范 兵，林木松，錢 圣

(1.江陰市水利農(nóng)機局，江蘇江陰 214400;2長江科學院 河流研究所，武漢 430010)

1 工程背景

長江鎮(zhèn)揚河段，自三江口至五峰山，全長73.7 km，由儀征水道、世業(yè)洲汊道、六圩彎道、和暢洲汊道及大港水道組成。該河段是長江下游變化劇烈的河段之一。自20世紀50年代以來，六圩彎道、和暢洲汊道、孟家港、龍門口等處變化劇烈。河勢不穩(wěn)，河道的劇烈變化，致使許多排灌設(shè)施被破壞，人遷房毀，對沿岸防洪和人民生命財產(chǎn)安全造成極大威脅，也嚴重影響了沿江企業(yè)的正常運行和經(jīng)濟發(fā)展［1］。為了穩(wěn)定鎮(zhèn)揚河段河勢，于1983年開始實施一期整治工程，歷經(jīng)10 a完工，鎮(zhèn)揚河段河勢急劇惡化的勢頭得到了一定遏制，工程取得了預(yù)期的效果。為了鞏固一期整治效果，進一步穩(wěn)定河勢，自1998年開始實施二期整治工程，長江和暢洲左汊口門控制工程是長江鎮(zhèn)揚河段二期整治工程中的一個重要單項工程，它是抑制左汊發(fā)展、維持河勢穩(wěn)定的重要工程措施。

經(jīng)過一期、二期整治工程的實施［2－4］，鎮(zhèn)揚河段平面變化速率減緩，和暢洲左汊分流比減少約3%，作為鎮(zhèn)揚河段二期整治工程重點項目的和暢洲左汊口門控制工程初見成效。但和暢洲左汊口門控制工程仍只是鎮(zhèn)揚河段進一步治理的基礎(chǔ)。根據(jù)近幾年的監(jiān)測報告，目前，和暢洲潛壩壩頂普遍降低0.2～0.4 m、部分降低0.6～0.8 m，壩頂局部形成 V 型沖刷坑，下游護坦(護底)防崩層也有部分損壞，左汊分流比達到73.2%。如任其發(fā)展，潛壩控制分流作用將不斷減弱，不僅影響到和暢洲兩汊江岸的進一步開發(fā)利用，也影響到長江12.5 m深水航道建設(shè)。因此，為了保持和暢洲左汊口門控制工程效果的正常發(fā)揮，維持壩體的穩(wěn)定，對壩體進行維護加固是十分必要和迫切的。

由于潛壩工程位于和暢洲左汊進口段，水流流態(tài)紊亂、河床地形復(fù)雜、水深與流速較大，而就如何進行現(xiàn)場定位，如何控制深水拋石(尼龍石兜)的準確性以及潛壩表面的施工工藝、工序和確定工程量補償系數(shù)等，均無先例或類似工程可供參考，因此必須通過現(xiàn)場試驗進行探索、總結(jié)，取得實踐經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計、施工和建設(shè)管理提供依據(jù)和參考。

2 試驗段概況

綜合考慮試驗內(nèi)容的全面性、工程難度的代表性，以及試驗規(guī)模的大小，結(jié)合潛壩工程資料、歷次水下地形監(jiān)測和水文測驗資料，選取潛壩斷面1+000至1+060作為試驗段(見圖1和圖2)，其長度為60 m。該段壩頂黃海高程位于－14至－16 m，壩腳處河床黃海高程位于－17至－20 m，壩腳最大水深約24 m，水流流速相對較大，整體代表性相對較好。表1給出了試驗段具體防護內(nèi)容、寬度及斷面高程。

圖1 試驗段縱剖面位置Fig.1 Longitudinal profile of the test segment

圖2 試驗段平面布置Fig.2 Plane layout of the test segment

3 試驗段拋投區(qū)網(wǎng)格劃分

現(xiàn)場試驗中，在將壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋護劃分為3個單元(G—I)的基礎(chǔ)上，根據(jù)壩頂(拋厚2.4 m)及壩肩(拋厚1.2 m)不同的拋護厚度，將每個單元又劃分為8個小拋區(qū)。將壩坡拋石防護劃分為6個單元(A—F)，每個單元沿潛壩縱軸線方向長10 m，再根據(jù)壩坡拋石區(qū)域所處的不同位置將每個單元劃分為上、下游2個小拋區(qū)(見圖3)。

表1 試驗段各區(qū)寬度及斷面高程表Table1 Widths and cross sectional heights of test sections

圖3 試驗段網(wǎng)格劃分Fig.3 Partitioning of the test segments

4 拋投提前量計算及施工定位方法

4.1 各拋投區(qū)表層流速及水深

水深和表層流速是決定拋投提前量的關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)場試驗拋投區(qū)的水深和表層流速見表2、表3。

表2 尼龍網(wǎng)石兜拋投區(qū)水深及表層流速實測值Table 2 Measured values of water depth and surface flow velocity in the area of nylon cage dumping

表3 塊石拋投區(qū)水深及表層流速實測值Table 3 Measured values of water depth and surface flow velocity in the area of rock riprapping

4.2 尼龍網(wǎng)兜及塊石拋投提前量計算理論分析

由于河道中的水流具有一定流速，故在實際施工中應(yīng)考慮塊石及網(wǎng)兜在水流作用下的漂距。根據(jù)漂距確定拋投提前量，進而對定位船進行精準定位。下面是顆粒在流水中的漂距計算理論推導過程:

明渠水流流速V垂向分布公式［5］為

紊流區(qū)顆粒沉速ω計算公式［6］為

顆粒等容粒徑的計算公式［6］為

式中:L為漂距(m);Vmax為河道表面流速(m/s);y為與河底邊界的距離(m);h為水深(m);Cd為繞流阻力系數(shù);S為拋投物的體積質(zhì)量(kg/m3);D為拋投物的等容粒徑(m);W為拋投物質(zhì)量(kg)。

式(1)和式(2)構(gòu)成一個微分方程組，易知當t=0時，y=h，L=0，這就是該問題的初值條件。由式(1)和式(2)聯(lián)立得

對式(3)進行變形并進行積分得

即得球體顆粒的理論漂距計算公式為

式(7)即為拋投物水中漂距的理論計算公式，常數(shù)C與拋投物的形狀，拋投點流速、流態(tài)相關(guān)。由此可見在同一拋投點拋投物的漂距僅僅同拋投點的水深、表面流速以及拋投物的質(zhì)量相關(guān)。本文結(jié)合現(xiàn)場試驗得出尼龍網(wǎng)石兜的C值取1.38，塊石的拋投的C值取1.17。在本次試驗中的尼龍網(wǎng)兜設(shè)計質(zhì)量為4.08 t，塊石密度為1 700 kg/m3，將其代入式(7)化簡可得本次施工設(shè)計的尼龍網(wǎng)石兜漂距的計算公式為

4.3 計算值同實際拋投提前量比較

運用式(7)計算尼龍網(wǎng)石兜理論拋投提前量同實際值比較如圖4，由圖可知理論值與實測值擬合較好，因此理論公式的誤差范圍較小，可用于后續(xù)工程的施工定位計算。

4.4 定位躉船的定位

本次現(xiàn)場試驗施工定位躉船的拋錨定位采用四錨定位，為了避免拋錨拋在潛壩壩體上，錨纜也必須跨過壩頂，因此，施工現(xiàn)場采用2 000 t的躉船，每只錨纜長度均達200 m以上，這樣可保證躉船在風浪中的穩(wěn)定和移動自如，同時拋錨點位置在塑枕壩體以外部位。拋錨順序為:外上游錨→里上游錨→里下游錨→外下游錨。上、下游錨纜拋成八字形，以利于定位船移動(圖5)。施工定位躉船利用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在施工定位的船頭和船尾選取固定點，通過控制定位船的個錨機來給施工定位躉船精確定位。

圖5 施工定位躉船拋錨示意圖Fig.5 Positioning for the anchoring of construction barge

5 壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋護

5.1 尼龍網(wǎng)兜拋投試驗次序

尼龍網(wǎng)石兜拋投施工流程與試驗前確定的施工方案完全一致，先進行壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補，按平均拋厚0.6 m分2次拋投完成，再進行壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋護施工，同樣按平均拋厚0.6 m分2次拋投完成，具體的施工工序和流程是:

水下地形測量→定位船定位→壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補第1次拋投→拋后水下地形測量→壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補第2次拋投→拋后水下地形測量→依次類推直至壩頂凹陷部位的尼龍石兜填補結(jié)束→壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋護第1次拋投→拋后水下地形測量→壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋護第2次拋投→拋后水下地形測量→依次類推直至壩頂及壩肩尼龍網(wǎng)石兜拋護結(jié)束→補拋→竣工測量。

5.2 壩頂與壩肩尼龍網(wǎng)兜拋投施工定位方法

根據(jù)計算的拋投提前量對定位躉船進行定位(圖5)，石料運輸船按驗收噸位和拋區(qū)寬度、厚度，合理安排石料船上檔。本試驗給出了石料運輸船種掛靠定位躉船的方式(圖6)，組織吊機進行尼龍網(wǎng)石兜拋投作業(yè)。將運輸來的尼龍網(wǎng)石兜采用脫鉤鋼絲繩固定在吊機扒桿上，到水面自動脫鉤。

圖6 尼龍網(wǎng)石兜拋示意圖Fig.6 Schematic diagram of the riprapping with nylon cage

5.3 尼龍網(wǎng)兜拋石試驗實際增厚率計算

DTM掃測數(shù)據(jù)計算的壩頂及壩肩尼龍石兜拋投實際增厚率見表4。

表4 尼龍石兜拋投實際增厚率統(tǒng)計Table 4 Statistics of the thickening rate of riprap with nylon cage

以上成果是按設(shè)計補償系數(shù)(實際拋投石方量/設(shè)計石方拋投量)1.2進行計算得到的。由于尼龍網(wǎng)兜的束縛作用石塊的散落度得到了較好控制，理論公式計算的尼龍網(wǎng)石兜漂距值可靠，斷面或單元的拋護厚度達到或超過了設(shè)計的要求。本次采用尼龍網(wǎng)兜對壩頂及壩肩進行防護試驗達到了預(yù)期目的。

6 壩坡拋石防護

6.1 壩坡拋石拋投次序

由于石料船噸位較大，而現(xiàn)場拋護單元面積下如果平均拋厚0.6 m分2次拋投完成要求頻繁定位并移動運輸船，給施工和安全帶來比較大的困難，故在本次現(xiàn)場試驗中采用設(shè)計拋厚1.2 m一次拋投完成，具體的施工工序和流程是:

試驗段水下地形測量→定位船定位→壩上游拋石→第1單元小區(qū)拋石→拋后試驗段水下地形測量→第2單元小區(qū)拋石→拋后試驗段水下地形測量→……→最后單元小區(qū)拋石→拋后試驗段水下地形測量→補拋→水下地形測量→再補拋→壩下游拋石→第1單元小區(qū)拋石→拋后試驗段水下地形測量→第2單元小區(qū)拋石→拋后試驗段水下地形測量→……→最后單元小區(qū)拋石→拋后試驗段水下地形測量→補拋→水下地形測量→再補拋→竣工測量。

6.2 壩坡拋石準施工定位方法

按公式計算塊石漂距，然后對定位躉施工定位后(圖5)，在定位船下舷邊，按標準網(wǎng)格設(shè)置的掛檔標記，掛靠運石船進行拋石施工。根據(jù)以往在長江護岸拋石工程中施工的經(jīng)驗，運石船上的塊石由機械從船側(cè)拋出距離為1.5～2.5 m。因此，采用機械拋石時各運石船位相互錯開5.0 m左右，從而保證拋投均勻無空檔(圖7)。

圖7 拋石船拋投示意圖Fig.7 Schematic diagram of riprapping by ship

6.3 壩坡拋石試驗實際增厚率計算

DTM掃測數(shù)據(jù)計算的潛壩壩坡拋石防護的拋投增量及實際增厚率見表5。

表5 拋石防護拋投增量及實際增厚率統(tǒng)計Table 5 Statistics of the increment and actual thickening rate of riprap

以上試驗成果是按設(shè)計補償系數(shù)1.7計算得出的，如果拋投系數(shù)采用1.5，按等比縮小可以得到，平均斷面的綜合實際增厚率為104.8%，整個潛壩壩坡拋石防護的平均增厚率為99.0%，仍然可以同時滿足增加相鄰斷面平均增厚率、單個斷面平均增厚率2個控制指標的要求。由于塊石屬個體，單體質(zhì)量相對小一些，而且塊石大小不均勻，故其散落度大于尼龍石兜。根據(jù)上述的本次現(xiàn)場試驗成果，建議在潛壩加固的下一步工作中，壩坡塊石拋護工程量補償系數(shù)按1.5進行設(shè)計和計算。

7 結(jié)語

本文就長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲左汊口門潛壩加固工程的現(xiàn)場定位方法、具體施工工藝、工序和工程量補償系數(shù)的選擇進行了試驗研究。現(xiàn)場試驗總體達到了初步設(shè)計的目的，為深水潛壩工程設(shè)計、工程實施和建設(shè)管理提供依據(jù)和經(jīng)驗，同時也為大面積施工進行了探索性而有意義的工作。本次現(xiàn)場試驗主要取得了以下成果:

(1)本次試驗采用的施工設(shè)備和定位方法能滿足工程要求，可以作為后續(xù)工程的施工方案。

(2)推導的公式屬于半理論半經(jīng)驗公式，誤差小，可用于實際工程的定位計算。

(3)本文結(jié)合現(xiàn)場試驗得出尼龍網(wǎng)石兜的阻力系數(shù)為1.38，塊石的阻力系數(shù)為1.17。

(4)尼龍網(wǎng)石兜的補償系數(shù)應(yīng)取1.2，拋石的散落度稍大，其補償系數(shù)應(yīng)取1.5。

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