順水沉排技術在航道整治工程中的應用

喻 龍

（江西省贛西航道事務中心,江西 宜春 336000）

0 引言

系結壓載軟體排護灘構筑物在航道整治工程中的應用越來越廣泛，其在穩定邊灘、避免航槽擺動，改善枯水航道條件等方面發揮著越來越重要的作用。該技術主要通過土工合成材料和壓重材料共同制成系結式排體，順水流向沉排后，起到保護排體底部床面泥沙免受淘刷的作用。就沉排及水下鋪排工藝而言，主要采用翻板形式引導排布沉入水體，因受鋪排船長度、排體結構及水流等因素的影響，對于水深和水流流速均較大的區域，發生滑排、撕排、排布卷起、沉排偏離設計位置情況的可能性也較大，影響沉排施工質量和航道整治效果。為此，必須結合航道實際，探索切實可行的沉排施工工藝，保證排布質量。

1 工程概況

某航道工程下游河道呈首尾窄、中間展寬的分汊形式，目前航道維護水深5.0 m，航道寬200 m，彎曲半徑為1 050 m，水深保證率為98%，按照月計劃維護。考慮該河道經常出現部分淺槽段，必須通過疏浚整治維持航道水深。根據航道發展規劃，2025 年該航道在寬度和彎曲半徑保持不變的基礎上，主要通過枯水斷面形態調整，減少漫灘水流，提升淺區段航道尺度，使水深增至6.0 m。

潛壩采用系混凝土塊軟體排護底，壩體為砂枕塊石混合結構，并在壩頂覆蓋鋼絲網石籠。水下護灘帶則通過系混凝土塊體軟體排與塊石蓋面的形式守護。以上航道整治施工任務擬定于3 個枯水期內完成，其中主體工程在2 個枯水期內完成。

2 鋪排方式及受力分析

2.1 鋪排方式

軟體排水下鋪排方式主要有垂直水流鋪排、順水流鋪排及逆水流鋪排三種。垂直水流鋪排即從岸邊開始順著河道橫斷面向河道中心鋪排。在綁扎壓塊時，將沉排邊緣首列卡入滑槽中，避免沉排滑動，同時起到鋪設引導作用。在水流流速較大時，水流流向必然與沉排方向不完全平行；鋪排船頭部阻水后會在沉排上游引發繞流，向沉排施加較大的切向沖擊力和拉扯力。該力不均勻作用于上游端滑槽首列排體，滑塊極易被拉開，引發排體向下游滑動。

順水流鋪排即鋪排船從上游開始沿水流向下游鋪排，容易造成排體懸空部分受力過大，沉排不暢，甚至拉斷軟排體。此外，還會因鋪排船受力不均，造成船體局部受拉，引致傾斜失穩。

綜合比較后，該航道整治工程選擇順水鋪排施工方式，通過加強排體懸空部分及鋪排船受力控制，保證沉排過程順利進行。

2.2 順水沉排狀態

在鋪設順水沉排時，如果船體移動速度明顯快于鋪設速度，軟體排會順著船舷快速向下垂直滑動，直到抵達河床；滑動過程中產生一定的動力荷載。該航道整治工程中順水沉排鋪設過程見圖1。圖中（1）為軟體排沿船舷快速垂直向下滑動至河床，這一過程中排體主要承受垂直向下的重力、動水壓力、卷排筒剎車期間產生的附加動力荷載；（2）鋪排船順著鋪排方向前移的速度超出放排速度，部分排體懸吊于水體并呈懸鏈線狀態，這一過程中當放排速度既定，隨著鋪排船移動速度的增大，拉力值也相應增大；（3）待卷筒處排布僅剩余一定長度后暫停移船，并剎住卷排滾筒，軟排體下滑過程也相應停止，剩余排體仍以懸鏈狀掛鋪于河底，期間鋪排船拉力持續減小，最終降至零。

圖1 軟排鋪設過程

以上順水沉排過程中，狀態（2）下船舷處拉力最大，整個沉排體系處于最不利受力狀態[1]，為此，應對該狀態下的受力展開重點分析。

2.3 受力計算思路

鋪排方向與水流向的夾角并不固定，在垂直水流向上軟體排投影面積不為零的情況下，受到動水壓力作用后，即使排體下放速度超出船體移動速度，排體也無法在水體中保持規則形狀，動水壓力及排體內力計算存在較大難度。若不考慮動水壓力的作用，即在靜水中鋪設排體，則排體受力過程得以簡化。為此，該文先分析靜水中排體受力，再根據經驗公式分析排體受動水壓力的影響，最終確定出動水壓力作用下排體所受拉力。

式中，C表示兩個系統的耦合度。C值越大，表示系統間的相互作用越強，反之則越弱。、分別代表旅游經濟和生態環境系統的評價指數，該指數越大，說明系統有序發展狀況越好，反之則越差。計算公式如下：

2.4 靜水中排體受力

當鋪排船運行于靜水中時，排體在水下部分呈懸鏈線狀，為此，采用懸鏈線理論[2]展開排體水下部分受力情況分析。按照該理論，在均質鏈條兩端懸掛的情況下，因受到重力作用，自由下垂的鏈條形狀即為懸鏈線曲線。鋪排船移動時，排體所承受的拉力與船舶運行速度、排體下放速度等均相關；在排體下放速度既定時，鋪排船移動速度越快，排體承受的拉力也越大。

考慮排體和船舷相切處拉力最大，必須展開該部位排體受力情況分析。先將排體全部置于水下，再通過鏈條拉力公式計算靜水中不同鋪排船移動距離所對應的排體水下拉力[3]。公式如下：

式中，TA——排體水下部分承受的壓力（kPa）；W1——單位長度懸鏈的水下重力（kg）；g——重力加速度（m/s2）；c——懸鏈線參數；h——鋪排船與河底的垂直距離（m）。

2.5 動水中排體受力

在鋪排方向和水流方向呈一定夾角φ時，因受到動水壓力的影響，即使排體下放速度超過鋪排船移動速度，排體也無法在水體中保持垂直，而會出現不規則形狀，具體見圖2。動水壓力和排體內力的計算過程也變得更加困難，必須借助經驗法估算。根據對鋪排方向和水流方向相同及相反時靜水拉力與動水拉力之比的分析看出，當鋪排方向與水流向相反時，流速越大，排體所承受的拉力也快速下降；而當鋪排方向與水流向相同時，流速越大，排體所受拉力快速增大。根據順水及逆水時水流流速和靜動水拉力比T1/T2的關系，進行排體與船舷相切處拉力曲線的擬合[4]。

圖2 排體水下形狀

綜合以上分析，水深對排體所受拉力的影響較大，在表面流速及鋪排船相對位移一定時，水深每增大1 倍，排體所受拉力至少增大1 倍。在水深一定時，鋪排船相對位移對排體拉力影響較大，應加快順水沉排施工期間鋪排船運行速度，以減小鋪排船對排體的拉力。

3 順水沉排施工要點

3.1 施工準備

根據設計要求及工程實際，選擇合適的鋪排船及排墊材料。一般情況下，對于水深在15 m 以上（含15 m）的，流速在1.0 m/s 以上（含1.0 m/s）的工況，必須使用安全性能高的大型鋪排船和加強型排墊；而對于流速和水深在1.0 m/s 及15 m 以下的工況，選用一般鋪排船和普通型排墊即可滿足施工質量及安全要求。

施工前，還必須展開待施工區域水下測量，對于存在的突出異狀物必須及時清理，避免破壞沉排體。根據水下測圖所得出的特征點坐標，在電腦軟件中繪制沉排軌跡線，便于指導和分析施工過程。沉排前還應在鋪排船上架設GPS 天線，明確GPS 測點與沉排入水位置間的對應關系，同時在軟件中進行標識。

該航道整治工程因工期緊，任務重，整治施工期間航道不封閉，通航船只對施工過程存在一定干擾，故必須加強人員配置和現場組織協調。人員配備情況見表1。

表1 航道整治人員配置

3.2 排體結構

大流速河段應加強排體結構，具體而言，采用長度50 m 的排體，排寬則根據具體工況確定；排墊由單位質量≥280 g/m2聚丙烯編織布縫制。順著排體寬度向按25 cm的間隔布置7 cm寬的加筋條。加筋條下設置系結條。混凝土塊壓載體的規格與小流速河段一致。

3.3 排布安裝

結合作業面順序將鋪排船調遣至施工區上游端后拋錨，按照六錨定位順水沉排：

（1）右舷即出排舷側的前后錨與沉排上游端的縱向距離應控制在300 m 左右，并呈八字形控制，起到主錨的作用；錨纜與沉排軌跡線之間形成20~30°的夾角。

（2）在與施工區上游端縱向距離約200 m、與沉排軌跡線橫向距離同樣為200 m 的位置拋船艉錨，起到鋪排船橫移調整及輔助錨的作用；錨纜和沉排軌跡線之間形成40~50°夾角。

（3）左舷即裝載舷側面前后錨與沉排軌跡線的橫向距離也控制在300 m 左右，起到鋪排船橫移軌跡調整的作用。

（4）結合GPS 定位儀的顯示結果，將鋪排船調至施工區上游端水深1.5 倍的位置定位，并使船向垂直于沉排軌跡，各錨纜均勻受力。

底排安裝的目的在于為排尾沉放提供充足的牽引長度并增大卷排筒摩擦力。該航道整治工程共使用1 條50 m長的底排。安裝前在操作平臺上打開排布并鋪平，將排布繞過導排梁后用φ15 mm 雙股尼龍繩將排端加強筋系環和卷排筒系牢，緩慢旋轉卷排筒，以使排布平順卷入，避免折疊，待排布末端與卡排梁相距1.0 m 時結束卷排，并放開卡排梁后將排布壓住，此后啟動卷排機構，使排布進一步卷緊。在以上過程中，必須密切關注排布受力，待其收緊后應立即關停卷排機構，避免因過大的機械受力扯斷排布。

排尾繩安裝是排尾準確沉入河床的保證。結合該航道整治工程沉排段實際水深，截取30 根長度為所在水域水深3 倍的φ20 mm 尼龍繩，將繩體端綁系于底排尾端加強筋肋環處，另一端則穿過加強筋套環后拴接在底排尾端。通過卷排筒的轉動，使排尾繩卷布于卷排筒內。

3.4 沉排施工

通過人工方式將排頭布牽引至滑排板邊緣，并將鋪排船航行至施工區上端系排梁拋投位置，按照水深的1.5倍+排頭漂距確定具體定位。借助吊車將系排梁吊至滑排板邊緣后按次序放置；同時通過尼龍繩綁扎系排梁，預留出足夠長度的連接繩，并將繩尾與排布頭加強筋套環系結。

在施工平臺與滑排板上排布系結混凝土塊，考慮排頭入水期間僅存在排頭重力而無牽引力，為減少摩阻，施工平臺1 次只能綁系3 m 長的混凝土塊。依次按照30°、45°和70°的下放角將滑排板放至設計深度。通過卷排機施放排布，使施工平臺上系綁的混凝土塊排布依次向右滑動，并逐次放置水中，最后使排頭準確落入河床。

沉排過程中應實時觀測水深、水流流速、流向，如遇漲水及流速過大等情形應采取應對措施并盡快停止施工。通過輸送帶或克令吊將混凝土塊運至施工平臺，通過人工將塊體系結于排布。沉排期間作業船應按照與放排船同步的速度平行移動；移船距離應按照放排長度的95%確定[5]。沉排時先啟動卷排筒施放排布，再啟動移船絞車。

順流沉排按照5~6 m 的寬度橫向搭接，當水深、流速均較大時，縮排影響也較大，必須適當增大搭接寬度。

4 結論

綜上所述，航道整治工程沉排施工過程受航道水深、水流流速、施工技術水平等的影響較大，必須在沉排施工前對靜水及動水中沉排受力情況展開分析，并加強施工方案優化設計；通過定位、空排、壓載等現場試驗，加強排體及纜繩受力控制，制定相應的安全預案。在采用了該文提出的方案和措施后，該航道整治沉排期間船機受力均未超出額定荷載，排體也無任何撕裂跡象，鋪排船控制較好，沉排效率高，為類似工程深水順水流沉排提供了成功經驗。