關于四面六邊體護岸技術的幾點淺見

高興福 王 偉

(南京市水利規劃設計院有限公司 南京 210006)

江河湖泊及堤防和岸灘的安全穩定一直以來是各級黨和政府水利工程建設和管理的核心問題。長期以來,為了實現護堤固岸,采用過各種各樣的技術和方法,其中水下護岸常采用:平順拋石、混凝土鉸鏈排、模袋混凝土、壓載土工織物軟體排等措施。直到二十世紀90年代,西北水利科學研究所,江西水利科學研究所等提出了一種新型的護堤固岸技術,利用拋投四面六邊透水框架群來護堤固岸,并在一些實際工程中得到應用,取得了良好的工程效果。長江南京河段采用該技術在新濟洲尾右緣、八卦洲左緣和三江口節點護岸工程中加以應用,本人有幸參與了其中兩個工程的施工監理,通過四面六邊體透水框架護岸理論的學習和實踐,結合實際應用效果分析,表達自己一些粗淺的看法。

1 與傳統護岸比較的優勢

與傳統的護岸方式相比,四面六邊體透水框架群護岸技術集生態保護、防洪護岸和固灘為一體,具有明顯的性能和造價優勢。

1.1 作用機理評價

護岸結構形式多樣,就護岸機理而言,可分為抗沖護岸 (也稱 “阻水”式防護)和減速護岸 (也稱 “親水”式防護)兩類。拋石護岸、混凝土鉸鏈排、模袋混凝土等傳統護岸方式對水流采用的是集中消能,這樣一方面不但會造成水流對防護措施的嚴重沖擊,加快防護措施本身的破壞,而且當防護措施被破壞后將會增強水流對提防岸灘的破壞。

四面六邊體透水框架群是通過內部眾多框架體的杠件來阻水,杠件在阻水的同時也實現了對水流的消能。因此利用框架群這種同時具備透水和阻水消能的特點,可以對水流進行多層次、分級式消能逐步消弱水流的沖刷能量,減低水流對提防岸灘的沖刷,實現了從傳統護岸技術中的集中消能到逐步分級式消能的轉變。當水流經過四面六邊透水框架群的消能后流速小于泥沙的沉降速度時,將會促進水體中泥沙的淤積沉淀,從而進一步增強了對堤防岸灘的保護。

1.2 生態效應評價

傳統的護岸方式在施工和使用過程中,很大程度上改變了區域局部的水流條件和地形條形,對部分水中生物和岸灘兩棲生物,如某些甲殼類和浮游生物的棲息、繁殖環境造成嚴重的破壞和影響。

而四面六邊體框架本身是透水的,框架體與框架體之間也有很大的空隙,這就為一些底棲、浮游、附著生物提供了棲息場所,為岸灘兩棲生物提供了生活通道,起到了生態防護的目的。

1.3 經濟效果評價

據有關部門統計,長江南京河段采用拋石、四面六邊體框架群、混凝土鉸鏈排三種護岸形式的費用分別為70元/m3、60元/m3、95元/m3,可見四面六邊體框架群工程費用最低。而且傳統護岸采取的是集中消能,工程使用過程中須不斷加強維護、補充甚至重新施工,可見傳統的方法雖然在短期內防護效果比較明顯,但從中、長期來看存在著工程量大、投資大、維護費用大等不足之處。四面六邊體框架群具有自身穩定性好、透水、基礎不易被沖刷、適合地形變化的特性,避免了傳統拋石護岸根石不穩的問題。

2 優化框架群減速效應的幾個規律

2.1 桿件長細比對減速率的影響

將桿件長度 (fn)與桿件邊長 (b。)之比稱為桿件長細比。綜合室內試驗結果,當框架群架空率s=4.8～5.0,桿件的長細比fn/b。=16時,減速率最高。設計時一般取值范圍為fn/b。=10～20。為保證施工質量,桿件斷面最小尺寸不得小于0.06 m;為方便施工搬運和拋投,桿件的長度以fn=1.00 m為宜。值得注意的是,當長細比取值太大,受邊長 (b。)的限制,一方面框架自重和尺度加大,不便拋投施工;另一方面桿件結構強度不易滿足。

2.2 框架群長度對水平順水流方向減速效果的影響

根據不同投放長度下框架群產減速效果試驗,在不同架空率下,隨著框架群拋投長度的增加,框架群后測點處減速率在迅速增大,但當拋投長度超過20m后,隨著拋投長度的持續增加,對框架群后測點流速的影響沒有明顯增加,流速減速率變化僅在5%以內。

因此,拋投長度大于20m是不經濟的,而當拋投長度為10m時,其相對減速率與20m相近,但是拋投長度小于10m后,則框架群后測點的減速率急劇下降,不能起到一個有效的減速作用。考慮到工程施工及安全,建議工程中框架體拋投長度取10m～20m較為適宜。

2.3 框架群間隔區長度對減速率的影響

工程實踐證明,順直河段采取間隔拋投 (布置)四面體,在節省工程投資的同時也能得到較好的減速效果。

試驗表明:在框架群拋投長度一定的情況下。隨著框架群間隔長度的增加,減速率逐漸降低。當間隔長度為+∞,拋投長度為0時,對水流無任何影響,當間隔長度等于0時,可看成是全面拋投,即拋投長度為+∞,經對框架群長度與減速率的關系分析,這種拋投方式也不可取。當間隔長度小于10m時,曲線比較平緩,減速率隨間隔長度的增加變化不大;當間隔長度大于10m時,曲線明顯變陡。減速率顯著下降。在間隔長度大于30m時,曲線又稍趨平緩,但此時減速率太小,已很難起到護岸固堤的作用。因此,當工程要求減速率較高時,間隔區長度應不大于10m。

2.4 框架拋投密度對減速率的影響

根據已有工程的應用經驗,由護岸需要的拋石厚度 0.75m～1.50m折算為 0.975～1.95架/m2(拋護厚度與拋投層數的折算按架空度ε=6計算,即每平米拋護面以1m拋石厚度折算為拋框架1.3架)。

3 框架制作與拋投施工監理注意事項

3.1 桿件制作方面

(1)四面六邊體桿件制作量大、結構單一、形狀規則,監理在審批施工組織設計時應建議施工單位選用定型組合鋼模,以利于組織大規模流水作業,保證桿件的外形尺寸準確,成型面光潔。一套組合鋼模最好一次性澆注6根桿件,正好組裝一個框架。

(2)預制場地規劃。四面六邊體框架一般量大,勞動強度高,因此前期場地規劃顯得尤為重要。如果按長1.0m的桿件考慮,鋼模組裝后加上預埋鋼筋外伸長度和一定的作業空間,一套組合鋼模的占地面積約1.5m2,同時考慮養護、運輸通道的占地面積,根據工期如果每天計劃完成1個框架,則預制場地硬化區占地面積至少為4m2,綜合考慮攪拌站 (包括砂石堆場、水泥庫房和砼攪拌機),鋼筋加工場等占地面積,整個場地硬化區占地面積至少為52/架。同時也要配套建設桿件堆放、焊接拼裝和成品堆放場地,面積幾乎與預制場地相當 (可鋪20cm厚道渣,并要保持排水通暢)。

(3)因桿件截面只有100×100mm,在砼配合比設計時,建議施工方粗骨料宜選用堅硬密實,具有足夠強度的卵石或碎石,最大粒徑宜小于20mm、其中5mm～20mm的量占55%,10mm～20mm的量占45%,強度50MPa以上、級配良好的碎石。

(4)預制構件的轉場、堆放及運輸。監理應嚴格控制預制構件轉場的時間,應達到設計強度的70%方可同意轉場,可采用同期同條件養護條件下砼試壓塊進行試壓。轉場時堆放的場地要平穩堅實,不得產生過大的不均勻沉降.支點墊木的間距應一致,并保持在同一平面上,堆碼高度一般不超過十層,防止底部桿件被壓斷。

轉場時每根桿件應用不易褪色的顏料標明生產日期,同一天生產的桿件應集中堆放,并按日期順序排列,排與排之間應留有足夠寬度的運輸道路;同一堆放區應制作標牌醒目標示,標牌上應標有同一批次桿件的數量、混凝土標號、生產日期。出庫時應有專人按 “先進先出法”指定出庫區進行焊接拼裝,以保證桿件得到充分養護。監理在日常巡查中要注意察看現場焊接拼裝時桿件標明的預制日期,達不到保養時間的桿件,要堅決要求退回,重新發料。

3.2 桿件拋投方面

(1)四面六邊體拋投落距計算公式。在相同水流條件下相同重量四面六邊體的落距大小與拋石的落距大小相近。計算四面六邊體的落距同樣可采用塊石的以重量計的公式形式,即:

式中Lt為四面六邊體的落距;k2為系數;W為四面六邊體的重量kg,v為流速,h為水深 。

根據試驗資料,取平均值確定四面六邊體落距公式系數2的值為0.795。

定位船根據流速和水位及時調整船位是定位準確的關鍵,施工過程中拋方監理應要求施工方根據水位和潮水漲落情況勤測流速、水深等參數,及時計算調整拋投提前量。

(2)施工區域劃分。四面六邊體拋投施工的關鍵是合理劃分施工小區 (網格),而施工網格的劃分主要依據所進場的船型。根據以往拋投的經驗,結合目前南京地區從事裝、運石作業的船只的具體情況,可建議施工單位將施工小區 (網格)劃分為15m(寬)×30m(長)的標準網格,每個標準網格再分為上、下兩個半區進行拋布,寬度不足15m的拋區可劃分為定寬的小區進行施工。

(3)測量、放樣。由于四面六邊體施工位置是位于水中,無法在水中確立施工位置,因而需在與施工位置對應的岸上設立標志,以確定施工位置。

測量放樣方法:

①在拋區附近的岸邊,根據建設單位提供的控制點,采用前方交會或后方交會的方法在岸上測設一點,由此點放出施工基線。

②根據測設的已知點設立一條正基線 (平行于拋區長度方向)或斜基線 (不平行于拋區長度方向)。

③在基線上根據各施工小區的長度劃分放出各基線樁。

④由基線樁上測設出各斷面樁 (方向樁),方向樁應垂直于拋區長度方向。

在測量放樣中應由專業測量工程師會同業主進行測設點的交點、設點工作。測量過程中應選擇有代表性的斷面樁進行復核,據以確定測量成果是否符合精度要求。

(4)裝框架駁船的選用。為保證框架拋布均勻,在拋投施工中監理應控制駁船的規格,使得駁船盡量符合依據設計圖紙劃分的拋區網格,根據以往經驗,要求投入施工的裝運船只長度約為20m～30m,寬約5m～7m,裝框架長度約15m,以保證拋布連續、均勻,不留空檔。監理在進場設備報審時要對進場船舶的船型加以重點控制,與網格劃分不相符的船舶要杜絕進場使用。

(5)準確定位。根據在岸上在測量放樣放出的斷面樁位處插上定位斷面花桿,移動定位船,使定位船上舷或下舷與斷面花桿成一直線。在斷面花桿的直線上,在定位船上用六分儀交會定位。定位船移位應旁站監理,定位船移位記錄要有現場監理簽字認可。

圖1 測量放樣示意圖

4 結語

四面六邊體透水框架由傳統阻水集中消能的方式改變為分布式、多級消能,自身穩定性好,適應河床變形能力強,具有降低流速,促使泥沙迅速落淤,從而達到減速促淤的目的。避免了傳統拋石護岸根石不穩、工程投資大、后期需長期維護補充等不足之處,也保持了原生態系統的連續性和完整性,可廣泛應用于構筑河道控導工程、護腳護坡、防止和治理崩窩等工程。

在桿件的長細比設計和框架群的空間布置中,要充分運用規律優化框架群的減速效應,降低成本,發揮效益。

施工監理在審批施工組織設計、專項方案時要從模板選用、配合比設計、網格劃分、船型選擇、測量放樣、準確定位等方面優化施工工藝,協調各工序間的平衡銜接,以利提高工作效率,確保工程質量。