劉 江，趙旺鋒

（中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司,陜西 西安 710068）

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程起點(diǎn)派河口泵站樞紐,終點(diǎn)金寨路橋,總長14.98 km,河寬60 m～80 m,地面高程6 m～10 m。本工程輸水渠道系利用現(xiàn)有派河河道擴(kuò)挖疏浚而成,輸水渠道系利用現(xiàn)有派河河道擴(kuò)挖疏浚而成,沿線彎道迎流頂沖凹岸眾多,加上通航要求Ⅱ級,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(wěn)定安全。為了防止渠道沖刷破壞、保護(hù)坡面不直接受水沖刷及船行波對坡面沖擊,提高渠道水利用系數(shù),減少糙率,加大流速,確保岸坡安全,對一級平臺以下邊坡采用12 cm 厚C25 水下聯(lián)鎖式軟體排鋪設(shè)護(hù)岸。

2 排體結(jié)構(gòu)與材料對比選擇

“X”型水下軟體排壓載塊體采用 C25 混凝土預(yù)制塊,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[1],單塊之間凈距為 5 cm,孔隙率約19.6%,考慮到排布為聚丙烯材料,為防止紫外線照射,導(dǎo)致排布質(zhì)量降低,在水位變幅區(qū)內(nèi),預(yù)制塊之間采用 16 mm～31.5 mm 碎石回填[2]。

2.1 排布材料選擇與強(qiáng)度分析

（1）考慮到排布為聚丙烯材料,為防止紫外線照射,導(dǎo)致排布質(zhì)量降低,在水位變幅區(qū) 6.1 m～8.6 m 高程范圍內(nèi),預(yù)制塊之間采用16 mm～31.5 mm 碎石回填,主要目的是促淤防曬,保護(hù)土工布。

（2）排布采用 380 g/m2丙綸復(fù)合布（230 g/m2長絲機(jī)織布和 150 g/m2無紡布的復(fù)合布）[1],其縱橫向斷裂強(qiáng)度≥50 kN/m,經(jīng)向斷裂伸長率≤35%,緯向斷裂伸長率≤ 30%,等效孔徑0.07 mm～0.2 mm,垂直滲透系數(shù)為K×（10-1～10-3）cm/s（其中K=1.0～9.9）,頂破強(qiáng)力≥5 kN,縱橫向撕破強(qiáng)力≥0.9 kN。加筋帶規(guī)格及抗拉強(qiáng)度應(yīng)考慮施工荷載,通過計算確定。Φ14丙綸繩破斷拉力≥14.5 kN。

2.2 排體結(jié)構(gòu)

排布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(yù)制塊中間部位,排布與加筋帶重量略大于 500 g/m2,達(dá)到原設(shè)計土工布單位面積總量。每一條加筋帶上,垂直水流向間隔2 塊預(yù)制塊布置一條長 50 cm 丙綸帶,用于排布與塊體之間綁扎連接。預(yù)制塊采用丙綸繩連接,可根據(jù)需要預(yù)制成成品矩陣, 初擬矩陣為 10 塊×8 塊（可根據(jù)實(shí)際排體長度調(diào)整）,單次鋪設(shè)順?biāo)飨蜷L度根據(jù)鋪排船實(shí)際情況確定。排體設(shè)計搭接長度不小于 2.0 m[2]。其排體平面圖見圖1。

圖1 排體平面布置圖

2.3 分段部位方案優(yōu)化選擇

（1）北岸J3+240～16+870 段,現(xiàn)在大部分無灘地或者灘地較窄,無系排樁施工作業(yè)面,因此取消原系排樁設(shè)計,軟體排排頭采用挖地溝型式,將排頭埋置于一級坡坡頂或者灘地部位,地溝采用梯形斷面,底寬0.6 m,深0.9 m,兩側(cè)邊坡坡比1∶0.5,確保地溝內(nèi)每次預(yù)埋3 塊預(yù)制塊。地溝采用C25 等腰梯形預(yù)制砼塊,長度2 m,底寬0.58 m,頂寬1.36 m,深 0.78 m,上部設(shè)置2 道鋼筋吊環(huán),方便吊裝。

（2）北岸J16+870～18+220、南岸J3+240～18+220 段軟體排維持原設(shè)計方案,將排頭系接在坡頂壓頂梁上,坡頂梁每隔0.51m 設(shè)置一道鋼筋拉環(huán),排頭丙綸繩系入拉環(huán)內(nèi)。

3 結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定分析

為了保證預(yù)制連鎖片護(hù)坡設(shè)計選取的材料規(guī)格是否滿足施工安全,通過對軟體排設(shè)計結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定計算分析,分析內(nèi)容包括丙綸繩強(qiáng)度計算、加筋帶強(qiáng)度計算、軟體排壓載穩(wěn)定分析[1]、軟體排抗滑穩(wěn)定分析等強(qiáng)度驗(yàn)算進(jìn)行分析計算,確?！癤”型水下軟體排施工順利進(jìn)行。

3.1 丙綸繩的強(qiáng)度分析

預(yù)制塊之間采用丙綸繩連接組成矩陣單元,初擬矩陣為10 塊×8 塊,根據(jù)實(shí)際施工情況,單個預(yù)制塊矩陣單元在吊運(yùn)過程中丙綸繩受力最大,起吊時的荷載主要是構(gòu)件的自重,另外還要考慮構(gòu)件底面和地坪（或底模）之間的附著力（包括粘結(jié)力和真空吸附力）,以及起吊時的動力作用,并且假定附著力和動沖擊力不同時發(fā)生,設(shè)計時取其大者進(jìn)行驗(yàn)算。

考慮動力作用受力計算公式：

考慮附著力作用受力計算公式：

式中：T為丙綸繩的最大強(qiáng)度；m取1.3；Q取5 kN/ m2；A=0.46×0.46×80=16.93 m2；F為單個連鎖塊軟體排單元重量,取5.0 t；n為根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)取n=10。

根據(jù)選取參數(shù)經(jīng)計算,丙綸繩最大強(qiáng)度為13.17 kN,本次設(shè)計采用Φ14 的丙綸繩其斷裂強(qiáng)度不小于14.5 kN,大于丙綸繩受力計算分析需要最大強(qiáng)度13.17kN,經(jīng)受力分析設(shè)計選用的丙綸繩規(guī)格是滿足設(shè)計要求,通過現(xiàn)場軟體排施工吊裝試驗(yàn),吊裝鋪排過程中未出現(xiàn)丙綸繩斷裂現(xiàn)象,確保了施工安全,驗(yàn)證了丙綸繩設(shè)計選取參數(shù)的合理性。

3.2 加筋帶的強(qiáng)度分析

根據(jù)《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTS/T 148-2020）可計算排體極限抗拉強(qiáng)度時,縫制加筋帶方向僅按加筋帶受力計算,所以擬通過選用加筋帶的強(qiáng)度來推求軟體排施工期抗拉安全系數(shù)是否達(dá)到規(guī)范的要求,從而復(fù)核加筋帶規(guī)格選用是否合理,抗拉安全系數(shù)公式如下：

式中：Ksm取 2～3；Tsm為排體極限抗拉強(qiáng)度,縫制加筋帶,設(shè)計選用7 cm 寬丙綸加筋帶（間距0.51 m）,拉伸負(fù)荷不小于25 kN,接縫強(qiáng)度取70%,經(jīng)計算得排體極限抗拉強(qiáng)度34.3 kN/m；Fsm為軟體排縱向和橫向承受的荷載,施工期經(jīng)計算最大荷載為14.98 kN；G1為滑板上排體的重量,根據(jù)本項目同類型河道鋪排試驗(yàn)情況計算取 13.82 kN/m；G2為懸空部分排體的重量,根據(jù)本項目同類型河道鋪排試驗(yàn)情況計算取8.9 kN/m；α為施工時鋪排船滑板的水平傾角,根據(jù)本項目同類型河道鋪排試驗(yàn)情況取 30°；PW為施工時排體受到的水流力,此次鋪排方向?yàn)榇怪彼鞣较?排體迎水面面積很小,可忽略不計。

考慮在巢湖常水位條件下鋪排施工,經(jīng)計算得軟體排施工期時縱向抗拉系數(shù)為2.29,本工程施工期水深、流速不大,軟體排抗拉系數(shù)取在規(guī)范合理取值范圍之內(nèi),并且通過現(xiàn)場沉排試驗(yàn),加筋帶沉排過程中未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,設(shè)計選取參數(shù)合理,滿足施工安全。

3.3 混凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定分析

根據(jù)（JTS/T 148-2020）附錄A 公式計算：選取河底寬度最小為60 m 的J9+923.8 斷面作為計算斷面,流量取派河百年一遇設(shè)計流量1268 m3/s,相應(yīng)水位取11.281 m,采用曼寧公式計算得岸坡坡頂、坡腳斷面垂線平均流速為 0.64 m/s、1.49 m/s ；計算公式各類取值參數(shù)按照最大值選取。

軟體排邊緣,岸坡坡頂、坡腳部位臨界失穩(wěn)垂線平均流速為2.113 m/s、1.509 m/s,設(shè)計失穩(wěn)垂線平均流速為 1.767 m/s、1.509 m/s,通過計算分析混凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定失穩(wěn)流速均大于設(shè)計垂線平均流速,設(shè)計結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；對軟體排搭接部位, 岸坡坡頂、坡腳部位臨界失穩(wěn)垂線平均流速為1.938 m/s、1.655 m/s；設(shè)計失穩(wěn)垂線平均流速為1.621 m/s、1.384 m/s,均大于設(shè)計垂線平均流速,滿足規(guī)范要求；中間部位設(shè)計失穩(wěn)垂線平均流速為1.851 m/s,大于設(shè)計垂線平均流速,滿足規(guī)范要求。混凝土連鎖塊軟體排壓載施工后經(jīng)過水流沖刷,未出現(xiàn)失穩(wěn)情況,因此充分驗(yàn)證了混凝土連鎖塊軟體排壓載護(hù)坡結(jié)構(gòu)的合理性。

根據(jù)天科院試驗(yàn),最低通航水位下,船行波波高最大為0.7m,按規(guī)范驗(yàn)算船行波作用下凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定。作用在壓載塊上波浪正向慣性力的最大值（N）Imax=4.932 N 小于壓載塊的自重力的標(biāo)準(zhǔn)值（N）635.9 N,波浪作用下凝土連鎖塊軟體排壓載穩(wěn)定滿足規(guī)范要求,設(shè)計結(jié)構(gòu)滿足施工及相關(guān)規(guī)范要求。

3.4 軟體排的抗滑穩(wěn)定分析

軟體排抗滑穩(wěn)定計算可按下式計算：

式中：γm'為軟體排的浮重度,取值：5 kN/m3；tm為軟體排等效厚度,取0.096 m；α為坡腳,取140；Δh為軟體排上下水頭差（m）,不考慮軟體排上下水頭差；γω為水體重度,取 10 kN/m3；fsg為軟體排與坡面的摩擦系數(shù),用水下值,由試驗(yàn)確定,取0.3；Km為軟體排抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),取1.1～1.3。

軟體排與坡面的水下摩擦系數(shù)取0.3,不考慮軟體排上下水頭差,軟體排抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.2。當(dāng)考慮排布淤堵因素,波浪作用后排體受頂托的穩(wěn)定如下考慮：假設(shè)波浪打擊區(qū)范圍排體與土體無摩擦,下滑力通過塊間丙綸繩傳遞至浪擊區(qū)以上塊體。常水位（7.0 m）下,波浪高度取0.7 m,經(jīng)計算浪擊區(qū)下滑力為 1182 N/m,上部穩(wěn)定塊體富余阻滑力為1987 N/m ,該設(shè)計護(hù)坡結(jié)構(gòu)滿足該工程通航工況下抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4 結(jié)論

通過“X”型水下軟體排軟體排結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定計算內(nèi)容包括丙綸繩強(qiáng)度計算、加筋帶強(qiáng)度計算、軟體排壓載穩(wěn)定分析、軟體排抗滑穩(wěn)定分析,本項目設(shè)計的“X”型水下軟體排壓載塊體采用 C25 混凝土預(yù)制塊,塊體長寬均為 46 cm,厚度為 12 cm,單塊之間連接采用 Φ14 的丙綸繩連接,排布采用 380 g/m2丙綸復(fù)合布（230 g/m2長絲機(jī)織布和 150 g/m2無紡布的復(fù)合布）,加筋帶規(guī)格及抗拉強(qiáng)度等通過計算分析,均滿足規(guī)范及相關(guān)要求。

通過現(xiàn)場沉排施工,未出現(xiàn)單元排丙綸繩斷裂及排布撕裂工況,沉排后排體坡面穩(wěn)定,且該排體施工機(jī)械化程度高,能提高施工工效和質(zhì)量,縮短工期,減少勞動力投入,具有施工效率高、施工工期短等特點(diǎn),進(jìn)一步驗(yàn)證該排體設(shè)計結(jié)構(gòu)合理,施工效果好,可為類似抗沖刷防護(hù)工程尤其是坡面及河底沖刷嚴(yán)重的護(hù)坡及護(hù)底工程提供參考依據(jù)。