主動式鉤連體拋投試驗研究及應用

郭曉玲，姚玉扣

(儀征市水利工程總隊，江蘇 揚州 211400)

長江江灘安全穩定一直是水利行業關注的重點。目前常用的護岸方式有混凝土預制塊、拋石、土工布等措施[1-4]。傳統護岸措施具有投資低、取材方便等優勢，但防護整體性較差，遇較大水流易被沖散及流失，造成一定的管理困難[5-6]。有學者提出生物護岸設想，但由于缺乏成熟的理論做支撐而沒有被廣泛應用[7-8]。而近幾年出現的四面體框架群、鉸鏈排架等護岸型式[9-12]，因有成功應用案例而被快速推廣，進而發展為主動式鉤連體護岸型式。該鉤連體設計獨特，相互交錯的U型設計解決了拋投體易被沖散的缺點，并在不阻礙透水的情況下大大提高了拋投體相互掛鉤的整體性。魏祥[13]等從結構計算方面研究了鉤連體的孔隙率，論證其為一項可靠的消能護岸結構。王效遠[14-15]等采用動床及沖刷試驗研究鉤連體的防沖促淤效果，研究得知該拋投體結構具有一定泥沙淤積及防護效果。但在眾多的防護效果研究中，鉤連體拋投的前期定位及拋投落點方面，多為經驗確定，通過試驗的定量研究尚不充分。

本文從主動式鉤連體的設計特點出發，分析拋投船定位方法，總結適用于江灘護岸工程的拋錨順序及拋區劃分標準。同時進行落距試驗，初步摸索出相同規格主動式鉤連體與塊石在不同水流條件、水深條件下的漂距，便于指導施工，根據拋鉤連體時的水位、流速情況，通過計算和試拋確定拋投船的定位地點。確保此后拋鉤連體施工過程盡量減少無效工程量，避免盲目施工造成經濟損失。

1 主動式鉤連體特點

1.1 設計要點

單個主動式鉤連體是由2個U型預制件及1個桿件拼裝而成，如圖1(a)所示。可根據工程需要，預制成不同大小型號，有筋或無筋形式。長江岸坡常用型號為0.9m長的U型構件，連接桿長0.66m，兩者橫截面均為0.12m×0.12m的正方形，拼裝后成品模型如圖1(b)所示。

圖1 鉤連體組裝構件及成品示意圖示意圖

1.2 拋投船定位

為了保證鉤連體拋投的位置準確且均勻，拋投船的定位坐標應由拋投區格位置、水流流速、水深等參數綜合計算分析所得。待拋投船開至預定位置后，可采用錨纜進行初步定位。之后采用全球定位系統進行精準定位，保證坐標偏移量不超過0.5m。最后選用合適的錨具及錨纜使定位船定位準確、牢固。如長江儀征段上游錨選用1000kg重的錨，下游錨選用600kg重的錨，頂頭錨選用400kg的錨。二根上游纜和二根下游纜選用Φ21.5mm以上的錨纜，二根頂頭纜規格也不應小于Φ16.5mm。拋投船裝有6個電動(或液壓)絞關控制6根鋼纜，從而控制定位船的定位和移動，其中位于船頭中部的主纜，承受整個定位船下漂的拉力，船尾設置一尾纜，防止船舶漲潮時移位，主纜、尾纜同時還控制船舶的上下移動。船頭船尾各設兩口開錨，控制船舶左右移動，如圖2所示。

圖2 拋投船定位示意圖

1.3 拋錨順序及拋區劃分

拋錨順序：外上游錨(領水錨)—里上游錨—外頂頭錨—里頂頭錨—里下游錨—外下游錨。應注意的是上、下游錨應成八字形，以利于定位船里外移動。浮吊船定位后，將深倉石料運輸船綁定在定位船外側即可開始作業。拋投前，應進行區格劃分。拋區由若干區格組成，區格由若干小區格組成，保證達到“拋準、拋足、拋勻”效果。并結合設計斷面尺寸和劃分的區格計算出各區格、小區格的鉤連體數量及拋石工程量，區格拋量偏差應在設計拋量的±5%范圍內。總結拋投工藝流程如圖3所示。

圖3 主動鉤連體拋投工藝流程示意圖

2 水流流速及水深對拋投質量的影響分析

2.1 主動鉤連體拋投試驗

受水流流速影響，鉤連體應在加固地段的上游一定距離處拋入水中，才能落到預定位置。通過在長江岸邊進行實地拋投試驗，待定位船移上拋投區域后，將流速儀下放至定位船中部水深2/3處，進行流速測量。用長約40m的Φ20mm丙綸繩緊綁鉤連體，并投擲水中，記錄投擲位置坐標及鉤連體落地時位置坐標。為消除水流脈動及拋投人為因素的影響，每組試驗進行10次，統計后取平均值。通過多次拋投試驗，得到水流流速與鉤連體落距對應的三維關系，如圖4所示，試驗數據統計見表1。經數據擬合，提出了兩者之間的計算公式(1)。研究表明，水深越深，流速越大，則水平落距就越長，反之則越短。

圖4 主動鉤連體拋投試驗落距與水流流速、水深三維關系圖(標準鉤連體)

表1 拋投區域水深及流速對主動鉤連體拋投落距影響統計表

擬合經驗公式如下：

(1)

式中，S1—鉤連體落距，m；V1—施工時拋投區域的水面流速，m/s；H1—拋區相應水深，m；W1—鉤連體重量，kg，混凝土重量為2.4t/m3。

2.2 塊石拋投試驗

不同規格塊石在不同水流、水深條件下的漂距不同，通過拋投試驗得到拋石落距經驗公式，分析水流對拋石施工的影響，找到塊石落點與基床位置的關系，以及拋投點水深、流速與塊石粒徑大小之間的關系。試驗準備重量30、50、70、90、110、130、150kg塊石各5塊，Φ20mm丙綸繩40m，GPS-RTK定位儀器1臺，測深儀1臺，大交通船1艘(作為試驗平臺及交通工具)，流速儀，鋼尺1個，磅稱1個。待定位船移上斷面后，將流速儀下放至定位船中部水深2/3處測量流速。用長約40m的Φ20mm丙綸繩緊綁塊石，并投擲水中，記錄投擲位置坐標以及塊石落地時位置坐標，即得出塊石水平漂距。

通過多次拋投試驗，得到水流流速與塊石落距的對應關系，見表2。經數據擬合，提出經驗計算公式(2)。研究表明，塊石從水面沉到河床的過程中，因水流的帶動，塊石向下游移動，移動的距離與水流流速、水深成正比，與塊石自身重量成反比。

表2 拋投區域水深及流速對塊石拋投落距影響統計表 單位：m/s

擬合經驗公式如下：

S2=0.792V2H2/W20.164

(2)

式中，S2—塊石縱向水平漂距，m；V2—施工時拋石部位水面流速，m/s；H2—拋區相應水深，m；W2—塊石重量，kg。

3 工程應用

3.1 工程概況

儀征小河口段新建護岸長度1.1km，采用以沉放主動式鉤連體方案為主，近岸采用散拋石防護。護岸長度1100m，護寬65～90m，分3區拋護。拋投前，測量拋投區的水深、流速、河床剖面地形等情況，以確定該拋投區的拋投量、拋鉤連體落距等。

施工時拋投部位水面流速V：本河段屬感潮河段，流速變化較大。流速隨漲落潮變化，而施工中施工定位船不可能隨流速的變化而頻繁移動。應根據流速變化規律，選擇適當時間實測水面流速，一般可取高潮后2～3h內實測水面流速2.5m/s作為計算落距的代表流速。

鉤連體重量W：落距與鉤連體重成反比，鉤連體按圖紙設計統一預制，大小結構統一，單個鉤連體重量約為0.21t。

塊石重量W：落距與塊石重量成反比，塊石越小落距越大，反之則越小。計算落距時塊石重量可采用平均粒徑的相應重量，單次拋投塊石重量約為50kg。

拋區的相應水深H：根據實測的水下地形圖或斷面圖，選取若干有代表性的水深7.5m，并考慮接近深泓時的離散度，計算相應水深時鉤連體的落距和方向。

3.2 起重機吊臂回轉半徑確定

鉤連體拋投與塊石拋投均采用起重機拋投，通過采用式(1)—(2)反推拋投體落距為5.3～7.4m，結合工程地形、水深、水流速度等參數，選擇吊臂回轉半徑為12m的起重機，將拋區劃分成面積相等的5m(垂直流向)×10m(順水流向)標準區格和部分不規則區格(如圖5所示)。

圖5 起重機拋投示意圖

3.3 拋投量確定

小河口段新建護岸長度1.1km，采用以沉放主動式鉤連體方案為主，近岸采用散拋石防護。護岸長度1100m，護寬65～90m，分3區拋護，合計拋護面積94470m2，塊石量12130m3，鉤連體204703個，具體拋投方案及工程量見表3。經后期水下地形測量反饋，拋投區鉤連體及塊石總體分布較均勻，防護效果良好。

表3 拋投方案及工程量統計表

4 結語

(1)拋投船定位方面，因八字錨攬拋錨后是斜向伸出船體，且斜向伸長能達到150～200m，施工中錨攬的拋投需注意對周邊行船的影響。

(2)拋投質量受潮位漲落、雨雪天氣等影響較大，施工期應密切注意施工環境及條件的變化。根據拋投時段、地段的不同，提出動態設計理念，并重視試拋作業的必要性和重要性。

(3)漂距試驗貫穿整個拋石施工過程，施工部位特別是河床沖淤變化、水流情況復雜，需時常進行漂距試驗，根據漂距試驗成果及時調整拋石船舶定位，完善施工參數，確保拋投質量。