急紊流條件下深水鋪設D 形排施工工藝*

賀 威， 聶 晶， 唐亞俊， 李小超， 汪 威， 常留紅， 周 磊

(1. 長航監理有限公司(武漢)， 湖北 武漢430013； 2. 長沙理工大學 水利工程學院， 湖南 長沙410114)

軟體排是利用高強度土工織物整體縫接成排布， 排布上根據不同水流情況選擇壓載物進行壓載的一種防沖刷結構， 整體性和耐久性較好， 對不同、 多變的水下地形適應性強， 且價格較為低廉， 施工過程也比較簡便[1-2]。 目前長江航道整治工程護底施工中， 多采用D 形軟體排結構形式[3]。在軟體排鋪設施工中， 根據水深的不同， 其施工方法可分為鋪排船鋪設、 對拉船鋪設和人工干地施工3 種[4]。 然而， 在水深和流速較大的工況下進行鋪排施工可能會產生鋪排船走錨、 橫向控制不住船位等問題， 因而對鋪排施工船舶性能、 布錨方式等方面要求極高， 鋪排施工工藝的選擇與方案的制定也至關重要。

1 工程概況

長江干線武漢—安慶段6 m 水深航道整治工程(Ⅳ標段)馬當左槽中段潛壩工程采用D 形聯鎖片軟體排(圖1)進行護底， 排上拋石壓載， 上、下游拋投透水框架促淤。

圖1 D 形聯鎖片(單位: mm)

馬當河段上游小嘰山江面寬度約640 m， 下游馬當磯江面寬度約660 m， 中間河段寬度約為2 200 m， 整個河段呈兩頭窄中間寬， 再加上棉外洲的影響， 馬當左槽河段水流流態較為紊亂， 流速較大； 受2018 年底當地持續降雨和三峽生態調度的影響， 2018 年枯季水位一直維持在高水位， 采用ADCP 分層流速儀進行測量， 施工區內流速峰值集中在中上部水層， 上游最大流速2.771 m∕s， 位于離右岸760 m 處， 流向北偏東59°； 下游最大流速2.976 m∕s， 位于右岸730 m 處， 流向北偏東69°。同一點上下水層水流流速相差0.3～0.5 m∕s， 水深越大水流流速差值越明顯， 上、 下水層水流流向變化最大達10°。

馬當左槽D 形排施工時水深5～20 m， 當水深達到14 m 時， 施工時出現了鋪排船走錨、 鋪排船前50 m 橫向控制不住船位等現象， 采取增加上游錨纜長度、 增加錨的抓地力、 下連環錨等一系列措施， 仍然未能徹底解決問題。

2 方案比選

長江流量呈上升趨勢， 根據工程河段系統治理需要及總體工期安排， 必須盡快完成施工。 因此采取措施增加排布的抗拉強度， 加筋條由單根加強為雙根， 另外根據項目現有的設備擬定以下船舶錨固方案。

方案1: 用2 條鋪排船(天鋪1 號和天鋪2 號)同時鋪1 張排， 天鋪2 號作為主要施工船舶， 天鋪1 號輔助施工船舶， 天鋪1 號兩口尾錨與天鋪2 號相連， 增加天鋪2 號順水流錨泊能力。 天鋪2 號穿心錨負責控制船舶左右的方向。 方案1 的布錨方式如圖2 所示， 總共布置12 根錨纜， 天鋪1 號與天鋪2 號通過7#和8#錨纜相連。

圖2 方案1 布錨方式

方案2: 用1 條鋪排船進行施工， 把設計的排頭梁換成2 片12 cm 厚的聯鎖片進行排頭錨固，利用排頭的水下摩擦力增加整個排體的水下抗沖擊能力， 從而提高排布和鋪排船的整體穩定性。

3 船舶錨泊力分析

3.1 方案1 受力分析

方案1 中天鋪1 號和天鋪2 號鋪排船均會受到水流的作用， 天鋪2 號位于天鋪1 號的下游，因此天鋪2 號容易受到天鋪1 號尾流的影響， 作用在天鋪2 號上的水流比作用在天鋪1 號上的水流紊動強度更大， 其所受水流力相對較大(與拖帶船隊中駁船阻力增加原理相似)。 從整體上看， 天鋪2 號的部分水流力通過7#和8#錨纜傳遞給天鋪1 號， 如果將天鋪1 號和天鋪2 號鋪排船視為一個整體， 水流方向上的船舶受力主要由1#～6#錨纜共同承擔。 從單艘船舶的受力看， 由于天鋪2 號的部分水流力通過7#和8#錨纜傳遞給天鋪1 號， 天鋪1 號的1#～4#錨纜的錨泊力必然增加； 天鋪2 號的水流力主要由5#～8#錨纜承擔， 由于7#和8#錨纜的布置基本與河面平行， 其錨泊力與斜插入河底的錨泊方式相比， 錨泊力會減少， 有利于天鋪2 號順水流錨泊穩定。

綜合以上分析， 由于7#和8#錨纜布置方式的改變， 其錨泊力會有所減小， 但由于天鋪1 號的存在使水流紊動強度增大， 水流力會有所增大，因而天鋪2 號錨泊力的增強會不明顯。

3.2 方案2 受力分析

對于方案2， 排頭梁沉入河床底部， 鋪排過程中排頭梁與河床發生摩擦， 對軟體排排頭進行錨固， 可以對鋪排船起到錨泊穩定的作用。 如圖3所示， 排頭梁相當于錨， 軟體排相當于錨鏈，H為水深，T0為水面處排體張力，f為排頭梁與河床之間的摩擦力，Gp為排頭梁水下自重，w為單位長度軟體排水下自重，N為河床對排體梁的支撐力， 水面處軟體排與水面所呈夾角為α，L為軟體排水平投影長度。

圖3 方案2 排頭梁及軟體排受力

不考慮水流對軟體排的動水壓力作用， 軟體排的錨泊力可采用懸鏈線理論進行分析[5-6]。 軟體排靜力平衡方程[7-8]為:

式中:S為水面處至軟體排著地點的懸鏈曲線長度。

由(1)式可得:

軟體排張力在水平方向上的分力不變[9]， 因此軟體排提供的錨泊力Tm為:

由式(4)可知， 軟體排的錨泊力大小就是排頭梁與河床之間的摩擦力大小。 由豎直方向上的受力平衡[10]， 有:

由式(6)可以求解得到水面處軟體排與水面之間的夾角α。

軟體排的上端與滾筒相連， 軟體排與滾筒相接處的拉力沿水平方向， 天鋪2 號滾筒必須要有足夠的剛度以承受軟體排拉力的作用。 令翻板與水面之間的夾角為γ(圖4)， 以翻板上軟體排為研究對象， 忽略翻板以及船舶表面與軟體排的摩擦作用， 翻板上軟體排下部受到拉力T0的作用， 上部受到拉力Tj的作用， 此外翻板對軟體排有一個支撐力Nf。 對軟體排進行受力分析， 可得:

式中:Tj為軟體排對滾筒的總拉力。

圖4 翻板上軟體排受力

令天鋪2 號滾筒允許應力為σmax， 強度條件(不考慮剪應力)為:

式中:Mmax為最大彎矩，W為滾筒截面的抗彎系數。 軟體排對滾筒的作用力按均勻分布進行計算，其對應的分布荷載為:

式中:Lg為滾筒長度。 軟體排作用力產生的最大彎矩出現在滾筒中部， 其值為:

將式(10)和(11)代入式(9)， 可得軟體排對滾筒的總拉力Tj應滿足的強度要求為:

4 現場試驗

排布按方案1 入水后， 天鋪1 號和天鋪2 號之間水流明顯變得紊亂， 排布著床后， 7#、 8#纜受力繃緊， 鋪排至20 m 時， 天鋪1 號往南側移動，7#纜基本不受力， 8#纜受力增加。 調整天鋪1 號的錨纜穩住天鋪1 號排至35 m 時， 天鋪1 號開始往北側移動， 7#纜受力， 8#纜基本不受力。 在調整天鋪1 號錨纜的過程中， 天鋪1 號上游錨分別走錨，鋪排被迫終止。 分析原因如下: 1)天鋪1 號加入后， 尾流使紊流加劇， 增加了鋪排難度； 2)天鋪1、 2 號之間為柔性連接， 在紊流的作用下， 并不能當成一個整體， 當連接纜受力不均時， 天鋪1、2 號整體在南北方向控制力減弱； 3)上游鋼絲纜受力方向的變化使錨的抓地力變弱， 這是上游走錨的原因。

按方案2 進行施工， 綜合考慮水深和水流飄移作用的影響后提前下排體梁， 天鋪2 號提前3 m下排頭， 在排頭著床時， 天鋪2 號往下游移動1 m后穩定， 而后鋪排一直正常， 通過實時聲吶檢測鋪排搭接寬度滿足設計要求。 分析如下: 1)排布著床時， 船舶下移， 原因是水下排體梁的連接繩受力不均勻， 是一個調整的過程， 當連接繩都張緊后， 開始發揮錨的作用； 同時排布著床過程類似于船閘閘門關閉， 水流流態急劇改變， 排體受力加大。 2)利用排頭作為輔助錨增加鋪排船的穩定性是可行的， 但應考慮排體梁的水下摩擦力和排布(加筋條)的受力和滾筒剛度的匹配。

綜上所述， 按方案2 施工是可行的。

5 結語

1)經方案對比， 按方案2 施工是可行的。 施工過程中可將軟體排視為1 根錨纜， 利用排頭梁及軟體排與河床之間的摩擦力為鋪排船提供錨泊力， 從而達到增強鋪排船泊穩的目的。

2)采用該方案進行鋪排時， 排頭梁或其他類似壓重塊著床后有一個調整過程， 當排頭梁的所有連接繩都張緊后， 其錨固作用才能完全發揮。

3)該方案的實施對軟體排滾筒剛度有一定的要求， 施工前須做滾筒強度校核。