水下混凝土聯鎖片軟體排護坡設計及施工方案優化

李建英

（中國水電建設集團十五工程局有限公司第三工程公司,陜西 西安 710068）

1 項目概況

1.1 工程概況

引江濟淮工程由長江下游上段引水,向淮河中游地區補水,是一項以城鄉供水和發展江淮航運為主,結合灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態環境等綜合利用的大型跨流域調水工程,是集供水、航運、生態等效益的一項水資源綜合利用工程。引江流量300 m3/s,入淮流量280 m3/s。輸水干線長723 km,自南向北可劃分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落,共設八大節制樞紐。

1.2 道施工標段

J002-1 標段位于江淮溝通段內,起點派河口泵站樞紐,終點金寨路橋。對應河道樁號3+240～18+220,總長14.98 km。河道設計標準斷面：河道底寬60.0 m～180.0 m,底高程 1.8 m,其中J3+240～15+340 渠道南岸為退堤段,迎水側邊坡 8.6 m 高程設一級平臺,平臺寬度 7.5 m,平臺以下邊坡坡比為 1∶4,平臺以上邊坡坡比為 1∶3；北岸為疏浚段,疏浚坡比為1∶4,疏浚至現有平臺高程；J15+340～18+220 段為城區段,渠道兩側8.6 m高程設一級平臺,平臺寬度7.5 m,平臺以下邊坡坡比1∶3,平臺以上采用灌注樁直墻。主要施工內容有：河道疏挖、堤防退建、護坡護岸、灌注樁直墻、管護道路、新建渠系交叉建筑物、水土保持等。

2 原設計方案及存在問題

2.1 原設計方案

江淮溝通段 J002-1 標輸水渠道系利用現有派河河道擴挖疏浚而成,沿線彎道迎流頂沖凹岸眾多,在船行波和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定安全。為了防止渠道沖刷破壞、提高渠道利用系數,減少糙率,加大流速,確保渠坡安全,J002-1 標一級平臺8.6 m 高程以下邊坡表面均采用12 cm 厚C25 水下聯鎖式預制塊護坡,土工布為500 g/m2聚丙烯長絲無紡土工布,鋼絞線采用稀土鋅鋁合金鍍層鋼絞線,鉸接塊之間采用稀土鋅鋁合金鍍層鋼絞線串聯成聯鎖片,鋼絞線在穿拼時以U 型穿拼,并用U 型卡子鎖扣,將相鄰兩根鋼絞線進行錯位連接,最后再采用吊裝鋪設。渠底坡腳采用水平鋪設2 m 作為固腳。南岸J3+240～18+220 段、北岸J16+870～18+220 段軟體排排頭系接在坡頂鋼筋混凝土連系梁上；北岸3+240～16+870 段軟體排排頭系接在C60 預應力混凝土空心方樁上。

2.2 原設計方案存在的問題

（1）塊體損壞率高。原設計排體孔隙率小,僅為5%,塊體之間咬合緊密,吊裝過程中塊體容易受擠壓破損,損壞率高,塊體質量難以保證。

（2）適應變形能力差。原設計排體采用鋼絞線串聯,塊體之間采用鎖扣自鎖,排體緊湊、變形能力小。派河河道天然彎道較多,北岸疏浚后不改變現有河道走勢,局部段存在疏挖不到部位,這些部位高低起伏,容易造成排體懸空。

（3）施工受場地條件影響大?，F有派河北岸大部分灘地處于常水位以下,施工設備無作業平臺。南岸及城區段北岸雖然預留了親水平臺,但是平臺寬度僅為 7.5 m,且離水面距離小,平臺承載力差,無法供大型吊裝設備作業。另外,原北岸排頂采用系排樁固定排頭,在北岸無灘地的部位,系排樁無法實施。

（4）吊裝效率低。由于河道長,鋪排量大,施工期歷時較長,采用吊裝施工時,首先需要在岸上將塊體穿接成排后再進行吊裝,施工效率低下。在前期項目受疫情、汛情的不利影響下,施工進度受到嚴重影響,施工需要提高效率來加快工程進度,保障施工工期。

（5）鋪排船工效高。根據調研國內的河道鋪排案例,采用鋪排船水下鋪排時,鋪排效率高,施工不受場地影響,進度容易控制。

基于以上緣由,為保障岸坡穩定,控制水下軟體排質量,提高施工工效,切實推進水下軟體排施工進度,對水下軟體排的塊體結構型式、預制塊拼接布置、排布材料、系排方式等進行優化調整是必要的。

3 優化設計方案

根據現場考察及試驗驗證,采用預制塊與鋪排布有效連接后、采用鋪排船施工方案是有效可行的。因此J002-1 標水下鋪排方式采用鋪排船進行水下作業施工。排體選擇上,根據 《水運工程施工標準化建設指南施工工藝篇-內河航道整治工程》推薦軟體排混凝土壓載塊建議,J002-1 標軟體排結構型式調整為“x”型水下軟體排；土工布調整為380 g/m2的丙綸復合布。

3.1 軟體排預制塊結構設計

“x”型水下軟體排壓載塊體采用C25 混凝土預制塊,混凝土強度等級為C25,塊體長寬均為46 cm,厚度為12 cm,四周邊緣采用3 cm×3 cm 倒角,單塊材料用量為0.024 m3,重量約57.48 kg,單塊之間連接采用φ14 的丙綸繩連接,單塊之間凈距為5 cm,孔隙率約19.6%。

聯鎖片由C25 混凝土預制塊工廠化一次加工而成,初擬矩陣擬定為10 塊×8 塊（可根據實際排體長度調整）,矩陣外沿尺寸為4.03 m×5.05 m,預制塊采用φ14 丙綸繩連接。

3.2 鋪排布設計

鋪排布采用380 g/m2丙綸復合布（230 g/m2長絲機織布和150 g/m2無紡布的復合布）,排布上垂直水流向長度與鋪排長度相同,排布垂直水流向布置7 cm 寬丙綸加筋帶,加筋帶中心距為51 cm,即每條加筋帶布置在預制塊中間部位；在每個聯鎖片矩陣四周的加筋帶上每間隔51 cm 設置一個7 cm 寬、直徑約為8 cm 的丙綸帶系環；排頭和排尾平行于水流方向各設置一條加筋帶,并設置丙綸帶系環,加筋帶與丙綸環的型式同上。

3.3 排體設計

軟體排由鋪排布及聯鎖片矩陣通過綁扎連接組織,根據工程實際,J002-1 標段最終選擇滾筒長度為40 m 的大型鋪排船,排布設計首先應考慮幅寬盡可能的接近滾筒長度,提高一次鋪設寬度,從而提高工效；其次應考慮聯鎖片整片安裝,避免浪費,節約成本。

幅寬（每幅排體平行于方向的總長度）設計應考慮排體的實際鋪設長度應大于等于設計幅長。J002-1 標段鋪排布的幅寬設計為：0.2×2（排布幅寬方向兩側超寬0.2 m）+9×4.03（聯鎖片的橫向尺寸）+8×0.2（聯鎖片之間的間隙,垂直于水流方向間隙為20 cm）=38.27 m＜40 m（滾筒長度）,滿足要求。

理論幅長（每幅排體垂直于水流方向的總長度）=坡面長度（J002-1 標段迎水側坡比1∶4,平臺高程8.6 m,河底高程1.8 m）+坡腳水平固腳（2 m）=28.04+2=30.04 m,結合聯鎖片的實際尺寸,實際幅長=0.2×2（排布排頭和排尾超長0.2 m）+5×5.05（標準聯鎖片縱向尺寸）+1×4.03（非標準排體縱向尺寸）+5×0.1（聯鎖片之間的間隙,平行于水流方向間隙為10 cm）=30.18 m＞30.04 m,滿足要求。

因此排布及排體的最終尺寸確定為38.27 m×30.18 m,平行于水流方向布置9 個聯鎖片,垂直于水流方向布置5 個標準聯鎖片,1 個非標準聯鎖片。

4 優化施工方案

4.1 軟體排沉排優化

J002-1 標水下軟體排鋪設施工最終優化為利用大型鋪排船通過水上作業的方式進行沉排。沉排遵循原則：1）垂直水流方向由岸邊逐漸向河道中心鋪沉；2）順水流方向由下游向上游鋪沉。C25 混凝土聯鎖片集中工廠化預制,強度達到設計強度的100%之后采用2000 t 的深艙自航駁通過水上運輸至工作面與鋪排船靠泊,鋪排船利用自身GPS 定位系統將船體移動至需要鋪排的位置后下錨固定,作業人員將排布在甲板上展開并卷入滾筒,人工將排布排頭牽引至排頭固定位置后綁扎固定,再利用船上吊機將聯鎖片逐片吊裝至排布的指定位置,調整位置準確后,利用φ14 丙綸繩分別穿過聯鎖片預留鎖扣及排布丙綸帶系環后綁扎,平行于水流方向完成一排聯鎖片吊裝及系排后開始沉排,移船沉排至甲板上排體寬度剩余2 塊時（具體根據鋪排船的甲板寬度和現場實際情況調整,以便于下一排聯鎖片系排為原則）停止沉排,開始下一排聯鎖片吊裝綁扎,如此反復,直至排尾沉放完畢。沉排示意圖見圖1。

圖1 沉排示意圖

4.2 排頭固定方式優化

針對J002-1標河道北岸實際情況,排頭固定方式優化為：采用挖地溝、梯形C25 混凝土預制塊壓頂的方法固定軟體排排頭,地溝采用梯形斷面,底寬0.6 m,深0.9 m,兩側邊坡坡比 1∶0.5,地溝開挖后將軟體排排頭吊裝至地溝內,溝底埋置1 塊,沿梯形斷面斜坡埋置2 塊,確保地溝內每次預埋 3 塊軟體排預制塊。后將C25 混凝土預制塊壓頂吊裝于地溝內壓住軟體排排頭,壓頂采用C25 等腰梯形預制砼塊,長度為2 m,底寬為0.58 m,頂寬為1.36 m,高度為 0.78 m,上部設置2 道鋼筋吊環,方便吊裝,見圖2。

5 結論

通過采用C25 混凝土預制塊聯鎖片的護岸軟體排結構和鋪排船施工的施工方法,取得了以下成果：

1）通過現場實施可見,取消原設計排體采用的鋼絞線串聯,減輕了混凝土預制塊結構的單位面積重量以及優化預制塊輪廓,可減小鎖角部位破損,增強鋪排、吊裝的適應性,預制塊破損少,整體效果較好。

2）由于混凝土預制塊結構預制塊輪廓的優化,可以有效避免原有設計方案中出現的矩陣吊起中折角處預制塊擠壓破損,預制塊間聯鎖的卡扣破損嚴重等問題,能夠有效降低塊體損壞率,避免實際施工中施工困難等問題,提高材料利用率。

3）J002-1 標采用鋪排船水下鋪排的施工方法,依靠鋪排船采用水上作業鋪設大幅提高了鋪排效率,高峰期單船每班可鋪設完6000 m2,使施工不受場地影響,避免了由于河道長、鋪排量大而導致的施工期歷時長,吊裝效率低下的問題。

通過參照國內軟體排工程實例,采用C25 混凝土預制塊聯鎖片軟體排結構和鋪排船施工方法,對引江濟淮工程中護岸軟體排結構和施工方面進行優化,在提質增效方面達到了設計預期效果,能較好地滿足工程建設需要,對于類似工程具有較好的推廣應用價值。