長江南京以下12.5 m深水航道工程深水軟體排設計施工

阮學成，王翔，劉滔

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

1 工程概況

1.1 工程地形變化

長江南京以下12.5 m深水航道一期工程通州沙整治建筑物工程于2012年9月份開工建設，開工前對水下地形進行工前測量，分析地形資料發(fā)現(xiàn)狼山沙左緣在半年間出現(xiàn)了5 m、10 m、12.5 m等深線均后退40~50 m的情況，其中T12+45—T12+50段后退70~160 m間，并且出現(xiàn)無規(guī)律的間斷沖刷坑，沖刷坑最大深度15~21 m不等，且沖刷坑邊坡陡于1∶3，給軟體排的鋪設施工帶來安全問題，需進行補充設計，同時需對軟體排的鋪設船機進行必要改造。

1.2 采取措施

針對地形變化，根據(jù)工前地形測量資料采取如下措施：1）對局部沖刷坑進行處理；2）對深水段的軟體排結(jié)構(gòu)進行調(diào)整；3）根據(jù)工前測量資料，調(diào)整軟體排布置。

2 深水軟體排設計

2.1 對沖刷坑的處理

根據(jù)該區(qū)域整治建筑物的穩(wěn)定設計和地基土壤的穩(wěn)定分析，岸坡的穩(wěn)定坡度一般在1∶3左右，出現(xiàn)沖刷坑后，灘面與深坑的坡度變陡，在受到一定的荷載作用后，邊坡土體極易發(fā)生塌陷和下滑，從而對鋪設的軟體排造成變位和破壞，不滿足軟體排鋪設后的長期安全穩(wěn)定使用要求，因而需要對沖刷坑進行必要的拋填袋裝砂進行修坡，直到坡度緩于1∶3再進行軟體排鋪設。采用4 m×6 m、2.8 m×2.8 m規(guī)格的230 g/m2長絲機織布充填砂袋進行拋填處理。

2.2 深水軟體排加筋帶設計

2.2.1 排體加強設計

軟體排的強度由排體布和加筋帶共同構(gòu)成，考慮到軟體排的鋪設方式為卷筒纏繞排體，混凝土聯(lián)鎖片壓載塊系結(jié)在加筋帶上，排體的受力主要由加筋帶承擔，在最不利受力時基本不考慮排體布的強度，因而對軟體排的加強設計主要通過增大加筋帶規(guī)格或增加加筋帶數(shù)量來實現(xiàn)。加筋帶技術(shù)指標如表1所示。

表1 加筋帶技術(shù)指標Table1 The technical indicators of reinforced belts

2.2.2 不同水深加筋帶根數(shù)計算

不同水深加筋帶根數(shù)計算見表2。

表2 加筋帶計算結(jié)果Table2 The calculation results of reinforced belts

2.2.3 加筋帶布置示意

根據(jù)軟體排鋪設斷面的水深變化，加筋帶數(shù)量可分段布設。按照水深15 m、20 m、25 m、30 m等不同數(shù)值分別計算各個深度段軟體排所需的加筋帶數(shù)量，示意圖如圖1。

以30 m水深的軟體排示例，每m布置8根5 cm的丙綸加筋帶，每個聯(lián)鎖片單元的加筋帶布置如圖2。

圖2 聯(lián)鎖片單元軟體排加筋帶布置示意圖(單位：cm)Fig.2 The layout of reinforced belt with soft mattressin interlocking blocks unit(cm)

聯(lián)鎖片單元為400 cm×500 cm（每個單元包含80個480 mm×480 mm規(guī)格聯(lián)鎖塊單體，用丙綸繩連接），沿400 cm（寬度方向）每m布設8根加筋帶，即4×8=32根加筋帶。

3 深水軟體排計算

3.1 計算標準與計算外力

根據(jù)《水運工程土工合成材料應用技術(shù)規(guī)范》[1]中9.2.4條，軟體排抗拉安全系數(shù)在滿足施工期和使用要求的情況下宜取3；混凝土聯(lián)鎖塊按照均布荷載施加于排體上；排體考慮水流力作用，根據(jù)潛堤軸線與水流流向關(guān)系，水流力作用與排體間按照15°角考慮；施工過程中，排體所受外力主要由加筋帶承受，且排體丙綸機織布的延伸率與加筋帶不同，不會同時達到最大拉力值，因此排布拉力考慮0.5的折減系數(shù)；軟體排移船距離按照小于20 m計算；施工過程中波浪力影響、排體自重與收縮影響等均包含在3.0的安全系數(shù)內(nèi)，不再另外考慮。

3.2 計算方法

排體按照懸鏈線雙曲余弦函數(shù)計算[2]，軟體排沉排軌跡公式為：

水流力計算文獻[3]為：

式中：K為擋水形狀系數(shù)，矩形取1.0；A為有效受力面積；rw為水的重度，取10.25 kN/m3。

計算條件：鋪排船甲板到水面高度2 m，鋪排船翻板角度取40°，斷面垂線平均流速取2 m/s，排體寬度取38.5 m，混凝土聯(lián)鎖塊占軟體排面積核算后取92.16%，混凝土聯(lián)鎖塊水下重度取13 kN/m3。

4 深水軟體排施工工藝

深水軟體排鋪設受流速、潮汐和排長影響更甚于普通軟體排，鋪排施工過程中的風險因素增加，排體收縮較大。深水鋪排對施工船舶性能提出了極高的要求，同時也要改進施工工藝，才能保證深水鋪排的施工安全和排體鋪設后的平面位置及搭接要求。

4.1 施工船機參數(shù)

目前國內(nèi)軟體排鋪設水深基本都在20 m以內(nèi)，經(jīng)過現(xiàn)場實踐證明難以勝任本工程20~30 m水深軟體排鋪設任務。為了確保工程質(zhì)量及安全，施工單位結(jié)合現(xiàn)場水深、流速及航道工況對軟體排鋪設船進行了重新設計，設計改造了2條深水鋪排船“半潛1號”和“反駁126”，其中“半潛1號”深水鋪排船的船機參數(shù)如表3。

表3 半潛1號船體參數(shù)Table 3 Theparametersof Banqian I vessel

重點設計改造了錨泊設備與翻板系統(tǒng)：采用7 t大抓力錨，船首和船尾各配置3個，錨機采用功率110 kW的500 kN變頻錨絞車；增設2臺20 t克令吊；增設軟體排張卷滾筒，滾筒長40 m，滿足38.5 m寬軟體排鋪設需要；考慮翻板結(jié)構(gòu)端部豎向荷載和被動滾筒受排布拉力增大，加強了翻板固定裝置和滾筒的驅(qū)動裝置。

4.2 施工工藝

深水軟體排施工工藝與普通軟體排基本相同，不同之處在于移船的方式。首先將排布展開卷到滾筒上，鋪排船準確定位，聯(lián)鎖塊運輸船靠泊在鋪排船的另一側(cè)，由鋪排船上吊機吊聯(lián)鎖塊工人輔助將聯(lián)鎖塊擺設在軟體排上，綁扎聯(lián)接繩完成后，按照異步放排移船鋪排方式[2]鋪設軟體排。

4.3 施工注意事項

以潛堤B2-148號典型深水軟體排施工為例，排體所在區(qū)域的水下地形起伏較大，泥面標高從-4.3 m降到-31.1 m（為85高程），平均水位在0.8 m左右。施工注意事項[4]如下：

1）深水軟體排排體末端的加筋圈和卷筒上各系點所設置的鋼絲繩，因排體布置的加筋帶增多，系點鋼絲繩也增多，為使排體受力均勻，卷起的鋼絲繩和丙綸繩每條繩都需要有工人監(jiān)看，以便隨時糾正繩位，使繩位始終卷在系點左右位置，排體上卷時卷筒的兩端需工人隨時糾正排體位置，同時甲板上排體兩側(cè)也需要工人整平預卷排體，確保排體平整均勻卷在卷筒上。

2）深水軟體排懸掛長度增加，移船距離需精確計算，根據(jù)滑板下邊緣到水底泥面的距離、排體定位的坐標和已下放的軟體排長度，計算出已沉放到泥面上的軟體排長度，以確定移船的距離，同時要避免排體定位失誤。移船距離要略小于落在泥面上的軟體排的長度，減少排布受力，防止排體被拖移或排布撕裂。

3）鋪排施工水深最大達30 m以上，軟體排懸掛較長，現(xiàn)場流速觀測發(fā)現(xiàn)落潮流速大于漲潮流速，最大瞬間流速達5 m/s，排體側(cè)向受水流力收縮較大，斷面垂線平均流速大于2 m/s時需暫停鋪設避流，以減小縮排，保證鋪排質(zhì)量。

4）深水軟體排檢測：目前軟體排施工質(zhì)量檢測一般采用傳統(tǒng)的浮標倒垂法加潛水員水下探摸檢測方式。水深較深，浮標系繩較長，拉伸不直，不能確保浮標系繩拉緊處于垂直狀態(tài)，測量浮標點的坐標偏差較大，精度不高。另外，深水潛水的工作效率及潛水員安全因素問題也很突出。因此深水軟體排的鋪設質(zhì)量檢測需要采用高精度、適合深水區(qū)的盤掃聲吶、短基線等新型軟體排檢測方式。

5 結(jié)語

從實際施工過程看，按照上述計算結(jié)果進行設計加工的軟體排在施工過程中是安全可靠的，未出現(xiàn)排體撕裂、斷開現(xiàn)象；同一張軟體排排體強度、構(gòu)造按照水深分段設計是可行的；排體計算安全系數(shù)取3.0，由于規(guī)范中未明確說明安全系數(shù)所包括的各項因素、內(nèi)容，因而在計算時不能進行針對性的優(yōu)化，某些情況下可能造成安全系數(shù)偏大。

深水軟體排的施工主要依靠軟體排鋪設船機的施工能力，包括錨及錨機能力，若不滿足要求則會出現(xiàn)鋪設中船舶走錨，甚至出現(xiàn)排體帶著船舶漂移的現(xiàn)象。每張軟體排鋪設時應選擇平潮時段進行排頭鋪設，在流急時段應避流暫停施工；丙綸加筋帶的強度相對低于滌綸加筋帶，但縫制性能好于滌綸加筋帶；30 m水深排體的加筋帶非常密，加工與鋪設均存在難度，實際施工中未發(fā)現(xiàn)排體斷裂現(xiàn)象，對此應該可以作進一步優(yōu)化。

[1]JTJ239—2005,水運工程土工合成材料應用技術(shù)規(guī)范[S].JTJ 239—2005,Technical codefor application of geosynthetics for port and waterway engineering[S].

[2]馮海暴.長江航道整治工程惡劣工況深水鋪排懸鏈線理論研究及應用[J].中國港灣建設，2014（1）：22-25，31.FENGHai-bao.Theoretical study and application on thearrangement of catenary in deepwater under severe operation conditions of the Yangtze River channel regulation project[J].China Harbour Engineering,2014(1):22-25,31.

[3]JTS144-1—2010,港口工程荷載規(guī)范[S].JTS144-1—2010,Load codefor harbor engineering[S].

[4]中交第一航務工程局有限公司.長江南京以下12.5 m深水航道一期工程通州沙整治工程深水軟體排鋪設施工方案[R].天津：中交第一航務工程局有限公司,2012.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.Construction scheme of laying deepwater soft mattress for the Tongzhousha regulation project of 12.5 m deepwater channel phaseⅠproject from Nanjing in the Yangtze River[R].Tianjin：CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,2012.