水下軟體排護(hù)坡輕型鋼拖頭拖排技術(shù)

張吉順 冷珍華

中國葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

引言

水下軟體排護(hù)坡施工技術(shù)日益成熟，采用鋪排船對大江大河疏浚后的水下邊坡進(jìn)行防護(hù)施工，但是對于老河道的拓寬疏浚所形成的河道往往彎道多、灘地覆蓋廣，對于需要靠近岸邊施工的沉排帶來了較大的施工困難，易造成船只擱淺，帶來不小的安全隱患。針對復(fù)雜的水下灘地情況，通過研究輕型鋼拖頭拖排施工技術(shù)代替沉排和普通重型鋼拖頭施工技術(shù)，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某河道疏浚工程全長9.408km，全線渠道利用現(xiàn)有老河道采用挖泥船進(jìn)行水下擴(kuò)挖疏浚而成，河道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)斷面：河道底寬60.0m，底高程13.40m，灘地以下邊坡1∶4。沿線河岸灘地及彎道較多，加上通航要求，在船行波及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)定和安全，為防止渠道沖刷破壞、提高渠道水利用系數(shù)，減少糙率，加大流速，確保渠坡安全、護(hù)坡設(shè)計滿足保土、防浪、抗沖刷、防淘等功能，對臨水平臺以下采用C25綁扎式軟體排防護(hù)[1]。

1.1 水下軟體排結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下軟體排采用中間閉孔式混凝土預(yù)制塊結(jié)構(gòu)形式，自上而下分別為C25預(yù)制塊120mm、鋪排布380g/m2，預(yù)制塊通過綁扎帶綁扎在鋪排布上（如圖1a所示）。

1.2 主要施工方法

水下預(yù)制塊鋪設(shè)采用鋪排船進(jìn)行，鋪排布事先卷入船上的卷筒，施工時鋪排布在鋪排船甲板上展開，人工在排布上編排綁扎預(yù)制塊，通過綁扎帶將其牢牢固定在鋪排布上，形成整體的軟體排，隨后通過GPS定位和牽引，鋪排到達(dá)指定的位置進(jìn)行鋪設(shè)，形成一種平順柔性的護(hù)坡護(hù)岸，實(shí)現(xiàn)水下邊坡的生態(tài)防護(hù)（如圖1b所示）。

圖1 水下軟體排沉排施工方法

2 工程難點(diǎn)

與旱地開挖形成的疏水渠道不同，老河道的水文條件與地質(zhì)條件經(jīng)過較長時間的變化變得較為復(fù)雜，設(shè)計的河道經(jīng)過開挖后仍有較多、較寬廣的灘地，灘地土層情況主要以淤泥質(zhì)土為主，包裹較多植物根莖。如果按照常規(guī)鋪排船的施工模式，將存在施工技術(shù)處理煩瑣、精度控制難度大等等問題。具體來說鋪排船施工灘地護(hù)坡過程中面臨如下難題[2]。

鋪排船易擱淺，難以靠近岸邊。采用鋪排船進(jìn)行沉排，需要將鋪排船外挑的可升降的弧形搭板靠在岸坡上，并在甲板及搭板上進(jìn)行預(yù)制塊綁扎，由于鋪排船空載和滿載吃水深度一般大于1.2～1.5m，運(yùn)輸船吃水深度一般大于1.5m，灘地水位不能滿足，導(dǎo)致鋪排船無法靠近作業(yè)。

鋪排船遠(yuǎn)距離張拉鋪排布無法綁扎預(yù)制塊。鋪排布為柔性土工布材料，在張拉繃緊的情況下也無法實(shí)現(xiàn)人員站立和承受大面積塊體綁扎過程中的塊體及人員荷載。

3 方案提出

如何解決項目施工過程中的難題，保證水下軟體排鋪設(shè)質(zhì)量和確保總工期的要求，需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。在經(jīng)過方案分析后施工難度的核心問題之一在于灘地淺、寬，若采用二次開挖將會增加施工成本，并且造成岸坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，鋪排船鋪設(shè)的本質(zhì)其實(shí)是預(yù)制塊形成的軟體排在排首固定的情況下由船體后退落入水中，沉在開挖好的水下坡面上，空間上是船體的移動，軟體排未移動。既然船體無法到達(dá)預(yù)定的位置完成軟體排下沉，那就通過在岸上完成軟體排綁扎，船體與排布一同后退，完成軟體排的水下拖拽至預(yù)設(shè)位置。

4 拖排技術(shù)研究

4.1 前期規(guī)劃

根據(jù)提出的方案，確定在灘地寬廣的河道上進(jìn)行水下軟體排防護(hù)采用拖排的方式進(jìn)行，做好方案的規(guī)劃設(shè)計是解決項目難點(diǎn)成功的開端。根據(jù)《堤防工程施工規(guī)范》（SL260-2014），無滑板鋪排船水下拖拉鋪排主要在岸坡上完成水下軟體排的綁扎和固定，排頭的位置采用鋼拖頭，利用鋼拖頭的重量在船舶的牽引下在水下邊坡坡面上滑動，帶動排體滑動，待排首滑動到鋪排范圍的末端或岸上錨固段被拉直緊繃則視為已完成該塊鋪排[3]。

4.2 拖頭優(yōu)化

在灘地寬廣且無法使用大型牽引船的情況下，重型鋼拖頭的拖排施工容易造成鋼拖頭陷在灘地的淤泥中，導(dǎo)致拖排施工失敗，也無法進(jìn)行補(bǔ)救，因此需對重型的鋼拖頭進(jìn)行優(yōu)化，采用軟體排輕型鋼拖頭拖排（如圖2所示）。拖排施工中，船上繩索與拖頭存在一個高度差，在牽引船拉力的豎向分力能夠大于等于鋼拖頭的重力、水平分力能夠大于等于拖頭和排體的摩擦阻力時即可完成整個排體的滑動。想要避免拖頭陷入淤泥中，在拉力保持不變的情況下，就要減小鋼拖頭的重量同時又不能改變其剛性，以防止柔性的排體在垂直水流方向上發(fā)生褶皺。目前工程施工材料中，剛度、強(qiáng)度大，自身重量小且外形結(jié)構(gòu)便于滑動、易取得、易加工的主要有工字鋼和槽鋼，二者作為重型鋼結(jié)構(gòu)拖頭的替代者，可引導(dǎo)排體在近乎垂直的水下灘地面上滑動，有利于通過船體對排體的滑動控制。

圖2 水下軟體排拖排施工方法

4.3 材料應(yīng)力計算

對于鋪排過程中拖拉應(yīng)力的分析，主要以牽引船的牽引拉力、單塊排體受拖時的應(yīng)力來反算驗(yàn)證排布及繩索的強(qiáng)度。

4.3.1 應(yīng)力分析。應(yīng)力分析是拖排施工可行性分析的重要一環(huán)，牽引船提供牽引拉力F，作用在牽引繩索上力為F/cosθ1，作用在鋪排布上的應(yīng)力為F，軟體排塊體重量為G，摩擦系數(shù)為K，則所需克服的摩擦力為f=KGcosθ2。

首先分析牽引船是否能夠拖動排體，則需要比較牽引拉力F與軟體排所需克服的摩擦力f的大小關(guān)系，根據(jù)實(shí)際計算，牽引船直接采用鋪排船，鋪排船上配置的300kW電機(jī)，拖拉速度按0.1m/s換算后牽引力3000kN。鋪排布與地面的摩擦系數(shù)取值0.5，現(xiàn)場采用的鋪排布為22m寬，長度按45m計算，單塊排體重量約為207t，動摩擦阻力為1035kN，滿足牽引需要。

4.3.2 排布加筋帶驗(yàn)算。依據(jù)《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTS/T 148-2020）計算排體極限抗拉強(qiáng)度時，縫制加筋帶方向可僅按加筋帶受力計算，擬通過選用加筋帶的強(qiáng)度來推求軟體排施工期抗拉安全系數(shù)是否達(dá)到規(guī)范的要求，復(fù)核加筋帶規(guī)格選用是否合理[4]，抗拉安全系數(shù)公式如下：

式中：Ksm－軟體排施工期時縱向抗拉系數(shù)，施工期取2～3；

Tsm－排體極限抗拉強(qiáng)度（kN/m），縫制加筋帶時，加筋方向僅按加筋帶受力計算。

Fsm－軟體排縱向和橫向承受的荷載（kN/m）；

G1－滑板上排體的重量（kN/m）；

G2－懸空部分排體的重量（kN/m）；

α－施工時鋪排船滑板的水平傾角（°）；

Pw－施工時排體受到的水流力。

考慮在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2.44，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)。

4.4 輔助滑動措施

輔助滑動主要為岸上軟體排部分采取減小摩擦阻力的措施，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，岸上的地質(zhì)條件和地形根據(jù)部位不同，主要分為坡度較大的堤坡類地形和坡度較緩的平原類地形，不論哪種地形，在實(shí)施之前，都應(yīng)清除干凈場內(nèi)凸出的雜物，防止刮傷鋪排布。

輔助滑動是減小鋪排布與下部接觸面的摩擦力，一種方法是改善接觸面的摩擦系數(shù)，工程中類似施工常用措施為砂石墊層法，作為線性工程的水下軟體排鋪裝，砂石墊層助滑成本較高。另一種為在接觸面之間增加一道土工材料，其中以聚乙烯或聚丙烯彩條布成本低、易重復(fù)利用的特點(diǎn)可作為首選，在實(shí)際工程運(yùn)用過程中，聚乙（丙）烯彩條布能將摩擦系數(shù)降低，防止?fàn)恳瑒恿Σ蛔愣斐蓹C(jī)械設(shè)備損壞[5]。

5 結(jié)束語

輕型鋼拖頭拖排技術(shù)可以解決在灘地較多的河道中沉排困難且質(zhì)量無法保障的問題，在船體無法靠近岸邊實(shí)施水下鋪排的情況下，與分段綁扎下沉相比，采用輕型鋼拖頭拖排技術(shù)一次性完成軟體排施工的效率提升明顯。但水下軟體排護(hù)坡輕型鋼拖頭拖排技術(shù)是一個較為系統(tǒng)的施工過程，需要做好各種規(guī)劃，同時要考慮后續(xù)施工過程中各種需要，不然單純的理論模型施工在實(shí)際運(yùn)用過程中往往會遇到各種各樣的問題，如水流、風(fēng)浪等因素的影響。后續(xù)可在拖排施工的速度、適用性、實(shí)用性和易用性方面進(jìn)一步開展研究，作為一項更加成熟的施工技術(shù)應(yīng)用在河道水下邊坡防護(hù)上。