徐天暢,張 偉,唐 印,張有鎖,常留紅，徐 斌

(1.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津 300450；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

四面六邊透水框架具有消能減阻的作用，能夠?qū)⒘鹘?jīng)框架的水流流速減小從而使泥沙形成落淤，進(jìn)而達(dá)到淤臨造灘、控導(dǎo)河勢(shì)、減輕沖刷、穩(wěn)定坡腳、保護(hù)堤岸的目的[1-2]。它具有透水性和生態(tài)性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)取材方便、預(yù)制容易，因此四面六邊透水框架在江河湖泊航道整治工程中被大量使用，已逐漸成為航道整治工程中不可或缺的工程構(gòu)件[3-4]。很多學(xué)者從透水框架的桿件長(zhǎng)寬比、架空率、截面形狀及尺寸、框架群拋投長(zhǎng)度及水流速度與流向等方面對(duì)透水框架的減速性能及其影響規(guī)律開(kāi)展了系統(tǒng)研究[5-6]，但是對(duì)其拋投工藝及其裝備的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

透水框架需要在空中甚至水下實(shí)現(xiàn)拋投，且拋投數(shù)量甚大，如長(zhǎng)江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程馬當(dāng)河段透水框架數(shù)量達(dá)到75萬(wàn)架。傳統(tǒng)的拋投透水框架方法是采用挖掘機(jī)拋投甚至是采用人工拋投，這兩種方法都存在每次拋投數(shù)量少、拋投效率低、安全隱患大、拋投成本高、拋投位置準(zhǔn)確度低等問(wèn)題。因此，亟待研發(fā)一種四面六邊透水框架空中自動(dòng)同步拋投工藝與裝置，以提高拋投效率、降低拋投成本、提升拋投準(zhǔn)確性、消除拋投安全隱患。

本文根據(jù)四面六邊透水框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及拋投要求，進(jìn)行不同拋投高度下透水框架漂距的理論分析，提出一種透水框架空中自動(dòng)同步拋投裝置，并對(duì)其拋投工藝進(jìn)行研究。

1 四面六邊透水框架結(jié)構(gòu)形式

四面六邊透水框架采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一次成型脫模而成，由上下兩部分組成，上部結(jié)構(gòu)的桿件橫截面為梯形+圓弧，截面兩側(cè)的寬度均為100 mm；下部結(jié)構(gòu)由3根桿件連接而成，每根桿件內(nèi)放置1根φ10 mm的鋼筋拼接成一個(gè)整體，鋼筋總長(zhǎng)為2 310 mm，桿件橫截面為梯形，尺寸為90 mm×100 mm×100 mm(上底×下底×高)；上部3根桿件內(nèi)各放置1根φ10 mm的鋼筋，每根鋼筋長(zhǎng)750 mm，框架總質(zhì)量為90.3 kg，構(gòu)件如圖1所示。透水框架采用整體式模具在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行預(yù)制，一次振搗養(yǎng)護(hù)成型，省去了焊接、除銹、刷防銹漆等工藝環(huán)節(jié)，顯著提高了透水框架的生產(chǎn)效率。由于鋼筋均預(yù)埋在混凝土內(nèi)部因而不會(huì)生銹，解決了焊接式透水框架容易被腐蝕、開(kāi)裂而致使桿件散落的問(wèn)題。

圖1 四面六邊透水框架(單位：mm)

2 透水框架拋投漂距理論

四面六邊透水框架在水面上方拋投后，受自身重力的影響會(huì)以一定的初速度進(jìn)入水中，入水后在水下重力和水流繞流阻力雙重作用下，在下沉的同時(shí)還會(huì)順著水流方向產(chǎn)生漂距，拋投漂距直接影響到透水框架拋投的定位精度和護(hù)岸效果，因此需要分析透水框架拋投漂距[7]。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將四面六邊透水框架簡(jiǎn)化為由6根長(zhǎng)度、截面形狀及尺寸均相同的混凝土預(yù)制桿組裝而成，則其到達(dá)水面的初始速度為v0：

(1)

式中：s0為透水框架拋投點(diǎn)到水面的距離，即拋投高度；g為重力加速度。

透水框架在水下沉降時(shí)的有效重力W為：

W=Vg(ρs-ρ)

(2)

式中：V為透水框架體積；ρs、ρ分別為透水框架和水的密度。

透水框架下沉?xí)r受到水的繞流阻力F為：

(3)

式中：CD1為透水框架縱向繞流阻力系數(shù)；A1為下沉?xí)r阻水的投影面積即阻水面積；v1為瞬時(shí)沉降速度。

當(dāng)透水框架在水中受到的繞流阻力F與其在水中的有效重力W相等時(shí)，則透水框架以穩(wěn)定速度v下沉：

(4)

透水框架下沉過(guò)程中，當(dāng)其在水面的初始速度小于穩(wěn)定沉速時(shí)，沉速會(huì)逐漸增大；當(dāng)初始速度大于穩(wěn)定沉速時(shí)，則沉速不斷變小，最后趨于穩(wěn)定?？紤]入水時(shí)的邊界條件t=0時(shí)，v1=v0，則透水框架的瞬時(shí)沉速v1為[8]：

(5)

根據(jù)瞬時(shí)沉速和水深，可以獲得透水框架由水面下沉到水底所需的時(shí)間t：

(6)

水流中的透水框架在水平面內(nèi)只受水流的推力，根據(jù)牛頓第二定律可知：

(7)

式中：CD2為修正系數(shù)；A2為透水框架在水流方向的投影面積及水推面積；u為水流速度；v為透水框架在水流方向的瞬時(shí)速度。

(8)

單個(gè)透水框架漂距試驗(yàn)是在長(zhǎng)、寬、深分別為42、0.8、0.8 m的水槽中進(jìn)行，試驗(yàn)流速為0.08～0.43 ms(原型流速為0.44～2.34 ms)，試驗(yàn)水深為0.20～0.38 m(原型水深為6.0～11.4 m)。將透水框架從水面上50 mm(原型水面上1.5 m)處拋投，測(cè)量透水框架拋投點(diǎn)至沉底點(diǎn)順著水流方向的位移，計(jì)算其漂距。試驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足幾何相似和水流運(yùn)動(dòng)相似條件，采用正態(tài)模型，幾何比尺λL=λH=30，流速比尺λu=λH=5.47，流量比尺λQ=λLλHλu=4 923。每組試驗(yàn)重復(fù)10次，取平均值予以分析。依據(jù)實(shí)際透水框架，以幾何相似原則制備模型，材質(zhì)為鋁合金，密度為2.55 tm3，與鋼筋混凝土的密度接近。透水框架模型桿長(zhǎng)為27 mm，桿件截面為3.3 mm×3.3 mm的正方形。漂距與水深、流速的關(guān)系見(jiàn)圖2，其中前面10組即空心點(diǎn)為測(cè)定的數(shù)據(jù)，由此可以反推擬合求得式(8)中的CD1=0.78、CD2=1.64，將其余的5組數(shù)據(jù)即實(shí)心點(diǎn)與采用式(8)計(jì)算所得的漂距進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合很好。

圖2 漂距隨水深和流速的變化

3 透水框架空中自動(dòng)同步拋投裝置

為了提高透水框架的拋投效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提出一種空中自動(dòng)同步脫鉤的吊具，如圖3所示。吊具是由主吊架、副吊架和轉(zhuǎn)軸組成；主吊架是由網(wǎng)格狀的主框架、軸承座、主吊架吊耳、導(dǎo)向管和下限位板組成，外部起重機(jī)主纜繩連接主吊架吊耳可以升降主吊架，主框架兩端上表面分布有導(dǎo)向管和下限位板。副吊架是由網(wǎng)格狀的副框架、副吊架吊耳、導(dǎo)桿、上限位板和脫鉤吊耳組成，外部起重機(jī)副纜繩連接副吊架吊耳可以升降副吊架，副框架的兩端下表面對(duì)應(yīng)于主框架的下限位板位置分布有上限位板，下表面對(duì)應(yīng)于主框架的導(dǎo)向管位置分布有導(dǎo)桿。轉(zhuǎn)軸是由鋼管、半圓掛環(huán)、繩槽、封閉掛環(huán)和開(kāi)口掛鉤組成。副吊架的導(dǎo)桿插入主吊架的導(dǎo)向管內(nèi)，副吊架與主吊架相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)起導(dǎo)向作用；采用螺栓將主吊架的下限位板和副吊架的上限位板連接起來(lái)，下限位板上開(kāi)有導(dǎo)向槽，從而主吊架與副吊架可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)下限位板和上限位板限制二者的極限位置。當(dāng)副框架受拉提升向上移動(dòng)至導(dǎo)向槽的極限位置時(shí)，導(dǎo)向管與導(dǎo)桿不會(huì)相互分離。

懸掛有透水框架的吊具初始狀態(tài)見(jiàn)圖4。繩索的一端系在封閉掛環(huán)上，另一端穿過(guò)透水框架掛在開(kāi)口掛鉤上，在繩索和透水框架的重力作用下封閉掛環(huán)和開(kāi)口掛鉤正好位于鋼管的正下方，起重機(jī)的主纜繩提起主吊架吊耳并將已經(jīng)懸掛好透水框架的吊具移至拋投水域。

圖3 空中自動(dòng)同步脫鉤的吊具結(jié)構(gòu)

圖4 懸掛有透水框架的吊具初始狀態(tài)

到達(dá)拋投水域后，起重機(jī)的副纜繩向上提起副吊架吊耳，副吊架受拉提升向上移動(dòng)，系在副吊架脫鉤吊耳上的鋼絲繩拉動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的半圓掛環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至拋投臨界角度時(shí)，鋼環(huán)處于從開(kāi)口掛鉤上脫落的狀態(tài)。

副吊架受拉繼續(xù)向上移動(dòng)至導(dǎo)向槽的極限位置，鋼絲繩帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，鋼環(huán)從開(kāi)口掛鉤上脫落，透水框架脫離繩索掉入拋投水域，自動(dòng)同步脫鉤拋投完成。副吊架受拉移動(dòng)至導(dǎo)向槽極限位置且透水框架拋投后的狀態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 副吊架受拉移動(dòng)至導(dǎo)向槽極限位置且透水框架拋投后的狀態(tài)

4 透水框架拋投工藝

為了提高透水框架的拋投準(zhǔn)確度、實(shí)現(xiàn)拋投層數(shù)靈活可控，提出了一種透水框架空中自動(dòng)同步脫鉤拋投工藝，拋投過(guò)程分為施工準(zhǔn)備、透水框架裝船、定位船定位、掛鉤、空中自動(dòng)同步脫鉤拋投、復(fù)位等步驟，如圖6所示。1)施工準(zhǔn)備：進(jìn)行工前檢測(cè)，測(cè)量繪制施工區(qū)水下地形圖；透水框架拋投采用網(wǎng)格法控制，提取、記錄每個(gè)網(wǎng)格坐標(biāo)；由于本文每次實(shí)際拋投透水框架數(shù)量為36個(gè)，屬于群拋，因此每次拋投時(shí)透水框架的漂距會(huì)相互影響，因此采取式(8)理論計(jì)算和試投拋的方法，確定透水框架的拋投漂距。2)透水框架裝船：根據(jù)運(yùn)輸船舶的艙容量，將預(yù)制好的透水框架按照2～6層疊成一套，吊放至船艙甲板上并疊放整齊。3)定位船定位：根據(jù)拋投漂距和網(wǎng)格的位置，計(jì)算定位船位置，透水框架運(yùn)輸船?？坑诙ㄎ淮?，然后利用全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)精確定位。4)掛鉤：采用定位船自帶的具有主、副吊鉤的起重機(jī)將吊具吊至運(yùn)輸船船艙的透水框架上方，主吊鉤通過(guò)主纜繩吊住吊具的主吊架，副吊鉤通過(guò)副纜繩吊住吊具的副吊架，由人工將繩索穿過(guò)透水框架并將鋼環(huán)掛在開(kāi)口掛鉤上，使得懸掛透水框架的繩索一端固定系在封閉掛環(huán)上，另一端系在鋼環(huán)上并掛在開(kāi)口掛鉤上；通過(guò)起重機(jī)將懸掛有大量透水框架的吊具吊至拋投水域。5)空中自動(dòng)同步脫鉤拋投：起重機(jī)吊掛有主吊架的主纜繩保持不動(dòng)，提升副纜繩并帶動(dòng)副吊架上升，轉(zhuǎn)軸及其上面的封閉掛環(huán)和開(kāi)口掛鉤受鋼絲繩提升作用而繞轉(zhuǎn)軸自身軸線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一定角度后鋼環(huán)能夠從開(kāi)口掛鉤上脫落，透水框架脫鉤掉入水中，從而實(shí)現(xiàn)了透水框架的空中自動(dòng)同步脫鉤拋投；下限位板和上限位板組合可以限制主吊架和副吊架的相對(duì)極限位置，從而限制了轉(zhuǎn)軸所能轉(zhuǎn)過(guò)的最大轉(zhuǎn)角，確保了鋼環(huán)及繩索能夠從開(kāi)口掛鉤上脫落。6)復(fù)位：起重機(jī)保持主纜繩靜止不動(dòng)，副吊鉤釋放副纜繩，副吊架下降，在繩索和鋼環(huán)的重力作用下轉(zhuǎn)軸會(huì)旋轉(zhuǎn)復(fù)位，封閉掛環(huán)和開(kāi)口掛鉤回位到鋼管的正下方；重復(fù)步驟4)～6)直至該水域拋投施工完畢。7)檢測(cè)和移位：當(dāng)某一水域拋投施工完畢后，用測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量，以此分析透水框架拋投位置、單位水域的數(shù)量、覆蓋范圍，判斷施工是否滿足設(shè)計(jì)要求。達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，用GPS指揮移動(dòng)定位船，重復(fù)步驟1)～6)，按照從河岸到河心、先淺水后深水的順序進(jìn)行下一水域的透水框架有序拋投施工。

圖6 透水框架空中自動(dòng)同步脫鉤拋投的工藝流程

本文采用大框架、多轉(zhuǎn)軸的空中自動(dòng)同步脫鉤拋投吊具，增加了每次拋投透水框架的數(shù)量，并且采用繩索懸掛透水框架的方式，可同時(shí)懸掛的透水框架層數(shù)也可根據(jù)需求進(jìn)行適時(shí)增減，使起重機(jī)得到充分利用，極大提高了拋投施工效率，縮短了施工工期。采用GPS引導(dǎo)拋投船舶精確定位至拋投施工區(qū)域，拋投施工過(guò)程中，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)工作區(qū)平面位置和拋投船的實(shí)際工作區(qū)位置及水面高度等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拋投作業(yè)的實(shí)時(shí)控制，提高了透水框架拋投的準(zhǔn)確性。采用機(jī)械化吊具進(jìn)行透水框架的拋投，過(guò)程安全可控，有效避免了人工拋投存在的安全隱患，提高拋投施工的安全系數(shù)。

5 結(jié)論

1)本文通過(guò)建立四面六邊透水框架拋投漂距的數(shù)學(xué)模型，得出拋投高度、水深、水流速度、透水框架阻水面積、水推面積等參數(shù)對(duì)漂距的影響規(guī)律，水槽試驗(yàn)結(jié)果表明理論分析準(zhǔn)確，為透水框架的準(zhǔn)確拋投提供了理論基礎(chǔ)。

2)本文提出一種大框架、多轉(zhuǎn)軸的空中自動(dòng)同步脫鉤拋投吊具，增加每次拋投透水框架的數(shù)量，可同時(shí)懸掛的透水框架層數(shù)也可根據(jù)需求進(jìn)行適時(shí)增減，提高拋投施工效率，縮短了施工工期。

3)采用GPS引導(dǎo)拋投船舶精確定位，并實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)工作區(qū)平面位置和拋投船的實(shí)際工作區(qū)位置及水面高度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拋投作業(yè)的實(shí)時(shí)控制，提高透水框架拋投的準(zhǔn)確性。