鉸鏈混凝土沉排護岸技術應用與問題探討

葉長結

(安徽省長江河道管理局,安徽 蕪湖 241002)

鉸鏈混凝土沉排是近年來江、河、湖、海岸灘崩塌治理的新興工程措施。在安徽省長江崩岸應急工程中應用鉸鏈沉排技術，有效治理了沿江岸灘的強烈崩塌，這種形式改變了傳統拋石護岸對塊石材料的依賴，混凝土板、排體土工織物布工廠化制作，采用沉排船施工，施工效率、施工進度都明顯提高。本文在對鉸鏈混凝土沉排護岸技術應用進行分析的基礎上，對應用中的有關技術問題和處理措施進行分析探討，提出改進建議。

1 鉸鏈混凝土沉排技術

1.1 沉排工程特性

傳統的“埽工”、“柴枕”、“沉柳”、“鉛石籠”等沉排工程普遍具有抗沖刷，能起到抗沖護底(腳)作用。與傳統沉排相比，鉸鏈混凝土沉排的特性，滿足連續性、堅固性、變形相容性等，具有耐久性以及反濾功能。

基于工藝程序、方法措施和排體結構，沉排劃分為兩大類，即按勁度區分的柔性沉排(Soft Sinking Mattress，簡稱SSM)和剛性沉排(Rigid Structre Mattress，簡稱RSM)[1]。混凝土鉸鏈排屬于柔性沉排，俗稱軟體排。排體的組成材料包括土工織物布、預制混凝土板和U型鋼制套環，預制混凝土板通過U型環鉸接后成為整體鋪于土工布之上。

鉸鏈混凝土沉排結構見圖1。

圖1 鉸鏈混凝土沉排結構示意(單位：mm)

1.2 沉排工程技術特點

鉸鏈混凝土沉排是在崩岸段河床堤岸坡腳或河床底部鋪設一定長度與寬度的防沖反濾的排體，具有以下技術特點：

1)剛柔兼備，能適應水下地形變化。預制混凝土壓塊為剛性板，土工織物布作為柔性護墊，沉排結合了土工織物軟體排防護技術和鉸鏈混凝土塊防護技術這兩種施工方法的優點，在防沖刷的同時，適應水下岸坡變化的地形，保護著河床斷面的土體不被淘蝕。

2)施工方便，機械化程度較高。預制混凝土塊與土工織物布按設計定型尺寸工廠化生產，沉排船做為工作平臺實施沉放排操控，天氣不利因素影響較小，施工效率高。

3)整體性強，防護效果較好。作為壓載的預制混凝土塊之間用U型環連接，土工織物布與鉸鏈板相結合成為一塊排，相鄰排體采取“蓋瓦”式搭接形成整體。

1.3 施工主要設備

配備沉排專用船1 000 t工程船1艘，可一次性沉放寬度不大于25 m、長80～120 m不等的排布。配備5艘自航120 t鋼制甲板駁運輸船，鉸錨船1艘，交通艇1艘。配船載GPS放樣定位，配RTK軌跡跟蹤儀跟蹤并調整排布入水位置。

1.4 主要施工技術措施

1)施工前對鋪排區域進行測量，必要時進行軟式掃床，排除沉排區域可能存在的突出尖狀物。

2)測量沉排區水深、流速和流向，便于控制沉排方向。

3)根據沉排邊線坐標，合理進行排位設計，重點設置好每塊排的排位，保證沉排最小搭接寬度滿足設計要求。

4)用RTK全過程控制排體邊緣入水軌跡，并實時繪制沉排軌跡圖，及時糾正沉排偏差[2]。

1.5 適用條件

鉸鏈混凝土沉排護岸集中了各種護岸形式的優點，有廣泛的適應性，特別適用于水流復雜、主流貼岸或長期處于迎流頂沖，用其他形式困難或效果較差的岸線防護。不同邊界條件的工程可對結構型式或布置作適當調整。

鉸鏈混凝土沉排采用專用沉排船施工作業，配合自航運輸船運輸排布、混凝土預制塊到場后，以沉排船為作業平臺進行拼裝成排。因此鉸鏈混凝土沉排技術應用的適用條件需滿足施工船舶作業的水面寬度和吃水深度，一般為河面寬150 m、水深10 m以上。治理的崩岸段一般為深泓近岸，在沿江沉排施工中，護岸區域大多位于主航道附近，施工前需要與航道、海事部門做好協調，按規定安設航標和進行海事通告等。

2 在長江應急崩岸工程中應用情況

2.1 工程概況

安徽省長江干流河道全長416 km，由13個河段組成。歷史上一些河段河勢變化劇烈，河道曾發生多次大的變遷。建國以后，經過不斷整治，崩岸和河勢變化得到一定程度控制。河岸強烈崩塌影響河勢穩定，反之，河勢調整又引起新的崩岸產生。2015年國家發改委批準建設安徽省長江崩岸應急治理工程，該工程是國家172項重大水利項目中長江中下游干流河道治理的子項。批準實施治理崩岸段24處，護岸總長43.85 km，工程由水上護坡和水下護腳兩部分組成，枯水位以下采用拋石和混凝土鉸鏈排護腳形式，其中江調圩、秋江圩、泥洲、長沙洲、鳳凰洲、永紅轉拐、大榮圩等7處崩岸段，采用混凝土鉸鏈排護腳長度8.32 km，沉排1.62萬m2。施工時間自2015年11月至2017年8月，枯水期預制混凝土板，中水期沉排施工。7處崩岸段在長江安徽段沿程分布，治理迎流頂沖、深泓近岸的強崩區。

2.2 結構形式

鉸鏈混凝土沉排護岸段由上部的岸坎護坡和水下的沉排兩部分組成，系排梁位于兩部分之間，既是護坡的支撐又起到固定排體的作用。排體是鉸鏈混凝土沉排護岸的主體，由混凝土預制板和土工布組成，混凝土板尺寸為80 cm×50 cm×8 cm(長×寬×高)，每塊砼板重約80 kg，浮重約48 kg，設計強度為C20，板與板連接采用Φ12“U”型環，用螺栓連接成整體，起抗沖和壓重作用。土工布在鉸鏈板下面，起反濾、抗沖作用(工程結構形式見圖2)。

圖2 鉸鏈混凝土沉排結構設計示意

2.3 應用簡要情況

安徽省長江崩岸應急治理工程由41個單項工程(標段)組成，分9批招標實施。鉸鏈混凝土沉排應用在其中的7個單項工程，包括江調圩、秋江圩、泥洲、長沙洲、鳳凰洲、永紅轉拐和大榮圩，完成混凝土系排梁16 192 m3，鉸鏈混凝土沉排546 960 m2，治理岸線8 320 m，完成合同額13 632.89萬元，占總投資的21.1%。項目實施基本情況見表1。

表1 鉸鏈混凝土沉排技術應用情況

3 技術應用效益分析

根據安徽省長江崩岸應急工程應用鉸鏈混凝土沉排技術的實施情況，從工效比較、完成工期進行分析。

3.1 工效定額分析與比較

綜合進行人工、材料和機械臺班消耗分析，包括工效確定、人工消耗量分析、材料耗量分析和機械臺班使用分析[3]，結合施工單位投標報價，沉排單價為72～80 元/m2。與之比較，工程附近的崩岸段采取拋石施工方法，以平均拋厚1.2 m計，拋石單價為107～123.6元/m2。

3.2 工期分析

鉸鏈混凝土沉排實施的關鍵線路是沉排，其混凝土塊預制、系排梁澆筑與排布定制，可以平行施工，且預制和排布制作不受天氣因素的影響。從表1可見，應用的7個單項工程施工工期為6～12個月，單項工程施工工期8個月，日平均強度為71 000元/d。而采用拋石護岸施工，石料采購受山場開采影響，運輸受風雨雪天氣影響，同期施工的拋石工程，單項工程施工工期為10個月，日施工強度約為56 000元/d，制約施工進度的因素較多。

3.3 崩岸預警變化

比較鉸鏈混凝土沉排段實施前后的崩岸區預警情況可知，治理前，7段崩岸預警級別為Ⅰ～Ⅱ級，江調圩、長沙洲為Ⅰ級，大榮圩Ⅲ級，其余均為Ⅱ級。沉排后，2019年項目區預警級別調整為江調圩、長沙洲為Ⅱ級，秋江圩為Ⅲ級，其余區段解除崩岸預警。

4 問題與處理措施

安徽省長江崩岸應急工程中應用鉸鏈混凝土沉排技術的實施過程中，先后遇到系排梁高程變更等問題，問題的產生和解決具有普適性。

4.1 系排梁高程

系排梁設計高程為當地平均枯水位，即圖1中的水位①。水位①是采用長系列(1950—2012年)資料推算而得的多年平均枯水位，時間是每年的12月到次年的2月。有研究表明長江三峽蓄水前后，對安徽段水位有一定的影響，汛期調峰作用有效減輕中下游的防洪壓力，而汛前三峽騰空庫容，使得長江沿岸三四月“桃花汛”提前到來。

圖3 大通水位流量過程線示意

從圖3長江大通站水位過程線可以看出，近年來長江枯水位比同期常年平均枯水位要高1～2 m。7個項目按設計枯水位選定的系排梁高程，均因實時水位超過設計高程而無法施工。系排梁是固定排體的重要結構，因汛前無法施工，整個工期將順延一個年度。通過設計變更，7個單項工程系排梁高程抬高0.8～2.0 m。長江安徽段設計枯水位的計算，宜綜合考慮施工時間以及上游來水狀況適當調整。

4.2 排體長度計算

由排布、鉸鏈混凝土塊組成的排體，是沉排工程的主體，排長按經驗公式確定為固定值。然后實際的岸坎沖刷坑的自然狀況是弧形凹向岸邊，造成岸灘沖刷的深泓線不會絕對平行于岸線，因此固定排長值難以達到實際防護效果。建議排長按L+5～10(m)即覆蓋沖刷坑或深泓線加安全距離計算。

4.3 補坡及裹頭

沉排工程的單塊排面積約為800～1 400 m2，從近岸沉放至深水區，其自然岸坡呈凹凸狀，崩岸段往往會出現部分高程區間局部岸坡較陡。盡管大塊排體覆蓋后能防止繼續沖刷，但為維持岸坡長久穩定，沉排前根據施工測圖，對高程區間大于2 m以上、局部坡度陡于1:3進行定位拋石補坡。按照自下游而上游的沉排順序至最后一塊排，既處于工程最上游，又是迎流沖刷的開始，隨著水位變化，紊流對上游排體的作用產生淘刷，宜沿排橫向平順拋石壓排，起到裹頭作用。

4.4 水位變幅區

圖2中水位①和水位②之間稱為水位變幅區，排首到水位②之間的穩定，是保證系排梁基礎不被淘刷，從而保證岸坡及排體穩定的關鍵。變幅區的處理須根據岸坡地形情況，如岸坡較為平順，則選取土工布+碎石反濾防護，即在變幅區鋪250 g/m2的無紡布，其上再鋪一層30 cm的碎石。然后鋪排；如岸坡坡比陡于1:3，則采用本文4.3中的辦法補坡后，再鋪排。

4.5 質量檢測

沉排工程在水利工程質量檢測中，尚沒有統一的檢測標準，各地在檢測方面控制方法各異。航道整治中，采用檢測排布、混凝土強度以及施工后摸探的方法；此次崩岸應急工程檢測混凝土強度和排體。這些檢測內容僅對原材料、中間產品進行檢測，難以體現沉排位置和搭接寬度等。RTK(Real-time kinematic)作為一種GPS測量技術，指的是實時動態差分，至少用兩臺GPS接收機，同步觀測相同的衛星，解算出兩臺接收機之間的相對位置，從而得出相對于坐標系原點的位置，屬于載波相位測量。RTK是將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標，它的出現為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新的測量原理和方法。GPS-RTK 技術不僅具有操作方便、準確度高、受外界因素影響小等特點，還能實現平面實時定位，且自動化程度極高[4]。在沉排施工中應用RTK技術，可以實時觀測沉排位置，并打印沉排軌跡，作為沉排竣工圖。施工中，施工、監理和業主校驗坐標點等，并抽測不同沉排位置。保留常規的排布、混凝土強度檢測指標，結合RTK軌跡圖，形成完整的沉排質量檢測方案，完善鉸鏈混凝土沉排質量檢測手段。

5 工程效果

5.1 經歷長江洪水考驗

鉸鏈混凝土沉排工程自實施至完工，經歷了2016—2019年洪水期考驗，未出現崩岸險情，治理的崩岸段均安全度汛，防洪能力顯著增強。2018年和2019年汛后檢查發現，實施工程中系排梁穩定無沉降，排體適應河岸略有調整，凹凸高差在0.16 m以內，變形較小。

5.2 工程實施前后的測圖分析

在工程施工前后，分別組織有資質的測繪單位對工程區水下地形進行測量，繪制1:1 000或1:2 000測圖。工程完工后，對施工前后水下地形測圖進行了對比分析，及時掌握工程防護效果。利用施工圖階段水下地形測圖、施工前后及完工后水下地形測圖對比分析工程區岸坡穩定情況，采用ARCGIS軟件技術對工程區河床進行沖淤分析計算，逐段分析崩岸治理工程效果。通過分析，鉸鏈沉排治理崩岸工程實施，消除了崩岸隱患，各段工程區岸坡大于設計邊坡1:3，處于穩定狀態，工程區域河床沖淤互現，部分深泓近岸段排尾前端沖刷0.68～1.04 m，局部河床整體呈淤積狀態，淤積區集中在排首部位，淤積深度為0.17～0.53 m。

6 結語

鉸鏈混凝土沉排的混凝土預制塊制作、土工織物布生產加工，利用專用沉排船鋪排，機械化程度高，速度快，定位與展布易于控制，質量有保障。平順護岸防護可以適應河床地形進行護底，排體搭接后整體性好，施工后的岸灘可形成穩定的岸坡。鉸鏈混凝土沉排護岸適用于主航道附近的深泓近岸崩岸治理，施工前需要于航道、海事部門溝通協調，按規定布設航行標志和進行海事通告，確保施工安全。通過不同條件下的系排梁高程、排體長度、局部陡坡段設計以及水位變幅區處理等措施，完善工程設計，并改進質量檢測方法，以保證工程達到預期的治理效果。