法如下：

受水流流速V、砂枕自身重量W和水深H諸因素的影響，拋投砂枕時(shí)勢(shì)必沿水流方向向下有一段的漂移量。

試驗(yàn)方法如下：

①定位船定位后，通過(guò)流速儀測(cè)量流速V，同時(shí)采用測(cè)深儀測(cè)量斷面處水深H。②充填砂枕后，測(cè)定砂枕重量W。砂枕重量W通過(guò)測(cè)砂枕填充后寬度、厚度、長(zhǎng)度，計(jì)算出砂枕體積，乘以密度求得。③拋投砂枕，通過(guò)砂枕上系的浮球，測(cè)定漂距S。漂距S通過(guò)起拋點(diǎn)坐標(biāo)與砂袋落點(diǎn)處浮球坐標(biāo)計(jì)算求得，砂袋起拋點(diǎn)確定：在開(kāi)底駁內(nèi)，取砂袋正中間位置，扣上繩索及浮球，該處為起拋點(diǎn)，用GPS采集坐標(biāo)。砂袋落點(diǎn)確定：先用測(cè)深儀測(cè)水深，再通過(guò)收緊浮球上的測(cè)繩，調(diào)節(jié)浮球位置直至測(cè)繩讀數(shù)與水深一致，該處即為砂袋落點(diǎn)，用GPS采集坐標(biāo)。④再通過(guò)漂距經(jīng)驗(yàn)公式S=KVH/W1/6，反算得出K值。

式中：

K-系數(shù)

S-砂枕縱向水平漂距，m；

V-施工時(shí)拋枕部位水面流速，m/s；

H-拋區(qū)相應(yīng)水深，m；

W-砂枕重量，kg。

計(jì)劃拋投五次，取得五組數(shù)據(jù)，計(jì)算得出的5個(gè)K值取平均值，用作為漂距量計(jì)算的參考值。

試拋砂枕落距的測(cè)定方法如圖2所示。

圖2 砂枕落距測(cè)定示意圖

3.2 砂枕落地的成型分布情況

本次選定三個(gè)試驗(yàn)拋區(qū)，每個(gè)拋區(qū)為30 m×30 m，拋填厚度2 m，即1 800 m3。通過(guò)多波束對(duì)試驗(yàn)拋區(qū)及周?chē)?0 m×90 m范圍）的拋填前后水下地形測(cè)量，確定試拋區(qū)域?qū)嶋H拋填量，以及周?chē)總€(gè)區(qū)域的拋填量，分析砂枕落地的分布規(guī)律。

3.3 砂枕充填時(shí)間與充填度之間的關(guān)系

本次砂枕的充填度不小于70%，施工時(shí)如何能在最短的時(shí)間內(nèi)充填達(dá)到設(shè)計(jì)要求是砂枕充填的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

砂枕充填分為充枕，排水兩道工序，計(jì)劃先充枕至袋口出砂，記錄充枕時(shí)間t1，然后靜置排水，記錄排水時(shí)間t2，測(cè)量砂枕長(zhǎng)寬高，計(jì)算充填度。通過(guò)調(diào)整充枕時(shí)間t1、排水時(shí)間t2，形成多組數(shù)據(jù)，找出最短時(shí)間充枕達(dá)到設(shè)計(jì)充填度的方法。

4 施工準(zhǔn)備

4.1 機(jī)械人員配備

現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械有：1艘拋枕船、1艘定位船、1艘吸砂船、2艘運(yùn)輸船、1艘交通船、1艘警戒船、充砂設(shè)備3套；人員有：定位施工員2人、吸沙船4人、運(yùn)輸船4人、交通船3人、警戒船2人、拋枕船10人。

4.2 材料準(zhǔn)備

本公司派專(zhuān)人聯(lián)系砂袋供應(yīng)事宜，保證砂袋及時(shí)供應(yīng)，施工前將所用砂袋布送到有專(zhuān)業(yè)檢測(cè)資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，準(zhǔn)許進(jìn)場(chǎng)。砂料在指定取砂區(qū)取砂。

5 試驗(yàn)工藝流程

袋裝砂土枕拋投試驗(yàn)工藝流程：試驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)格劃分→定位船定位→充填砂枕→拋投砂枕→定位船移位→充填砂枕→拋投砂枕→水下地形測(cè)量。拋枕船采用開(kāi)底駁，緊靠定位船固定。

5.1 試驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)格劃分

根據(jù)施工圖和拋枕船的大小，將試驗(yàn)區(qū)域30 m×30 m分為寬3 m條形區(qū)格（小區(qū)格）進(jìn)行拋投，每個(gè)船位依次錯(cuò)開(kāi)3 m，如圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)網(wǎng)格劃分圖

5.2 定位船拋錨

拋錨順序：外上游錨（領(lǐng)水錨） →里上游錨→外頂頭錨→里頂頭錨→里下游錨→外下游錨。

拋錨時(shí)上、下游錨纜應(yīng)拋成八字形，以利定位船里外移動(dòng)。定位船拋錨、定位情況如圖4所示：

圖4 定位船拋錨，定位情況

5.3 定位船定位

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定提前量后將定位船定在大致位置和方向后，即開(kāi)始定位船的拋錨定位。拋錨順序?yàn)椋和馍嫌五^——里上游錨——外頂頭錨——里頂頭錨——里下游錨——外下游錨。錨具采用2 t左右的霍爾錨，鋼纜直徑為Ф20，并拋成八字形，利于定位船移位，如圖5。

圖5 定位船定位示意圖

定位船定位后，拋枕船及運(yùn)砂船靠在定位船兩側(cè)，定位船上安裝有三根扒桿，直接將充砂設(shè)備吊至運(yùn)砂船，即可開(kāi)始砂袋充填。

5.4 砂袋制作、運(yùn)輸

砂枕施工所用材料主要是高強(qiáng)長(zhǎng)絲機(jī)織土工布，因此，控制好沙袋質(zhì)量是砂枕施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵所在。

進(jìn)場(chǎng)后，立即聯(lián)系專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)高強(qiáng)長(zhǎng)絲機(jī)織土工布的生產(chǎn)廠家按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行試生產(chǎn)，經(jīng)檢測(cè)合格后再進(jìn)行生產(chǎn)，投入使用。為了保證沙袋的質(zhì)量，嚴(yán)禁將沙袋沿地面拖拽，防止沙袋刮擦、破損。

制作好的沙袋運(yùn)輸采用交通船運(yùn)輸，搬運(yùn)時(shí)輕拿輕放，以免沙袋刮擦破損，充沙前經(jīng)過(guò)質(zhì)檢員的復(fù)檢后方可充沙。

5.5 砂料運(yùn)輸

砂料在指定區(qū)域取砂，采取的砂料用專(zhuān)用鐵駁船裝運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)。運(yùn)輸路線按照滿(mǎn)載時(shí)在施工區(qū)內(nèi)從遠(yuǎn)岸靠近定位船，空載時(shí)從近岸側(cè)回到采砂區(qū)（該路線已通過(guò)航道審批）。

5.6 充填砂枕、拋投

充填砂枕作業(yè)在拋枕現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，工藝流程如下：展鋪沙袋，檢查枕袋完好狀況——連接充砂管，扎緊充砂袖口——開(kāi)動(dòng)吸沙泵和高壓水槍進(jìn)行充砂——砂枕排水、二次充沙——充盈度達(dá)到要求，停止充填，拔出充砂管，扎牢充砂袖口——檢查枕體狀況完好，砂枕制成——拋投。

5.7 試拋后斷面測(cè)量

試驗(yàn)斷面完成后，立即進(jìn)行拋后斷面測(cè)量，采用多波束測(cè)量試驗(yàn)區(qū)域水下地形，測(cè)量過(guò)程中確保做好定點(diǎn)測(cè)量，與拋前水下地形形成對(duì)比數(shù)據(jù)。

6 試拋進(jìn)度計(jì)劃

本次砂枕試拋試驗(yàn)計(jì)劃9天完成，試拋工程量5 400 m3。

第一天：漂距試驗(yàn)，試拋區(qū)域拋前水下地形測(cè)量，試驗(yàn)一區(qū)拋投砂枕400 m3。

第二天：試驗(yàn)一區(qū)拋投砂枕800 m3。

第三天：試驗(yàn)一區(qū)拋投砂枕600 m3，移船至試驗(yàn)二區(qū)。

第四天：試驗(yàn)二區(qū)拋投砂枕800 m3。

第五天：試驗(yàn)二區(qū)拋投砂枕800 m3。

第六天：試驗(yàn)二區(qū)拋投砂枕200 m3，移船至試驗(yàn)三區(qū)，試驗(yàn)三區(qū)拋投200 m3。

第七天：試驗(yàn)三區(qū)拋投砂枕800 m3。

第八天：試驗(yàn)三區(qū)拋投砂枕800 m3。

第九天：拋后水下地形測(cè)量，根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析試拋情況，得出相關(guān)參數(shù)。

7 試驗(yàn)結(jié)論說(shuō)明

7.1 拋投方式的適應(yīng)性

闡述定位船、拋枕船在施工過(guò)程中的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，包括定位船的定位、拋枕船施工時(shí)人員的安全、砂袋的質(zhì)量，施工的效率。

7.2 運(yùn)砂船行進(jìn)路線的安全性

通過(guò)試拋施工時(shí)運(yùn)砂船的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，判斷運(yùn)砂船行進(jìn)路線的選擇是否安全可靠。

7.3 定位船、運(yùn)砂船、拋枕船之間的?？糠绞绞欠窈侠恚┕な欠窳鲿?；與二標(biāo)、五標(biāo)之間是否存在干擾。

7.4 漂距公式的推導(dǎo)

通過(guò)在不同流速、不同水深條件下進(jìn)行的試拋試驗(yàn)，測(cè)出多組數(shù)據(jù)，利用漂距經(jīng)驗(yàn)公式反算出系數(shù)K值，再采用多波束進(jìn)行水下地形測(cè)量得出各試拋區(qū)域的增厚值，通過(guò)增厚值對(duì)K值系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得出更為準(zhǔn)確的K值，作為大規(guī)模拋投的依據(jù)。

7.5 充填度的試驗(yàn)

根據(jù)砂料充填時(shí)間指標(biāo)來(lái)判定砂袋充盈率，利用充填時(shí)間與充填度繪制曲線圖，在確保砂枕充填度能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，提高施工效率。