順?biāo)僚偶夹g(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用

喻 龍

（江西省贛西航道事務(wù)中心,江西 宜春 336000）

0 引言

系結(jié)壓載軟體排護(hù)灘構(gòu)筑物在航道整治工程中的應(yīng)用越來越廣泛，其在穩(wěn)定邊灘、避免航槽擺動，改善枯水航道條件等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。該技術(shù)主要通過土工合成材料和壓重材料共同制成系結(jié)式排體，順?biāo)飨虺僚藕螅鸬奖Ｗo(hù)排體底部床面泥沙免受淘刷的作用。就沉排及水下鋪排工藝而言，主要采用翻板形式引導(dǎo)排布沉入水體，因受鋪排船長度、排體結(jié)構(gòu)及水流等因素的影響，對于水深和水流流速均較大的區(qū)域，發(fā)生滑排、撕排、排布卷起、沉排偏離設(shè)計位置情況的可能性也較大，影響沉排施工質(zhì)量和航道整治效果。為此，必須結(jié)合航道實際，探索切實可行的沉排施工工藝，保證排布質(zhì)量。

1 工程概況

某航道工程下游河道呈首尾窄、中間展寬的分汊形式，目前航道維護(hù)水深5.0 m，航道寬200 m，彎曲半徑為1 050 m，水深保證率為98%，按照月計劃維護(hù)。考慮該河道經(jīng)常出現(xiàn)部分淺槽段，必須通過疏浚整治維持航道水深。根據(jù)航道發(fā)展規(guī)劃，2025 年該航道在寬度和彎曲半徑保持不變的基礎(chǔ)上，主要通過枯水?dāng)嗝嫘螒B(tài)調(diào)整，減少漫灘水流，提升淺區(qū)段航道尺度，使水深增至6.0 m。

潛壩采用系混凝土塊軟體排護(hù)底，壩體為砂枕塊石混合結(jié)構(gòu)，并在壩頂覆蓋鋼絲網(wǎng)石籠。水下護(hù)灘帶則通過系混凝土塊體軟體排與塊石蓋面的形式守護(hù)。以上航道整治施工任務(wù)擬定于3 個枯水期內(nèi)完成，其中主體工程在2 個枯水期內(nèi)完成。

2 鋪排方式及受力分析

2.1 鋪排方式

軟體排水下鋪排方式主要有垂直水流鋪排、順?biāo)麂伵偶澳嫠麂伵湃N。垂直水流鋪排即從岸邊開始順著河道橫斷面向河道中心鋪排。在綁扎壓塊時，將沉排邊緣首列卡入滑槽中，避免沉排滑動，同時起到鋪設(shè)引導(dǎo)作用。在水流流速較大時，水流流向必然與沉排方向不完全平行；鋪排船頭部阻水后會在沉排上游引發(fā)繞流，向沉排施加較大的切向沖擊力和拉扯力。該力不均勻作用于上游端滑槽首列排體，滑塊極易被拉開，引發(fā)排體向下游滑動。

順?biāo)麂伵偶翠伵糯瑥纳嫌伍_始沿水流向下游鋪排，容易造成排體懸空部分受力過大，沉排不暢，甚至拉斷軟排體。此外，還會因鋪排船受力不均，造成船體局部受拉，引致傾斜失穩(wěn)。

綜合比較后，該航道整治工程選擇順?biāo)伵攀┕し绞?，通過加強(qiáng)排體懸空部分及鋪排船受力控制，保證沉排過程順利進(jìn)行。

2.2 順?biāo)僚艩顟B(tài)

在鋪設(shè)順?biāo)僚艜r，如果船體移動速度明顯快于鋪設(shè)速度，軟體排會順著船舷快速向下垂直滑動，直到抵達(dá)河床；滑動過程中產(chǎn)生一定的動力荷載。該航道整治工程中順?biāo)僚配佋O(shè)過程見圖1。圖中（1）為軟體排沿船舷快速垂直向下滑動至河床，這一過程中排體主要承受垂直向下的重力、動水壓力、卷排筒剎車期間產(chǎn)生的附加動力荷載；（2）鋪排船順著鋪排方向前移的速度超出放排速度，部分排體懸吊于水體并呈懸鏈線狀態(tài)，這一過程中當(dāng)放排速度既定，隨著鋪排船移動速度的增大，拉力值也相應(yīng)增大；（3）待卷筒處排布僅剩余一定長度后暫停移船，并剎住卷排滾筒，軟排體下滑過程也相應(yīng)停止，剩余排體仍以懸鏈狀掛鋪于河底，期間鋪排船拉力持續(xù)減小，最終降至零。

圖1 軟排鋪設(shè)過程

以上順?biāo)僚胚^程中，狀態(tài)（2）下船舷處拉力最大，整個沉排體系處于最不利受力狀態(tài)[1]，為此，應(yīng)對該狀態(tài)下的受力展開重點分析。

2.3 受力計算思路

鋪排方向與水流向的夾角并不固定，在垂直水流向上軟體排投影面積不為零的情況下，受到動水壓力作用后，即使排體下放速度超出船體移動速度，排體也無法在水體中保持規(guī)則形狀，動水壓力及排體內(nèi)力計算存在較大難度。若不考慮動水壓力的作用，即在靜水中鋪設(shè)排體，則排體受力過程得以簡化。為此，該文先分析靜水中排體受力，再根據(jù)經(jīng)驗公式分析排體受動水壓力的影響，最終確定出動水壓力作用下排體所受拉力。

式中，C表示兩個系統(tǒng)的耦合度。C值越大，表示系統(tǒng)間的相互作用越強(qiáng)，反之則越弱。、分別代表旅游經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的評價指數(shù)，該指數(shù)越大，說明系統(tǒng)有序發(fā)展?fàn)顩r越好，反之則越差。計算公式如下：

2.4 靜水中排體受力

當(dāng)鋪排船運行于靜水中時，排體在水下部分呈懸鏈線狀，為此，采用懸鏈線理論[2]展開排體水下部分受力情況分析。按照該理論，在均質(zhì)鏈條兩端懸掛的情況下，因受到重力作用，自由下垂的鏈條形狀即為懸鏈線曲線。鋪排船移動時，排體所承受的拉力與船舶運行速度、排體下放速度等均相關(guān)；在排體下放速度既定時，鋪排船移動速度越快，排體承受的拉力也越大。

考慮排體和船舷相切處拉力最大，必須展開該部位排體受力情況分析。先將排體全部置于水下，再通過鏈條拉力公式計算靜水中不同鋪排船移動距離所對應(yīng)的排體水下拉力[3]。公式如下：

式中，TA——排體水下部分承受的壓力（kPa）；W1——單位長度懸鏈的水下重力（kg）；g——重力加速度（m/s2）；c——懸鏈線參數(shù)；h——鋪排船與河底的垂直距離（m）。

2.5 動水中排體受力

在鋪排方向和水流方向呈一定夾角φ時，因受到動水壓力的影響，即使排體下放速度超過鋪排船移動速度，排體也無法在水體中保持垂直，而會出現(xiàn)不規(guī)則形狀，具體見圖2。動水壓力和排體內(nèi)力的計算過程也變得更加困難，必須借助經(jīng)驗法估算。根據(jù)對鋪排方向和水流方向相同及相反時靜水拉力與動水拉力之比的分析看出，當(dāng)鋪排方向與水流向相反時，流速越大，排體所承受的拉力也快速下降；而當(dāng)鋪排方向與水流向相同時，流速越大，排體所受拉力快速增大。根據(jù)順?biāo)澳嫠畷r水流流速和靜動水拉力比T1/T2的關(guān)系，進(jìn)行排體與船舷相切處拉力曲線的擬合[4]。

圖2 排體水下形狀

綜合以上分析，水深對排體所受拉力的影響較大，在表面流速及鋪排船相對位移一定時，水深每增大1 倍，排體所受拉力至少增大1 倍。在水深一定時，鋪排船相對位移對排體拉力影響較大，應(yīng)加快順?biāo)僚攀┕て陂g鋪排船運行速度，以減小鋪排船對排體的拉力。

3 順?biāo)僚攀┕ひc

3.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計要求及工程實際，選擇合適的鋪排船及排墊材料。一般情況下，對于水深在15 m 以上（含15 m）的，流速在1.0 m/s 以上（含1.0 m/s）的工況，必須使用安全性能高的大型鋪排船和加強(qiáng)型排墊；而對于流速和水深在1.0 m/s 及15 m 以下的工況，選用一般鋪排船和普通型排墊即可滿足施工質(zhì)量及安全要求。

施工前，還必須展開待施工區(qū)域水下測量，對于存在的突出異狀物必須及時清理，避免破壞沉排體。根據(jù)水下測圖所得出的特征點坐標(biāo)，在電腦軟件中繪制沉排軌跡線，便于指導(dǎo)和分析施工過程。沉排前還應(yīng)在鋪排船上架設(shè)GPS 天線，明確GPS 測點與沉排入水位置間的對應(yīng)關(guān)系，同時在軟件中進(jìn)行標(biāo)識。

該航道整治工程因工期緊，任務(wù)重，整治施工期間航道不封閉，通航船只對施工過程存在一定干擾，故必須加強(qiáng)人員配置和現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)。人員配備情況見表1。

表1 航道整治人員配置

3.2 排體結(jié)構(gòu)

大流速河段應(yīng)加強(qiáng)排體結(jié)構(gòu)，具體而言，采用長度50 m 的排體，排寬則根據(jù)具體工況確定；排墊由單位質(zhì)量≥280 g/m2聚丙烯編織布縫制。順著排體寬度向按25 cm的間隔布置7 cm寬的加筋條。加筋條下設(shè)置系結(jié)條?；炷翂K壓載體的規(guī)格與小流速河段一致。

3.3 排布安裝

結(jié)合作業(yè)面順序?qū)伵糯{(diào)遣至施工區(qū)上游端后拋錨，按照六錨定位順?biāo)僚牛?/p>

（1）右舷即出排舷側(cè)的前后錨與沉排上游端的縱向距離應(yīng)控制在300 m 左右，并呈八字形控制，起到主錨的作用；錨纜與沉排軌跡線之間形成20~30°的夾角。

（2）在與施工區(qū)上游端縱向距離約200 m、與沉排軌跡線橫向距離同樣為200 m 的位置拋船艉錨，起到鋪排船橫移調(diào)整及輔助錨的作用；錨纜和沉排軌跡線之間形成40~50°夾角。

（3）左舷即裝載舷側(cè)面前后錨與沉排軌跡線的橫向距離也控制在300 m 左右，起到鋪排船橫移軌跡調(diào)整的作用。

（4）結(jié)合GPS 定位儀的顯示結(jié)果，將鋪排船調(diào)至施工區(qū)上游端水深1.5 倍的位置定位，并使船向垂直于沉排軌跡，各錨纜均勻受力。

底排安裝的目的在于為排尾沉放提供充足的牽引長度并增大卷排筒摩擦力。該航道整治工程共使用1 條50 m長的底排。安裝前在操作平臺上打開排布并鋪平，將排布繞過導(dǎo)排梁后用φ15 mm 雙股尼龍繩將排端加強(qiáng)筋系環(huán)和卷排筒系牢，緩慢旋轉(zhuǎn)卷排筒，以使排布平順卷入，避免折疊，待排布末端與卡排梁相距1.0 m 時結(jié)束卷排，并放開卡排梁后將排布壓住，此后啟動卷排機(jī)構(gòu)，使排布進(jìn)一步卷緊。在以上過程中，必須密切關(guān)注排布受力，待其收緊后應(yīng)立即關(guān)停卷排機(jī)構(gòu)，避免因過大的機(jī)械受力扯斷排布。

排尾繩安裝是排尾準(zhǔn)確沉入河床的保證。結(jié)合該航道整治工程沉排段實際水深，截取30 根長度為所在水域水深3 倍的φ20 mm 尼龍繩，將繩體端綁系于底排尾端加強(qiáng)筋肋環(huán)處，另一端則穿過加強(qiáng)筋套環(huán)后拴接在底排尾端。通過卷排筒的轉(zhuǎn)動，使排尾繩卷布于卷排筒內(nèi)。

3.4 沉排施工

通過人工方式將排頭布牽引至滑排板邊緣，并將鋪排船航行至施工區(qū)上端系排梁拋投位置，按照水深的1.5倍+排頭漂距確定具體定位。借助吊車將系排梁吊至滑排板邊緣后按次序放置；同時通過尼龍繩綁扎系排梁，預(yù)留出足夠長度的連接繩，并將繩尾與排布頭加強(qiáng)筋套環(huán)系結(jié)。

在施工平臺與滑排板上排布系結(jié)混凝土塊，考慮排頭入水期間僅存在排頭重力而無牽引力，為減少摩阻，施工平臺1 次只能綁系3 m 長的混凝土塊。依次按照30°、45°和70°的下放角將滑排板放至設(shè)計深度。通過卷排機(jī)施放排布，使施工平臺上系綁的混凝土塊排布依次向右滑動，并逐次放置水中，最后使排頭準(zhǔn)確落入河床。

沉排過程中應(yīng)實時觀測水深、水流流速、流向，如遇漲水及流速過大等情形應(yīng)采取應(yīng)對措施并盡快停止施工。通過輸送帶或克令吊將混凝土塊運至施工平臺，通過人工將塊體系結(jié)于排布。沉排期間作業(yè)船應(yīng)按照與放排船同步的速度平行移動；移船距離應(yīng)按照放排長度的95%確定[5]。沉排時先啟動卷排筒施放排布，再啟動移船絞車。

順流沉排按照5~6 m 的寬度橫向搭接，當(dāng)水深、流速均較大時，縮排影響也較大，必須適當(dāng)增大搭接寬度。

4 結(jié)論

綜上所述，航道整治工程沉排施工過程受航道水深、水流流速、施工技術(shù)水平等的影響較大，必須在沉排施工前對靜水及動水中沉排受力情況展開分析，并加強(qiáng)施工方案優(yōu)化設(shè)計；通過定位、空排、壓載等現(xiàn)場試驗，加強(qiáng)排體及纜繩受力控制，制定相應(yīng)的安全預(yù)案。在采用了該文提出的方案和措施后，該航道整治沉排期間船機(jī)受力均未超出額定荷載，排體也無任何撕裂跡象，鋪排船控制較好，沉排效率高，為類似工程深水順?biāo)鞒僚盘峁┝顺晒?jīng)驗。