管效仲

(黑龍江省航道事務(wù)中心,哈爾濱 150001)

0 引 言

軟體排護(hù)底技術(shù)在松花江航道整治工程中已得到了廣泛應(yīng)用,一般選擇在河流暢流期進(jìn)行施工。但松花江是季節(jié)性封凍河流,暢流期僅為200～210d,封凍期一般為140d左右,封凍期最大冰厚可達(dá)1.6m,一般每年的暢流期內(nèi)可進(jìn)行正常施工的天數(shù)僅有6個(gè)月左右,成為制約松花江航道整治工程施工的主要瓶頸。在多年工程實(shí)踐中,黑龍江航道人創(chuàng)新性地總結(jié)出了冰上碼方筑壩和開(kāi)冰槽拋石筑壩的冬季施工方法,為航道整治工程施工開(kāi)辟了新途徑,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了提高工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度和降低工程費(fèi)用的目的[12]。但軟體排護(hù)底工程是整治工程的基礎(chǔ),該工藝不實(shí)施后續(xù)的壩體拋石就無(wú)法進(jìn)行,當(dāng)然也就無(wú)法發(fā)揮出冬季施工的優(yōu)勢(shì)。為此,有必要對(duì)航道整治工程軟體排護(hù)底工程進(jìn)行冬季施工的可能性進(jìn)行研究,文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)冰面上沉排法進(jìn)行研究分析,分析其應(yīng)用于深水區(qū)存在的缺陷,提出全新的解決方案[3]。

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

1.1 冰面上沉排法簡(jiǎn)介

松花江作為北方寒區(qū)河流暢流期可滿足施工的時(shí)間較短,一些大型水利項(xiàng)目往往因暢流期可利用時(shí)間短致使工藝安排不合理甚至無(wú)法按時(shí)完工。為加快工程進(jìn)度,一些水利堤(岸)坡防護(hù)工程就采用了冰面上沉排法,收到了較好的效果。

冰面上沉排法,即利用冬季寒區(qū)河流封凍的冰面進(jìn)行軟體排施工,有自然沉排法和強(qiáng)迫沉排法。自然沉排法主要是在河流即將解凍時(shí)完成沉排,排體隨冰層融化逐步下沉實(shí)現(xiàn)著床。此法宜在流速≤0.6m/s,水深在3m以內(nèi)的情況下采用。強(qiáng)迫沉排法是在河流解凍前即完成沉排,在排體壓載完成后,在其上下游兩側(cè)開(kāi)冰槽,在其臨水側(cè)前約0.5m處每隔2m開(kāi)冰眼進(jìn)行沉排。冰槽和冰眼均不得打穿,根據(jù)事先測(cè)得的當(dāng)?shù)乇鶎雍穸?留10～15 cm,待所有冰槽和冰眼開(kāi)好后,同時(shí)打穿。此時(shí),河水隨之溢出,由于水的浮托力迅速減小,加之水溫的作用,冰層在排體壓載作用下很快斷裂,排體能基本均勻地迅速下沉。當(dāng)水深>3m,排體面積很大時(shí),宜采用強(qiáng)迫沉排法。

1.2 對(duì)冰面上沉排法的分析

冰面上沉排法的特點(diǎn)是,鋪排、壓載和沉排均在冰面上完成,一般采用錨固槽或打樁等措施將排體臨岸一邊固定在岸坡上。該方法有效地解決了水利堤(岸)坡防護(hù)工程冬季施工的難題,因其具有施工質(zhì)量好、施工速度快、投資省、防護(hù)效果好的特點(diǎn),在黑龍江、松花江、嫩江、額爾古納河、遼河等均有應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)相關(guān)工程案例的研究發(fā)現(xiàn),冰面上沉排法在河流近岸淺水區(qū)應(yīng)用比較成功,對(duì)于離岸較遠(yuǎn)項(xiàng)目,因水深流急又遠(yuǎn)離堤岸,施工質(zhì)量和施工安全均難以掌控,存在以下缺陷:

1)若壓載不及時(shí)、不同步,容易發(fā)生排體局部下沉。

2)排體下沉過(guò)程中可能發(fā)生翻排、卷排等質(zhì)量事故。

3)壓載過(guò)程中可能因冰層承載力不足而導(dǎo)致施工安全事故。

4)若因上述問(wèn)題導(dǎo)致冰面破壞,則短期內(nèi)無(wú)法繼續(xù)施工。

5)軟體排沉排完成后,冰面即大面積沉落,短期內(nèi)無(wú)法進(jìn)行后續(xù)工藝施工。

6)冰層較厚時(shí),為克服冰的浮托力需要額外增加壓載體重量,從而增加工程造價(jià)。

綜上所述,若將現(xiàn)有技術(shù)冰面上沉排法應(yīng)用于深水區(qū)的丁壩、鎖鎖和順壩等航道整治工程,施工質(zhì)量和施工安全難以掌控,施工效果勢(shì)必難以實(shí)現(xiàn)。為解決這一難題,提出了全新的解決方案——一種軟體排的冰面下沉排施工工藝,即冰面下沉排法,該工法于2023年2月17日獲得國(guó)家發(fā)明專利(授權(quán)公告號(hào):CN 114164800 B),現(xiàn)介紹如下。

2 冰面下沉排法

2.1 施工準(zhǔn)備

1)冰厚測(cè)量:為確保施工安全,施工前有必要對(duì)施工區(qū)域及施工通道的冰層厚度進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)冰層厚度達(dá)到50cm以上時(shí),方可安排四輪運(yùn)輸車等小型設(shè)備在冰面上施工作業(yè)。

2)水深測(cè)量:水深測(cè)量是指對(duì)壩位河床斷面進(jìn)行水深測(cè)量,可打冰眼后用探桿摸測(cè),掌握壩位河床地形,判斷是否有局部坑洼需要填平處理。

3)場(chǎng)地清理:包括清理施工區(qū)域和施工通道冰面上的積雪和雜物以及冰面下的障礙物。

4)排體加工:擬定好排體規(guī)格、沉排順序及搭接方式后即可進(jìn)行軟體排加工。為增加軟體排抗拉強(qiáng)度,在排體縱向(順?biāo)飨?和橫向(垂直水流向)間隔縫制多條加筋帶,為便于排體展開(kāi),在其橫向邊緣用φ10以上鋼筋做加筋帶。

5)施工設(shè)備:主要為小型裝載機(jī)、挖掘機(jī)和小型翻斗車等。

2.2 施工流程

冰面下沉排法具體施工流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 冰面下沉排法施工流程圖

圖2 排體冰槽冰眼平面布置示意圖

2.3 施工要點(diǎn)

1)定位、放樣:采用全站儀或GPS定位技術(shù),預(yù)先在冰面上確定軟體排護(hù)底的范圍和每幅排體沉排邊線,并將其標(biāo)示出來(lái)。

2)開(kāi)冰槽、打冰眼:在預(yù)定沉排位置排頭(上游)和排尾(下游)分別開(kāi)鑿2個(gè)寬0.6～1.0m的冰槽,冰槽長(zhǎng)度≥排體橫向?qū)挾?冰槽間距與排體縱向長(zhǎng)度相同。在沉排范圍內(nèi)梅花型均勻布置冰眼,冰眼間距取3～5m,冰眼大小以中等大小塊石(或其他壓載體)能夠順利通過(guò)為宜。在排頭冰槽上游再均勻布置穿繩冰眼,所開(kāi)冰眼距排頭距離要大于沉排位置水深,可取實(shí)際水深的1.2～2.0倍,并在冰眼附近埋設(shè)臨時(shí)小系纜樁。

3)排頭鎖定:將上游排繩(可用φ16尼龍繩)的一端穿過(guò)穿繩冰眼通過(guò)冰面在排頭冰槽出水后系結(jié)在排頭邊緣加筋帶上,每塊排體設(shè)排繩不少于4根,用同樣方法依次系好每根排繩,收緊所述排繩的另一端并系結(jié)在預(yù)埋好的系纜樁上,使排頭邊緣與所述冰槽上緣對(duì)齊。

4)穿桿引繩:采用穿桿引繩法使下游排繩在冰面下穿過(guò)。每塊排體的下游排繩≥4根,將所述排繩的一端均勻系結(jié)在排尾邊緣加筋帶上,另一端用引纜繩(φ6彩色尼龍繩)系在一起,再將引纜繩自由端系在竹竿(長(zhǎng)3～5m)上,人工引導(dǎo)使竹竿從排頭冰槽入水在排尾冰槽出水,撈起竹竿和引纜繩,再通過(guò)引纜繩撈起排繩。至此,所述排繩均已穿過(guò)冰面。

5)排體展開(kāi):在上游冰槽放排布入水,先讓排尾入水,排頭已鎖定,下游排繩均設(shè)專人控制,使排體位置對(duì)準(zhǔn)沉排邊線,借助水流力作用使排體在冰面下平順展開(kāi)。

6)排體壓載:先在上游冰槽處集中拋石壓排頭,用探桿進(jìn)行摸測(cè)確認(rèn)排頭完全著床后,再自上而下依次向冰眼內(nèi)拋石,直至該排體全部著床。釋放排繩撈起備用。

7)排體縱向搭接:以順壩為例,采取自下而上的施工順序,排體間縱向搭接,搭接長(zhǎng)度取2m。原上游冰槽作為排尾冰槽,在其上游新開(kāi)相同尺寸冰槽作為排頭冰槽,要使冰槽間距比排體縱向長(zhǎng)度<2m。再按照步驟(2)所述布置拋石冰眼、穿繩冰眼和系纜樁,再重復(fù)步驟(3)～步驟(6)完成所述排體的沉排,直至一幅排體沉排完成,所述排體幅寬與排體橫向?qū)挾认嗟取Ｅ朋w縱向搭接示意圖,見(jiàn)圖3。

圖3 排體縱向搭接示意圖

8)排體橫向搭接:以鎖壩為例,采取從左岸向右岸的施工順序,排體間橫向搭接,搭接長(zhǎng)度取2m,排體縱向長(zhǎng)度為排體幅寬。沿著整幅或分幅排體的上下邊線向右延長(zhǎng)排頭冰槽和排尾冰槽至擬沉排體右側(cè)邊線(考慮搭接長(zhǎng)度后)位置,為便于排體展開(kāi)可以使所述冰槽超過(guò)所述邊線位置。再按照步驟(2)所述布置拋石冰眼、穿繩冰眼和系纜樁,再重復(fù)步驟(3)～步驟(6)完成所述排體的沉排,直至一幅排體沉排完成。排體橫向搭接示意圖,見(jiàn)圖4。

圖4 排體橫向搭接示意圖

9)下一幅排沉排:對(duì)于順壩,確定下一幅排的起始位置后,重復(fù)步驟(2)～步驟(7)完成所述排體的沉排,直至所述壩體軟體排全部沉排完成。對(duì)于鎖壩,確定下一幅排的起始位置(考慮兩幅排體間搭接)后,重復(fù)步驟(2)～步驟(6)以及步驟(8),完成所述排體的沉排,直至所述壩體深水區(qū)段內(nèi)軟體排全部沉排完成。

10)質(zhì)量檢測(cè):主要檢測(cè)排體的著床情況和搭接情況,可通過(guò)打冰眼摸測(cè),也可通過(guò)水下攝像設(shè)備檢測(cè)。如有局部排體漂浮,可通過(guò)加密冰眼再拋石。如有局部搭接不合格,可采取所述沉排方法補(bǔ)沉一塊軟體排覆蓋所述位置。

11)補(bǔ)拋壓排石:沉排完成后,排上壓排石可能不足,可繼續(xù)采取開(kāi)冰槽(冰眼)的方法補(bǔ)拋壓排石,所開(kāi)冰槽(冰眼)要避開(kāi)已拋石位置。也可以在開(kāi)江后暢流期用船舶裝運(yùn)石料補(bǔ)拋壓排石。

2.4 淺水區(qū)處理

該施工工藝比較適合壩位水深>1.2m的區(qū)域,對(duì)于水深較小的淺水區(qū)段或端頭部位,軟體排在水下可能無(wú)法通過(guò)。對(duì)此段排體可采取冰面上沉排法作業(yè),再與深水區(qū)排體搭接。

3 實(shí)施效果

軟體排冰面下沉排法是利用松花江季節(jié)性封凍河流的特性,以冬季可承載的冰面為依托,采取分離壓載方式,實(shí)現(xiàn)軟體排的冰面下沉排。該工藝解決了北方寒區(qū)河流航道整治工程冬季無(wú)法進(jìn)行護(hù)底施工的難題,規(guī)避了采取冰面上沉排施工面臨的諸多風(fēng)險(xiǎn),具有以下有益效果:

1)采取開(kāi)冰槽、打冰眼這種“微創(chuàng)式”施工方式,壓載過(guò)程基本不破壞冰面,施工安全有保障。

2)先鎖定排頭,再自上而下拋石壓載,充分利用水流作用使排體逐漸著床,避免了排體漂移、翻排、卷排等質(zhì)量事故的發(fā)生。

3)冰面厚度達(dá)到50cm即可開(kāi)始施工,可采用小型自卸翻斗車冰上運(yùn)料,不必進(jìn)行冰面增厚等施工作業(yè)。

4)沉排后冰面可快速封凍,不影響后續(xù)施工,可使冬季施工期得到有效利用。

5)壓載體用量不受冰厚影響,可降低工程造價(jià)。

6)施工受約束條件少,工藝簡(jiǎn)單,可多個(gè)作業(yè)面同時(shí)作業(yè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)有技術(shù)的冰面上沉排法在河流近岸淺水區(qū)項(xiàng)目應(yīng)用比較成功,但對(duì)于深水區(qū)的丁壩、鎖鎖和順壩等軟體排護(hù)底工程存在很多缺陷,為此提出了全新的解決方案——冰面下軟體排施工工藝。以冬季可承載的冰面為依托,采取分離壓載方式,實(shí)現(xiàn)軟體排的冰面下沉排。該工藝規(guī)避了現(xiàn)有冰面上沉排法存在的一些技術(shù)缺陷,解決了北方寒區(qū)河流冬季無(wú)法進(jìn)行軟體排護(hù)底施工的難題。以此為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了航道整治工程從軟體排護(hù)底到壩體拋石全過(guò)程的冬季施工。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)寒區(qū)河流航道整治工程建設(shè)水平的提升具有一定積極意義。