葉長結(jié)

(安徽省長江河道管理局,安徽 蕪湖 241002)

鉸鏈混凝土沉排是近年來江、河、湖、海岸灘崩塌治理的新興工程措施。在安徽省長江崩岸應(yīng)急工程中應(yīng)用鉸鏈沉排技術(shù)，有效治理了沿江岸灘的強(qiáng)烈崩塌，這種形式改變了傳統(tǒng)拋石護(hù)岸對塊石材料的依賴，混凝土板、排體土工織物布工廠化制作，采用沉排船施工，施工效率、施工進(jìn)度都明顯提高。本文在對鉸鏈混凝土沉排護(hù)岸技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對應(yīng)用中的有關(guān)技術(shù)問題和處理措施進(jìn)行分析探討，提出改進(jìn)建議。

1 鉸鏈混凝土沉排技術(shù)

1.1 沉排工程特性

傳統(tǒng)的“埽工”、“柴枕”、“沉柳”、“鉛石籠”等沉排工程普遍具有抗沖刷，能起到抗沖護(hù)底(腳)作用。與傳統(tǒng)沉排相比，鉸鏈混凝土沉排的特性，滿足連續(xù)性、堅固性、變形相容性等，具有耐久性以及反濾功能。

基于工藝程序、方法措施和排體結(jié)構(gòu)，沉排劃分為兩大類，即按勁度區(qū)分的柔性沉排(Soft Sinking Mattress，簡稱SSM)和剛性沉排(Rigid Structre Mattress，簡稱RSM)[1]?；炷零q鏈排屬于柔性沉排，俗稱軟體排。排體的組成材料包括土工織物布、預(yù)制混凝土板和U型鋼制套環(huán)，預(yù)制混凝土板通過U型環(huán)鉸接后成為整體鋪于土工布之上。

鉸鏈混凝土沉排結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鉸鏈混凝土沉排結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

1.2 沉排工程技術(shù)特點(diǎn)

鉸鏈混凝土沉排是在崩岸段河床堤岸坡腳或河床底部鋪設(shè)一定長度與寬度的防沖反濾的排體，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1)剛?cè)峒鎮(zhèn)?，能適應(yīng)水下地形變化。預(yù)制混凝土壓塊為剛性板，土工織物布作為柔性護(hù)墊，沉排結(jié)合了土工織物軟體排防護(hù)技術(shù)和鉸鏈混凝土塊防護(hù)技術(shù)這兩種施工方法的優(yōu)點(diǎn)，在防沖刷的同時，適應(yīng)水下岸坡變化的地形，保護(hù)著河床斷面的土體不被淘蝕。

2)施工方便，機(jī)械化程度較高。預(yù)制混凝土塊與土工織物布按設(shè)計定型尺寸工廠化生產(chǎn)，沉排船做為工作平臺實(shí)施沉放排操控，天氣不利因素影響較小，施工效率高。

3)整體性強(qiáng)，防護(hù)效果較好。作為壓載的預(yù)制混凝土塊之間用U型環(huán)連接，土工織物布與鉸鏈板相結(jié)合成為一塊排，相鄰排體采取“蓋瓦”式搭接形成整體。

1.3 施工主要設(shè)備

配備沉排專用船1 000 t工程船1艘，可一次性沉放寬度不大于25 m、長80～120 m不等的排布。配備5艘自航120 t鋼制甲板駁運(yùn)輸船，鉸錨船1艘，交通艇1艘。配船載GPS放樣定位，配RTK軌跡跟蹤儀跟蹤并調(diào)整排布入水位置。

1.4 主要施工技術(shù)措施

1)施工前對鋪排區(qū)域進(jìn)行測量，必要時進(jìn)行軟式掃床，排除沉排區(qū)域可能存在的突出尖狀物。

2)測量沉排區(qū)水深、流速和流向，便于控制沉排方向。

3)根據(jù)沉排邊線坐標(biāo)，合理進(jìn)行排位設(shè)計，重點(diǎn)設(shè)置好每塊排的排位，保證沉排最小搭接寬度滿足設(shè)計要求。

4)用RTK全過程控制排體邊緣入水軌跡，并實(shí)時繪制沉排軌跡圖，及時糾正沉排偏差[2]。

1.5 適用條件

鉸鏈混凝土沉排護(hù)岸集中了各種護(hù)岸形式的優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的適應(yīng)性，特別適用于水流復(fù)雜、主流貼岸或長期處于迎流頂沖，用其他形式困難或效果較差的岸線防護(hù)。不同邊界條件的工程可對結(jié)構(gòu)型式或布置作適當(dāng)調(diào)整。

鉸鏈混凝土沉排采用專用沉排船施工作業(yè)，配合自航運(yùn)輸船運(yùn)輸排布、混凝土預(yù)制塊到場后，以沉排船為作業(yè)平臺進(jìn)行拼裝成排。因此鉸鏈混凝土沉排技術(shù)應(yīng)用的適用條件需滿足施工船舶作業(yè)的水面寬度和吃水深度，一般為河面寬150 m、水深10 m以上。治理的崩岸段一般為深泓近岸，在沿江沉排施工中，護(hù)岸區(qū)域大多位于主航道附近，施工前需要與航道、海事部門做好協(xié)調(diào)，按規(guī)定安設(shè)航標(biāo)和進(jìn)行海事通告等。

2 在長江應(yīng)急崩岸工程中應(yīng)用情況

2.1 工程概況

安徽省長江干流河道全長416 km，由13個河段組成。歷史上一些河段河勢變化劇烈，河道曾發(fā)生多次大的變遷。建國以后，經(jīng)過不斷整治，崩岸和河勢變化得到一定程度控制。河岸強(qiáng)烈崩塌影響河勢穩(wěn)定，反之，河勢調(diào)整又引起新的崩岸產(chǎn)生。2015年國家發(fā)改委批準(zhǔn)建設(shè)安徽省長江崩岸應(yīng)急治理工程，該工程是國家172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目中長江中下游干流河道治理的子項(xiàng)。批準(zhǔn)實(shí)施治理崩岸段24處，護(hù)岸總長43.85 km，工程由水上護(hù)坡和水下護(hù)腳兩部分組成，枯水位以下采用拋石和混凝土鉸鏈排護(hù)腳形式，其中江調(diào)圩、秋江圩、泥洲、長沙洲、鳳凰洲、永紅轉(zhuǎn)拐、大榮圩等7處崩岸段，采用混凝土鉸鏈排護(hù)腳長度8.32 km，沉排1.62萬m2。施工時間自2015年11月至2017年8月，枯水期預(yù)制混凝土板，中水期沉排施工。7處崩岸段在長江安徽段沿程分布，治理迎流頂沖、深泓近岸的強(qiáng)崩區(qū)。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

鉸鏈混凝土沉排護(hù)岸段由上部的岸坎護(hù)坡和水下的沉排兩部分組成，系排梁位于兩部分之間，既是護(hù)坡的支撐又起到固定排體的作用。排體是鉸鏈混凝土沉排護(hù)岸的主體，由混凝土預(yù)制板和土工布組成，混凝土板尺寸為80 cm×50 cm×8 cm(長×寬×高)，每塊砼板重約80 kg，浮重約48 kg，設(shè)計強(qiáng)度為C20，板與板連接采用Φ12“U”型環(huán)，用螺栓連接成整體，起抗沖和壓重作用。土工布在鉸鏈板下面，起反濾、抗沖作用(工程結(jié)構(gòu)形式見圖2)。

圖2 鉸鏈混凝土沉排結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

2.3 應(yīng)用簡要情況

安徽省長江崩岸應(yīng)急治理工程由41個單項(xiàng)工程(標(biāo)段)組成，分9批招標(biāo)實(shí)施。鉸鏈混凝土沉排應(yīng)用在其中的7個單項(xiàng)工程，包括江調(diào)圩、秋江圩、泥洲、長沙洲、鳳凰洲、永紅轉(zhuǎn)拐和大榮圩，完成混凝土系排梁16 192 m3，鉸鏈混凝土沉排546 960 m2，治理岸線8 320 m，完成合同額13 632.89萬元，占總投資的21.1%。項(xiàng)目實(shí)施基本情況見表1。

表1 鉸鏈混凝土沉排技術(shù)應(yīng)用情況

3 技術(shù)應(yīng)用效益分析

根據(jù)安徽省長江崩岸應(yīng)急工程應(yīng)用鉸鏈混凝土沉排技術(shù)的實(shí)施情況，從工效比較、完成工期進(jìn)行分析。

3.1 工效定額分析與比較

綜合進(jìn)行人工、材料和機(jī)械臺班消耗分析，包括工效確定、人工消耗量分析、材料耗量分析和機(jī)械臺班使用分析[3]，結(jié)合施工單位投標(biāo)報價，沉排單價為72～80 元/m2。與之比較，工程附近的崩岸段采取拋石施工方法，以平均拋厚1.2 m計，拋石單價為107～123.6元/m2。

3.2 工期分析

鉸鏈混凝土沉排實(shí)施的關(guān)鍵線路是沉排，其混凝土塊預(yù)制、系排梁澆筑與排布定制，可以平行施工，且預(yù)制和排布制作不受天氣因素的影響。從表1可見，應(yīng)用的7個單項(xiàng)工程施工工期為6～12個月，單項(xiàng)工程施工工期8個月，日平均強(qiáng)度為71 000元/d。而采用拋石護(hù)岸施工，石料采購受山場開采影響，運(yùn)輸受風(fēng)雨雪天氣影響，同期施工的拋石工程，單項(xiàng)工程施工工期為10個月，日施工強(qiáng)度約為56 000元/d，制約施工進(jìn)度的因素較多。

3.3 崩岸預(yù)警變化

比較鉸鏈混凝土沉排段實(shí)施前后的崩岸區(qū)預(yù)警情況可知，治理前，7段崩岸預(yù)警級別為Ⅰ～Ⅱ級，江調(diào)圩、長沙洲為Ⅰ級，大榮圩Ⅲ級，其余均為Ⅱ級。沉排后，2019年項(xiàng)目區(qū)預(yù)警級別調(diào)整為江調(diào)圩、長沙洲為Ⅱ級，秋江圩為Ⅲ級，其余區(qū)段解除崩岸預(yù)警。

4 問題與處理措施

安徽省長江崩岸應(yīng)急工程中應(yīng)用鉸鏈混凝土沉排技術(shù)的實(shí)施過程中，先后遇到系排梁高程變更等問題，問題的產(chǎn)生和解決具有普適性。

4.1 系排梁高程

系排梁設(shè)計高程為當(dāng)?shù)仄骄菟?，即圖1中的水位①。水位①是采用長系列(1950—2012年)資料推算而得的多年平均枯水位，時間是每年的12月到次年的2月。有研究表明長江三峽蓄水前后，對安徽段水位有一定的影響，汛期調(diào)峰作用有效減輕中下游的防洪壓力，而汛前三峽騰空庫容，使得長江沿岸三四月“桃花汛”提前到來。

圖3 大通水位流量過程線示意

從圖3長江大通站水位過程線可以看出，近年來長江枯水位比同期常年平均枯水位要高1～2 m。7個項(xiàng)目按設(shè)計枯水位選定的系排梁高程，均因?qū)崟r水位超過設(shè)計高程而無法施工。系排梁是固定排體的重要結(jié)構(gòu)，因汛前無法施工，整個工期將順延一個年度。通過設(shè)計變更，7個單項(xiàng)工程系排梁高程抬高0.8～2.0 m。長江安徽段設(shè)計枯水位的計算，宜綜合考慮施工時間以及上游來水狀況適當(dāng)調(diào)整。

4.2 排體長度計算

由排布、鉸鏈混凝土塊組成的排體，是沉排工程的主體，排長按經(jīng)驗(yàn)公式確定為固定值。然后實(shí)際的岸坎沖刷坑的自然狀況是弧形凹向岸邊，造成岸灘沖刷的深泓線不會絕對平行于岸線，因此固定排長值難以達(dá)到實(shí)際防護(hù)效果。建議排長按L+5～10(m)即覆蓋沖刷坑或深泓線加安全距離計算。

4.3 補(bǔ)坡及裹頭

沉排工程的單塊排面積約為800～1 400 m2，從近岸沉放至深水區(qū)，其自然岸坡呈凹凸?fàn)?，崩岸段往往會出現(xiàn)部分高程區(qū)間局部岸坡較陡。盡管大塊排體覆蓋后能防止繼續(xù)沖刷，但為維持岸坡長久穩(wěn)定，沉排前根據(jù)施工測圖，對高程區(qū)間大于2 m以上、局部坡度陡于1:3進(jìn)行定位拋石補(bǔ)坡。按照自下游而上游的沉排順序至最后一塊排，既處于工程最上游，又是迎流沖刷的開始，隨著水位變化，紊流對上游排體的作用產(chǎn)生淘刷，宜沿排橫向平順拋石壓排，起到裹頭作用。

4.4 水位變幅區(qū)

圖2中水位①和水位②之間稱為水位變幅區(qū)，排首到水位②之間的穩(wěn)定，是保證系排梁基礎(chǔ)不被淘刷，從而保證岸坡及排體穩(wěn)定的關(guān)鍵。變幅區(qū)的處理須根據(jù)岸坡地形情況，如岸坡較為平順，則選取土工布+碎石反濾防護(hù)，即在變幅區(qū)鋪250 g/m2的無紡布，其上再鋪一層30 cm的碎石。然后鋪排；如岸坡坡比陡于1:3，則采用本文4.3中的辦法補(bǔ)坡后，再鋪排。

4.5 質(zhì)量檢測

沉排工程在水利工程質(zhì)量檢測中，尚沒有統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)，各地在檢測方面控制方法各異。航道整治中，采用檢測排布、混凝土強(qiáng)度以及施工后摸探的方法；此次崩岸應(yīng)急工程檢測混凝土強(qiáng)度和排體。這些檢測內(nèi)容僅對原材料、中間產(chǎn)品進(jìn)行檢測，難以體現(xiàn)沉排位置和搭接寬度等。RTK(Real-time kinematic)作為一種GPS測量技術(shù)，指的是實(shí)時動態(tài)差分，至少用兩臺GPS接收機(jī)，同步觀測相同的衛(wèi)星，解算出兩臺接收機(jī)之間的相對位置，從而得出相對于坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置，屬于載波相位測量。RTK是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新的測量原理和方法。GPS-RTK 技術(shù)不僅具有操作方便、準(zhǔn)確度高、受外界因素影響小等特點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)平面實(shí)時定位，且自動化程度極高[4]。在沉排施工中應(yīng)用RTK技術(shù)，可以實(shí)時觀測沉排位置，并打印沉排軌跡，作為沉排竣工圖。施工中，施工、監(jiān)理和業(yè)主校驗(yàn)坐標(biāo)點(diǎn)等，并抽測不同沉排位置。保留常規(guī)的排布、混凝土強(qiáng)度檢測指標(biāo)，結(jié)合RTK軌跡圖，形成完整的沉排質(zhì)量檢測方案，完善鉸鏈混凝土沉排質(zhì)量檢測手段。

5 工程效果

5.1 經(jīng)歷長江洪水考驗(yàn)

鉸鏈混凝土沉排工程自實(shí)施至完工，經(jīng)歷了2016—2019年洪水期考驗(yàn)，未出現(xiàn)崩岸險情，治理的崩岸段均安全度汛，防洪能力顯著增強(qiáng)。2018年和2019年汛后檢查發(fā)現(xiàn)，實(shí)施工程中系排梁穩(wěn)定無沉降，排體適應(yīng)河岸略有調(diào)整，凹凸高差在0.16 m以內(nèi)，變形較小。

5.2 工程實(shí)施前后的測圖分析

在工程施工前后，分別組織有資質(zhì)的測繪單位對工程區(qū)水下地形進(jìn)行測量，繪制1:1 000或1:2 000測圖。工程完工后，對施工前后水下地形測圖進(jìn)行了對比分析，及時掌握工程防護(hù)效果。利用施工圖階段水下地形測圖、施工前后及完工后水下地形測圖對比分析工程區(qū)岸坡穩(wěn)定情況，采用ARCGIS軟件技術(shù)對工程區(qū)河床進(jìn)行沖淤分析計算，逐段分析崩岸治理工程效果。通過分析，鉸鏈沉排治理崩岸工程實(shí)施，消除了崩岸隱患，各段工程區(qū)岸坡大于設(shè)計邊坡1:3，處于穩(wěn)定狀態(tài)，工程區(qū)域河床沖淤互現(xiàn)，部分深泓近岸段排尾前端沖刷0.68～1.04 m，局部河床整體呈淤積狀態(tài)，淤積區(qū)集中在排首部位，淤積深度為0.17～0.53 m。

6 結(jié)語

鉸鏈混凝土沉排的混凝土預(yù)制塊制作、土工織物布生產(chǎn)加工，利用專用沉排船鋪排，機(jī)械化程度高，速度快，定位與展布易于控制，質(zhì)量有保障。平順護(hù)岸防護(hù)可以適應(yīng)河床地形進(jìn)行護(hù)底，排體搭接后整體性好，施工后的岸灘可形成穩(wěn)定的岸坡。鉸鏈混凝土沉排護(hù)岸適用于主航道附近的深泓近岸崩岸治理，施工前需要于航道、海事部門溝通協(xié)調(diào)，按規(guī)定布設(shè)航行標(biāo)志和進(jìn)行海事通告，確保施工安全。通過不同條件下的系排梁高程、排體長度、局部陡坡段設(shè)計以及水位變幅區(qū)處理等措施，完善工程設(shè)計，并改進(jìn)質(zhì)量檢測方法，以保證工程達(dá)到預(yù)期的治理效果。