軟體排冬季施工技術在松花江整治工程的應用

管效仲

(黑龍江省航道事務中心,哈爾濱 150001)

0 引 言

軟體排護底技術在松花江航道整治工程中已得到了廣泛應用,一般選擇在河流暢流期進行施工。但松花江是季節性封凍河流,暢流期僅為200～210d,封凍期一般為140d左右,封凍期最大冰厚可達1.6m,一般每年的暢流期內可進行正常施工的天數僅有6個月左右,成為制約松花江航道整治工程施工的主要瓶頸。在多年工程實踐中,黑龍江航道人創新性地總結出了冰上碼方筑壩和開冰槽拋石筑壩的冬季施工方法,為航道整治工程施工開辟了新途徑,同時還實現了提高工程質量、加快工程進度和降低工程費用的目的[12]。但軟體排護底工程是整治工程的基礎,該工藝不實施后續的壩體拋石就無法進行,當然也就無法發揮出冬季施工的優勢。為此,有必要對航道整治工程軟體排護底工程進行冬季施工的可能性進行研究,文章通過對現有技術冰面上沉排法進行研究分析,分析其應用于深水區存在的缺陷,提出全新的解決方案[3]。

1 現有技術分析

1.1 冰面上沉排法簡介

松花江作為北方寒區河流暢流期可滿足施工的時間較短,一些大型水利項目往往因暢流期可利用時間短致使工藝安排不合理甚至無法按時完工。為加快工程進度,一些水利堤(岸)坡防護工程就采用了冰面上沉排法,收到了較好的效果。

冰面上沉排法,即利用冬季寒區河流封凍的冰面進行軟體排施工,有自然沉排法和強迫沉排法。自然沉排法主要是在河流即將解凍時完成沉排,排體隨冰層融化逐步下沉實現著床。此法宜在流速≤0.6m/s,水深在3m以內的情況下采用。強迫沉排法是在河流解凍前即完成沉排,在排體壓載完成后,在其上下游兩側開冰槽,在其臨水側前約0.5m處每隔2m開冰眼進行沉排。冰槽和冰眼均不得打穿,根據事先測得的當地冰層厚度,留10～15 cm,待所有冰槽和冰眼開好后,同時打穿。此時,河水隨之溢出,由于水的浮托力迅速減小,加之水溫的作用,冰層在排體壓載作用下很快斷裂,排體能基本均勻地迅速下沉。當水深>3m,排體面積很大時,宜采用強迫沉排法。

1.2 對冰面上沉排法的分析

冰面上沉排法的特點是,鋪排、壓載和沉排均在冰面上完成,一般采用錨固槽或打樁等措施將排體臨岸一邊固定在岸坡上。該方法有效地解決了水利堤(岸)坡防護工程冬季施工的難題,因其具有施工質量好、施工速度快、投資省、防護效果好的特點,在黑龍江、松花江、嫩江、額爾古納河、遼河等均有應用。

通過對相關工程案例的研究發現,冰面上沉排法在河流近岸淺水區應用比較成功,對于離岸較遠項目,因水深流急又遠離堤岸,施工質量和施工安全均難以掌控,存在以下缺陷:

1)若壓載不及時、不同步,容易發生排體局部下沉。

2)排體下沉過程中可能發生翻排、卷排等質量事故。

3)壓載過程中可能因冰層承載力不足而導致施工安全事故。

4)若因上述問題導致冰面破壞,則短期內無法繼續施工。

5)軟體排沉排完成后,冰面即大面積沉落,短期內無法進行后續工藝施工。

6)冰層較厚時,為克服冰的浮托力需要額外增加壓載體重量,從而增加工程造價。

綜上所述,若將現有技術冰面上沉排法應用于深水區的丁壩、鎖鎖和順壩等航道整治工程,施工質量和施工安全難以掌控,施工效果勢必難以實現。為解決這一難題,提出了全新的解決方案——一種軟體排的冰面下沉排施工工藝,即冰面下沉排法,該工法于2023年2月17日獲得國家發明專利(授權公告號:CN 114164800 B),現介紹如下。

2 冰面下沉排法

2.1 施工準備

1)冰厚測量:為確保施工安全,施工前有必要對施工區域及施工通道的冰層厚度進行測量,當冰層厚度達到50cm以上時,方可安排四輪運輸車等小型設備在冰面上施工作業。

2)水深測量:水深測量是指對壩位河床斷面進行水深測量,可打冰眼后用探桿摸測,掌握壩位河床地形,判斷是否有局部坑洼需要填平處理。

3)場地清理:包括清理施工區域和施工通道冰面上的積雪和雜物以及冰面下的障礙物。

4)排體加工:擬定好排體規格、沉排順序及搭接方式后即可進行軟體排加工。為增加軟體排抗拉強度,在排體縱向(順水流向)和橫向(垂直水流向)間隔縫制多條加筋帶,為便于排體展開,在其橫向邊緣用φ10以上鋼筋做加筋帶。

5)施工設備:主要為小型裝載機、挖掘機和小型翻斗車等。

2.2 施工流程

冰面下沉排法具體施工流程詳見圖1。

圖1 冰面下沉排法施工流程圖

圖2 排體冰槽冰眼平面布置示意圖

2.3 施工要點

1)定位、放樣:采用全站儀或GPS定位技術,預先在冰面上確定軟體排護底的范圍和每幅排體沉排邊線,并將其標示出來。

2)開冰槽、打冰眼:在預定沉排位置排頭(上游)和排尾(下游)分別開鑿2個寬0.6～1.0m的冰槽,冰槽長度≥排體橫向寬度,冰槽間距與排體縱向長度相同。在沉排范圍內梅花型均勻布置冰眼,冰眼間距取3～5m,冰眼大小以中等大小塊石(或其他壓載體)能夠順利通過為宜。在排頭冰槽上游再均勻布置穿繩冰眼,所開冰眼距排頭距離要大于沉排位置水深,可取實際水深的1.2～2.0倍,并在冰眼附近埋設臨時小系纜樁。

3)排頭鎖定:將上游排繩(可用φ16尼龍繩)的一端穿過穿繩冰眼通過冰面在排頭冰槽出水后系結在排頭邊緣加筋帶上,每塊排體設排繩不少于4根,用同樣方法依次系好每根排繩,收緊所述排繩的另一端并系結在預埋好的系纜樁上,使排頭邊緣與所述冰槽上緣對齊。

4)穿桿引繩:采用穿桿引繩法使下游排繩在冰面下穿過。每塊排體的下游排繩≥4根,將所述排繩的一端均勻系結在排尾邊緣加筋帶上,另一端用引纜繩(φ6彩色尼龍繩)系在一起,再將引纜繩自由端系在竹竿(長3～5m)上,人工引導使竹竿從排頭冰槽入水在排尾冰槽出水,撈起竹竿和引纜繩,再通過引纜繩撈起排繩。至此,所述排繩均已穿過冰面。

5)排體展開:在上游冰槽放排布入水,先讓排尾入水,排頭已鎖定,下游排繩均設專人控制,使排體位置對準沉排邊線,借助水流力作用使排體在冰面下平順展開。

6)排體壓載:先在上游冰槽處集中拋石壓排頭,用探桿進行摸測確認排頭完全著床后,再自上而下依次向冰眼內拋石,直至該排體全部著床。釋放排繩撈起備用。

7)排體縱向搭接:以順壩為例,采取自下而上的施工順序,排體間縱向搭接,搭接長度取2m。原上游冰槽作為排尾冰槽,在其上游新開相同尺寸冰槽作為排頭冰槽,要使冰槽間距比排體縱向長度<2m。再按照步驟(2)所述布置拋石冰眼、穿繩冰眼和系纜樁,再重復步驟(3)～步驟(6)完成所述排體的沉排,直至一幅排體沉排完成,所述排體幅寬與排體橫向寬度相等。排體縱向搭接示意圖,見圖3。

圖3 排體縱向搭接示意圖

8)排體橫向搭接:以鎖壩為例,采取從左岸向右岸的施工順序,排體間橫向搭接,搭接長度取2m,排體縱向長度為排體幅寬。沿著整幅或分幅排體的上下邊線向右延長排頭冰槽和排尾冰槽至擬沉排體右側邊線(考慮搭接長度后)位置,為便于排體展開可以使所述冰槽超過所述邊線位置。再按照步驟(2)所述布置拋石冰眼、穿繩冰眼和系纜樁,再重復步驟(3)～步驟(6)完成所述排體的沉排,直至一幅排體沉排完成。排體橫向搭接示意圖,見圖4。

圖4 排體橫向搭接示意圖

9)下一幅排沉排:對于順壩,確定下一幅排的起始位置后,重復步驟(2)～步驟(7)完成所述排體的沉排,直至所述壩體軟體排全部沉排完成。對于鎖壩,確定下一幅排的起始位置(考慮兩幅排體間搭接)后,重復步驟(2)～步驟(6)以及步驟(8),完成所述排體的沉排,直至所述壩體深水區段內軟體排全部沉排完成。

10)質量檢測:主要檢測排體的著床情況和搭接情況,可通過打冰眼摸測,也可通過水下攝像設備檢測。如有局部排體漂浮,可通過加密冰眼再拋石。如有局部搭接不合格,可采取所述沉排方法補沉一塊軟體排覆蓋所述位置。

11)補拋壓排石:沉排完成后,排上壓排石可能不足,可繼續采取開冰槽(冰眼)的方法補拋壓排石,所開冰槽(冰眼)要避開已拋石位置。也可以在開江后暢流期用船舶裝運石料補拋壓排石。

2.4 淺水區處理

該施工工藝比較適合壩位水深>1.2m的區域,對于水深較小的淺水區段或端頭部位,軟體排在水下可能無法通過。對此段排體可采取冰面上沉排法作業,再與深水區排體搭接。

3 實施效果

軟體排冰面下沉排法是利用松花江季節性封凍河流的特性,以冬季可承載的冰面為依托,采取分離壓載方式,實現軟體排的冰面下沉排。該工藝解決了北方寒區河流航道整治工程冬季無法進行護底施工的難題,規避了采取冰面上沉排施工面臨的諸多風險,具有以下有益效果:

1)采取開冰槽、打冰眼這種“微創式”施工方式,壓載過程基本不破壞冰面,施工安全有保障。

2)先鎖定排頭,再自上而下拋石壓載,充分利用水流作用使排體逐漸著床,避免了排體漂移、翻排、卷排等質量事故的發生。

3)冰面厚度達到50cm即可開始施工,可采用小型自卸翻斗車冰上運料,不必進行冰面增厚等施工作業。

4)沉排后冰面可快速封凍,不影響后續施工,可使冬季施工期得到有效利用。

5)壓載體用量不受冰厚影響,可降低工程造價。

6)施工受約束條件少,工藝簡單,可多個作業面同時作業。

4 結 語

現有技術的冰面上沉排法在河流近岸淺水區項目應用比較成功,但對于深水區的丁壩、鎖鎖和順壩等軟體排護底工程存在很多缺陷,為此提出了全新的解決方案——冰面下軟體排施工工藝。以冬季可承載的冰面為依托,采取分離壓載方式,實現軟體排的冰面下沉排。該工藝規避了現有冰面上沉排法存在的一些技術缺陷,解決了北方寒區河流冬季無法進行軟體排護底施工的難題。以此為基礎,實現了航道整治工程從軟體排護底到壩體拋石全過程的冬季施工。該技術的應用對寒區河流航道整治工程建設水平的提升具有一定積極意義。