兩種新型拋石護岸工藝在深水區應用效果對比*

王茂枚，姜 果，趙 鋼，徐 毅，蔡 軍

(1. 江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2. 河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

長江下游干流河道水深流急，近年來受上游來水來沙減少等的影響，部分河段河床沖深加劇，水下岸坡坡度變陡，河道的崩岸頻度和強度明顯加劇，并且由于河岸地質構造多是二元結構，河岸抗沖性較差、崩岸強度大，嚴重影響防洪安全和沿江國民經濟設施的安全運行[1]。水下拋石護岸取材便利、施工工藝簡單便捷，在長江下游河道整治工程中被廣泛應用，但受深水區水深大、流速快、水動力條件復雜的影響，拋石施工控制難度較大[2-3]。由于拋石護岸主要是通過塊石覆蓋床面，保護河床泥沙不被沖刷，因此在拋石施工過程中，要求床面的拋石盡可能均勻。但是在實際的拋石施工中，因拋石船定位不準、水流作用等原因，常常出現部分區域拋石過于集中、部分區域拋石較少的情況。根據泥沙顆粒的隱暴特性，泥沙顆粒隱蔽系數越小則暴露系數越大、越容易起動[4]，因此拋石的均勻度可能會影響塊石的起動概率，尤其對散拋石而言，拋石均勻度低可能會導致塊石更容易流失。因此水下拋石質量評定不但應關注拋石范圍和拋區增厚指標是否滿足要求，而且應關注拋投是否均勻。

為使水下拋石工程達到“拋足、拋準、拋勻”的質量標準，拋石施工工藝不斷改進，目前長江下游護岸工程中較多采用網兜散拋石和沉箱式拋石等改進的施工工藝。與傳統的拋石工藝相比，改進后的施工工藝在施工安全性方面有較大提高，但少有對這兩種工藝施工效果的對比研究。目前常用的拋石效果評價指標為拋石區測點增厚及斷面增厚[5]，缺少拋石均勻度的定量評價指標。均勻度指標種類較多，在各個領域均應用非常廣泛[6]，本文嘗試引入離差系數和克里斯琴森均勻系數作為均勻度評價指標，以長江澄通河段老海壩節點綜合整治工程深水區拋石為例，針對網兜散拋石和沉箱式拋石兩種工藝的拋石效果，從拋石增厚和拋石均勻度兩個方面進行對比分析，以期為施工質量評價提供依據。

1 方案設計

1.1 工程區概況

長江澄通河段老海壩段位于瀏海沙水道，歷史上演變劇烈，受漲落潮影響和長江主流頂沖，水沙運動復雜，水下岸坡陡峭、地形變化劇烈，是長江下游重點防護岸段[7]。1)研究區1位于張家港海力8號碼頭前沿，長約390 m，寬約100 m，區域內河床沖刷嚴重，最大水深約65 m，近岸平均寬約60 m的范圍內采用沉箱式拋石施工，單元工程用WD表示，設計拋石厚度2.5 m。沉箱式拋石區向外約40 m的范圍內采用網兜散拋石施工，單元工程用FB表示，設計拋石厚度2.0 m。2)研究區2位于研究區1下游約3.9 km，張家港海力1號碼頭前沿，長約500 m，寬約150 m，近年來河勢變化劇烈，水下岸坡坡度較陡，近岸平均寬約55 m的范圍內采用沉箱式拋石施工，沉箱式拋石區向外約95 m的范圍內采用網兜散拋石施工，單元工程表示及設計增厚同研究區1。研究區位置見圖1。

圖1 研究區位置及監測斷面布置

1.2 施工工藝

網兜散拋石工藝是采用深艙駁運輸塊石，浮吊船進行拋投的施工工藝，預先將網兜鋪設在深艙駁貨艙底，然后裝運塊石并靠泊浮吊船，采用GPS精確校準浮吊船船位，吊機提升網兜的同時塊石自動滾落在網兜上，將網兜吊至目標區域水面上方，打開網兜，塊石自水面落水，再回收網兜。沉箱式拋石施工工藝是集定位、裝箱、投放為一體的拋投工藝，通過專用沉箱船自帶的GPS定位系統作精準定位，將塊石裝入沉箱內，通過鏈輪傳送將裝有塊石的箱體下放到接近河床面后，打開底門結構裝置，將塊石全部拋投至河床，再將箱體提升至船體內。

1.3 研究方案

采用Sonic 2024多波束測深系統獲取拋石前后拋石區水下地形，通過在各單元工程內布設監測斷面和選取監測點，獲取拋石前后各監測點和監測斷面的高程。各單元工程內至少布置3條監測斷面，各斷面每5 m布置1個監測點，研究區1共布置了19個監測斷面，研究區2共布置了15個監測斷面，見圖1。根據監測點和監測斷面高程變化，計算沉箱式拋石區和網兜散拋石區的拋石增厚值和拋石均勻度，作為評價拋石效果的定量分析指標，分別對比同一研究區內兩種不同工藝以及同種工藝不同研究區的拋石增厚值和拋石均勻度，分析兩種工藝在深水區拋石中的應用效果。

2 拋石效果評價指標及計算方法

2.1 拋石增厚

拋石增厚是拋石效果評價的一項重要評價指標，在目前拋石質量檢測及效果分析中被廣泛采用，分為測點增厚和斷面增厚。測點增厚值計算公式為：

d=H2-H1

(1)

式中：d為測點增厚值(m)；H2為拋石后測點高程(m)；H1為拋石前測點高程(m)。

斷面平均增厚即為斷面所有測點增厚的平均值，計算公式為：

(2)

式中：D為斷面平均增厚(m)；di為斷面測點增厚值(m)；n為斷面測點總數。

由于水流條件、岸坡條件及防護等級不同，不同拋石單元工程的設計增厚也往往存在差異，因此可以采用斷面相對增厚率對比不同拋石區的拋石效果，計算公式為：

(3)

式中：r為斷面相對增厚率：D為斷面平均增厚(m)；D0為設計增厚值(m)。

2.2 拋石均勻度

由于水下拋石為隱蔽工程施工，無法直觀獲取拋石的位置，并且無法進行整平，因此拋厚往往是不均勻的。衡量空間分布不均勻性的變異指標通常有極差、平均差、標準差、變異系數等。但極差、平均差、標準差都是用絕對量來顯示標志值的變異程度，而水深測量由于測量誤差的存在，采用絕對量可能會帶來較高的誤導性。采用相對量表示的均勻性指標可以克服以上指標的缺點。常用的衡量均勻度的相對指標有離差系數CV、基尼系數Gini、集中指數CI、赫氏指數HHI、克里斯琴森均勻系數CU等。不同均勻度評價指標所采用的原理不盡相同，由上文可知，拋石監測點采用抽樣的方法進行選取，因此基尼系數Gini不適合用來分析拋石均勻度；另外不同拋石區因面積不同，監測點選取的數量也有所不同，導致集中指數CI和赫氏指數HHI均不具有可比性，但對離差系數CV和克里斯琴森均勻系數CU沒有影響。因此本文嘗試引入離差系數CV和克里斯琴森均勻系數CU作為拋石均勻度衡量指標。

2.2.1離差系數

離差系數又稱變差系數，為拋石測點增厚值均方差與均值的比值，可表示不同均值系列的離散程度。CV越接近于1，離散程度越大，拋投越不均勻；CV越接近于0，離散程度越小，拋投越均勻。其計算公式為：

(4)

2.2.2克里斯琴森均勻系數

(5)

本文將克里斯琴森均勻系數引入到拋石均勻度評價中，用該指標衡量拋投是否均勻，KCU越大表明拋投越均勻，反之則拋投越不均勻。

(6)

3 拋石效果分析

研究區1的3#、10#、15#監測斷面和研究區2的1#、7#、13#監測斷面拋前、拋后斷面變化見圖2。可以看出，施工區河床深槽水深普遍較深，最深處河床高程接近-75 m，其中研究區1沉箱式拋石區整體地形較為平緩，平均水深約50 m，但WD1、WD2所在區域存在一個非常明顯的沖刷坑，沖刷坑一側岸坡較陡，最大坡比約1:2。研究區2沉箱式拋石區岸坡坡比基本在1:3左右，水深變化范圍為15～50 m，與研究區1相比，平均水深相對較淺。研究區1網兜散拋石區平均水深約46 m，地形平緩；研究區2網兜散拋石區平均水深約58 m，坡比約1:5，岸坡也較為平緩。拋石后各斷面線總的趨勢與拋前基本一致，但岸坡相對變緩，有利于岸坡穩定。

圖2 拋石前后研究區監測斷面變化

3.1 拋石增厚效果分析

在河勢急劇變化區拋石，施工質量受水流和岸坡的影響較大，質量控制難度非常大。根據江蘇省地方標準DB32T 2334.2—2013《水利工程施工質量檢驗與評定規范》(簡稱規范)[9]，由于研究區均位于沖淤急劇變化區，設計要求測點增厚值和斷面增厚值達到1 m即為合格，增厚值統計情況見表1。

表1 測點及斷面合格率統計

由表1可知，沉箱式拋石區和網兜散拋石區測點合格率均達到70%以上，斷面合格率均為100%，兩種拋石工藝的拋石質量等級均為合格，但沉箱式拋石區的測點合格率要高于網兜散拋石區。研究區1沉箱式拋石斷面平均增厚為1.77 m，研究區2沉箱式拋石斷面平均增厚為2.13 m，斷面平均增厚均高于網兜散拋石區。研究區1沉箱式拋石區和網兜散拋石區的斷面相對增厚率分別為0.89、0.56，研究區2沉箱式拋石區和網兜散拋石區的斷面相對增厚率分別為1.07、0.67，沉箱式拋石工藝下的斷面相對增厚率均高于網兜散拋石工藝，由此可見在深水區拋石增厚控制方面，沉箱式拋石工藝表現較好。

根據不同研究區的拋石增厚效果對比可知，研究區2沉箱式拋石增厚效果較好，測點合格率和斷面平均增厚均高于研究區1。結合不同研究區水深情況可知，對于沉箱式拋石工藝，水深較淺時拋石增厚效果相對較好。研究區2網兜散拋石區平均水深大于研究區1，但研究區2網兜散拋石的測點合格率和斷面平均增厚均高于研究區1，由此可見網兜散拋石增厚效果不僅與水深有關，而且也受施工時的水流條件、施工船只定位等其他因素影響。

3.2 拋石均勻度分析

沉箱式拋石區和網兜散拋石區的拋石均勻度統計結果見表2。沉箱式拋石區離差系數CV均小于0.4，克里斯琴森均勻系數KCU均高于70%，拋石均勻度較高。研究區1網兜散拋石CV達到0.647，相對較高，KCU僅為52%，相對較低，拋石均勻度較低。與研究區1相比，研究區2網兜散拋石均勻度相對較高。綜合來看，沉箱式拋石CV均低于網兜散拋石，KCU均高于網兜散拋石，兩項均勻度指標的評價結果一致表明沉箱式拋石工藝的拋石均勻度高于網兜散拋石工藝。此外，通過兩個研究區之間的對比也可以看出研究區2兩種工藝下的拋石均勻度均高于研究區1，表明同種工藝不同區域之間的拋石均勻度仍存在差異。其中研究區1和研究區2沉箱式拋石的均勻度相差僅0.3%，不同研究區之間拋石均勻度相差較小，而不同研究區網兜散拋石的均勻度相差達17.7%，因此可以認為沉箱式拋石工藝在拋石效果穩定性控制方面優于網兜散拋石工藝。

表2 拋石均勻度

根據拋石均勻度的計算公式可知，拋石均勻度直接受測點增厚和斷面平均增厚影響，本文采用靈敏度分析方法初步分析拋石均勻度對斷面平均增厚變化的敏感程度，靈敏度用拋石均勻度指標的變化率與斷面平均增厚變化率比值的絕對值表示，計算結果見表3。可以看出，CV的靈敏度值較大，KCU的靈敏度值較小，表明CV對斷面平均增厚變化更敏感，因此在對比斷面平均增厚相差不大的拋石區的均勻度時CV的評價效果會較好，指標的適應性較強。

表3 拋石均勻度指標靈敏度

3.3 施工工效與成本分析

沉箱式拋石因集定位、裝箱、投放為一體，工效保證率高，減少了拋投的倒運次數。并且由于一次拋投塊石量大，能夠快速在河床上形成連續的防沖護底，更有利于減少河床沖刷。沉箱在接近河床過程中受流速影響較小，可連續、準確投放，而且可以減少小粒徑塊石的流失，保證了有效拋投量，降低損耗，減少補拋工序。另外，沉箱式拋石可施工作業時間長，特別是在水深、流急條件時拋投效果更突出。網兜散拋石工藝受潮汐、流速等影響較大，當流速大于1.5 ms時通常要暫停施工，并且小粒徑塊石損耗較大，需采取補拋措施。根據同等條件下的工程直接費用分析(表4)，每拋投1 m3的塊石，沉箱式拋石工藝直接費用比網兜散拋石增加約18%，但可以縮短工期，節約塊石資源，綜合效益相對較好。

表4沉箱式拋石和網兜散拋石工程直接費用對比

元m3

元m3

施工工藝人工費塊石費機械費損耗費合計沉箱式拋石48.011917.03.68187.68網兜散拋石5.11198.526.52159.12

4 結論

1)沉箱式拋石工藝雖然工程直接費用相對較高，但拋石測點合格率、斷面平均增厚和斷面相對增厚率均高于網兜散拋石工藝，綜合效益較好。在深水區拋石增厚控制方面，沉箱式拋石工藝表現較好，并且水深較淺時沉箱式拋石工藝拋石增厚效果更好。

2)選取離差系數CV和克里斯琴森均勻系數KCU作為拋石均勻度衡量指標，沉箱式拋石CV均低于網兜散拋石，KCU均高于網兜散拋石，表明沉箱式拋石工藝的拋石均勻度高于網兜散拋石工藝。不同研究區同種工藝拋石均勻度也存在差異，沉箱式拋石工藝區域間的拋石均勻度相差較小，在拋石效果穩定性控制方面優于網兜散拋石工藝。

3)離差系數CV和克里斯琴森均勻系數KCU的評價結果一致，均可用于拋石均勻度評價中，通過兩項指標對斷面平均增厚變化的靈敏度對比可知，CV對斷面平均增厚變化的靈敏度高于KCU，指標的適應性較強。