“X”型水下軟體排的受力分析與計算在輸水渠道工程中的應用

劉 江，趙旺鋒

（中國水電建設集團十五工程局有限公司,陜西 西安 710068）

1 工程概況

引江濟淮工程起點派河口泵站樞紐,終點金寨路橋,總長14.98 km,河寬60 m～80 m,地面高程6 m～10 m。本工程輸水渠道系利用現(xiàn)有派河河道擴挖疏浚而成,輸水渠道系利用現(xiàn)有派河河道擴挖疏浚而成,沿線彎道迎流頂沖凹岸眾多,加上通航要求Ⅱ級,在船行波和引水流速的長期共同作用下,渠道邊坡易形成浪坎,并最終威脅渠道邊坡的穩(wěn)定安全。為了防止渠道沖刷破壞、保護坡面不直接受水沖刷及船行波對坡面沖擊,提高渠道水利用系數(shù),減少糙率,加大流速,確保岸坡安全,對一級平臺以下邊坡采用12 cm 厚C25 水下聯(lián)鎖式軟體排鋪設護岸。

2 排體結(jié)構(gòu)與材料對比選擇

“X”型水下軟體排壓載塊體采用 C25 混凝土預制塊,塊體長寬均為 46 cm,厚度為 12 cm, 四周邊緣采用 3 cm×3 cm 倒角,單塊材料用量為0.024 m3,重量約 57.48 kg,單塊之間連接采用 Φ14 的丙綸繩連接[1],單塊之間凈距為 5 cm,孔隙率約19.6%,考慮到排布為聚丙烯材料,為防止紫外線照射,導致排布質(zhì)量降低,在水位變幅區(qū)內(nèi),預制塊之間采用 16 mm～31.5 mm 碎石回填[2]。

2.1 排布材料選擇與強度分析

（1）考慮到排布為聚丙烯材料,為防止紫外線照射,導致排布質(zhì)量降低,在水位變幅區(qū) 6.1 m～8.6 m 高程范圍內(nèi),預制塊之間采用16 mm～31.5 mm 碎石回填,主要目的是促淤防曬,保護土工布。

（2）排布采用 380 g/m2丙綸復合布（230 g/m2長絲機織布和 150 g/m2無紡布的復合布）[1],其縱橫向斷裂強度≥50 kN/m,經(jīng)向斷裂伸長率≤35%,緯向斷裂伸長率≤ 30%,等效孔徑0.07 mm～0.2 mm,垂直滲透系數(shù)為K×（10-1～10-3）cm/s（其中K=1.0～9.9）,頂破強力≥5 kN,縱橫向撕破強力≥0.9 kN。加筋帶規(guī)格及抗拉強度應考慮施工荷載,通過計算確定。Φ14丙綸繩破斷拉力≥14.5 kN。

2.2 排體結(jié)構(gòu)

排布長度與鋪排長度相同,排布垂直水流向布置 7 cm 寬丙綸加筋帶,加筋帶中心距為 51 cm,即每條加筋帶布置在預制塊中間部位,排布與加筋帶重量略大于 500 g/m2,達到原設計土工布單位面積總量。每一條加筋帶上,垂直水流向間隔2 塊預制塊布置一條長 50 cm 丙綸帶,用于排布與塊體之間綁扎連接。預制塊采用丙綸繩連接,可根據(jù)需要預制成成品矩陣, 初擬矩陣為 10 塊×8 塊（可根據(jù)實際排體長度調(diào)整）,單次鋪設順水流向長度根據(jù)鋪排船實際情況確定。排體設計搭接長度不小于 2.0 m[2]。其排體平面圖見圖1。

圖1 排體平面布置圖

2.3 分段部位方案優(yōu)化選擇

（1）北岸J3+240～16+870 段,現(xiàn)在大部分無灘地或者灘地較窄,無系排樁施工作業(yè)面,因此取消原系排樁設計,軟體排排頭采用挖地溝型式,將排頭埋置于一級坡坡頂或者灘地部位,地溝采用梯形斷面,底寬0.6 m,深0.9 m,兩側(cè)邊坡坡比1∶0.5,確保地溝內(nèi)每次預埋3 塊預制塊。地溝采用C25 等腰梯形預制砼塊,長度2 m,底寬0.58 m,頂寬1.36 m,深 0.78 m,上部設置2 道鋼筋吊環(huán),方便吊裝。

（2）北岸J16+870～18+220、南岸J3+240～18+220 段軟體排維持原設計方案,將排頭系接在坡頂壓頂梁上,坡頂梁每隔0.51m 設置一道鋼筋拉環(huán),排頭丙綸繩系入拉環(huán)內(nèi)。

3 結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定分析

為了保證預制連鎖片護坡設計選取的材料規(guī)格是否滿足施工安全,通過對軟體排設計結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定計算分析,分析內(nèi)容包括丙綸繩強度計算、加筋帶強度計算、軟體排壓載穩(wěn)定分析[1]、軟體排抗滑穩(wěn)定分析等強度驗算進行分析計算,確?！癤”型水下軟體排施工順利進行。

3.1 丙綸繩的強度分析

預制塊之間采用丙綸繩連接組成矩陣單元,初擬矩陣為10 塊×8 塊,根據(jù)實際施工情況,單個預制塊矩陣單元在吊運過程中丙綸繩受力最大,起吊時的荷載主要是構(gòu)件的自重,另外還要考慮構(gòu)件底面和地坪（或底模）之間的附著力（包括粘結(jié)力和真空吸附力）,以及起吊時的動力作用,并且假定附著力和動沖擊力不同時發(fā)生,設計時取其大者進行驗算。

考慮動力作用受力計算公式：

考慮附著力作用受力計算公式：

式中：T為丙綸繩的最大強度；m取1.3；Q取5 kN/ m2；A=0.46×0.46×80=16.93 m2；F為單個連鎖塊軟體排單元重量,取5.0 t；n為根據(jù)以往工程經(jīng)驗取n=10。

根據(jù)選取參數(shù)經(jīng)計算,丙綸繩最大強度為13.17 kN,本次設計采用Φ14 的丙綸繩其斷裂強度不小于14.5 kN,大于丙綸繩受力計算分析需要最大強度13.17kN,經(jīng)受力分析設計選用的丙綸繩規(guī)格是滿足設計要求,通過現(xiàn)場軟體排施工吊裝試驗,吊裝鋪排過程中未出現(xiàn)丙綸繩斷裂現(xiàn)象,確保了施工安全,驗證了丙綸繩設計選取參數(shù)的合理性。

3.2 加筋帶的強度分析

根據(jù)《水運工程土工合成材料應用技術規(guī)范》（JTS/T 148-2020）可計算排體極限抗拉強度時,縫制加筋帶方向僅按加筋帶受力計算,所以擬通過選用加筋帶的強度來推求軟體排施工期抗拉安全系數(shù)是否達到規(guī)范的要求,從而復核加筋帶規(guī)格選用是否合理,抗拉安全系數(shù)公式如下：

式中：Ksm取 2～3；Tsm為排體極限抗拉強度,縫制加筋帶,設計選用7 cm 寬丙綸加筋帶（間距0.51 m）,拉伸負荷不小于25 kN,接縫強度取70%,經(jīng)計算得排體極限抗拉強度34.3 kN/m；Fsm為軟體排縱向和橫向承受的荷載,施工期經(jīng)計算最大荷載為14.98 kN；G1為滑板上排體的重量,根據(jù)本項目同類型河道鋪排試驗情況計算取 13.82 kN/m；G2為懸空部分排體的重量,根據(jù)本項目同類型河道鋪排試驗情況計算取8.9 kN/m；α為施工時鋪排船滑板的水平傾角,根據(jù)本項目同類型河道鋪排試驗情況取 30°；PW為施工時排體受到的水流力,此次鋪排方向為垂直水流方向,排體迎水面面積很小,可忽略不計。

考慮在巢湖常水位條件下鋪排施工,經(jīng)計算得軟體排施工期時縱向抗拉系數(shù)為2.29,本工程施工期水深、流速不大,軟體排抗拉系數(shù)取在規(guī)范合理取值范圍之內(nèi),并且通過現(xiàn)場沉排試驗,加筋帶沉排過程中未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,設計選取參數(shù)合理,滿足施工安全。

3.3 混凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定分析

根據(jù)（JTS/T 148-2020）附錄A 公式計算：選取河底寬度最小為60 m 的J9+923.8 斷面作為計算斷面,流量取派河百年一遇設計流量1268 m3/s,相應水位取11.281 m,采用曼寧公式計算得岸坡坡頂、坡腳斷面垂線平均流速為 0.64 m/s、1.49 m/s ；計算公式各類取值參數(shù)按照最大值選取。

軟體排邊緣,岸坡坡頂、坡腳部位臨界失穩(wěn)垂線平均流速為2.113 m/s、1.509 m/s,設計失穩(wěn)垂線平均流速為 1.767 m/s、1.509 m/s,通過計算分析混凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定失穩(wěn)流速均大于設計垂線平均流速,設計結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；對軟體排搭接部位, 岸坡坡頂、坡腳部位臨界失穩(wěn)垂線平均流速為1.938 m/s、1.655 m/s；設計失穩(wěn)垂線平均流速為1.621 m/s、1.384 m/s,均大于設計垂線平均流速,滿足規(guī)范要求；中間部位設計失穩(wěn)垂線平均流速為1.851 m/s,大于設計垂線平均流速,滿足規(guī)范要求。混凝土連鎖塊軟體排壓載施工后經(jīng)過水流沖刷,未出現(xiàn)失穩(wěn)情況,因此充分驗證了混凝土連鎖塊軟體排壓載護坡結(jié)構(gòu)的合理性。

根據(jù)天科院試驗,最低通航水位下,船行波波高最大為0.7m,按規(guī)范驗算船行波作用下凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定。作用在壓載塊上波浪正向慣性力的最大值（N）Imax=4.932 N 小于壓載塊的自重力的標準值（N）635.9 N,波浪作用下凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定滿足規(guī)范要求,設計結(jié)構(gòu)滿足施工及相關規(guī)范要求。

3.4 軟體排的抗滑穩(wěn)定分析

軟體排抗滑穩(wěn)定計算可按下式計算：

式中：γm'為軟體排的浮重度,取值：5 kN/m3；tm為軟體排等效厚度,取0.096 m；α為坡腳,取140；Δh為軟體排上下水頭差（m）,不考慮軟體排上下水頭差；γω為水體重度,取 10 kN/m3；fsg為軟體排與坡面的摩擦系數(shù),用水下值,由試驗確定,取0.3；Km為軟體排抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),取1.1～1.3。

軟體排與坡面的水下摩擦系數(shù)取0.3,不考慮軟體排上下水頭差,軟體排抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.2。當考慮排布淤堵因素,波浪作用后排體受頂托的穩(wěn)定如下考慮：假設波浪打擊區(qū)范圍排體與土體無摩擦,下滑力通過塊間丙綸繩傳遞至浪擊區(qū)以上塊體。常水位（7.0 m）下,波浪高度取0.7 m,經(jīng)計算浪擊區(qū)下滑力為 1182 N/m,上部穩(wěn)定塊體富余阻滑力為1987 N/m ,該設計護坡結(jié)構(gòu)滿足該工程通航工況下抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4 結(jié)論

通過“X”型水下軟體排軟體排結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定計算內(nèi)容包括丙綸繩強度計算、加筋帶強度計算、軟體排壓載穩(wěn)定分析、軟體排抗滑穩(wěn)定分析,本項目設計的“X”型水下軟體排壓載塊體采用 C25 混凝土預制塊,塊體長寬均為 46 cm,厚度為 12 cm,單塊之間連接采用 Φ14 的丙綸繩連接,排布采用 380 g/m2丙綸復合布（230 g/m2長絲機織布和 150 g/m2無紡布的復合布）,加筋帶規(guī)格及抗拉強度等通過計算分析,均滿足規(guī)范及相關要求。

通過現(xiàn)場沉排施工,未出現(xiàn)單元排丙綸繩斷裂及排布撕裂工況,沉排后排體坡面穩(wěn)定,且該排體施工機械化程度高,能提高施工工效和質(zhì)量,縮短工期,減少勞動力投入,具有施工效率高、施工工期短等特點,進一步驗證該排體設計結(jié)構(gòu)合理,施工效果好,可為類似抗沖刷防護工程尤其是坡面及河底沖刷嚴重的護坡及護底工程提供參考依據(jù)。