透空格柵魚巢排水下拋投控制

王 崢，郭素明

(1.上海交通建設總承包有限公司，上海200136；2.中交上海航道局有限公司，上海200002)

國家大力發(fā)展長江經濟帶的戰(zhàn)略效果顯著，但由于工程建設引起局部地區(qū)水體交換能力變弱、水流流速降低，造成了水域浮游動物、魚類及其他處于食物鏈頂端的水生生物生境的變化[1]，許多自然江河的原始水域生態(tài)及環(huán)境遭到了不同程度的改變[2]，對水下生物特別是魚類的棲息和繁衍造成了巨大影響。長江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程Ⅲ標段在生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)采用新型薄壁預制構件透空格柵魚巢排，是在長江大保護的理念下，采用工程措施將河流系統(tǒng)內部的生物、水體及土壤三者重新組合的新型工藝，可以在保砂的基礎上通過維持水體與河床間的連通達到對水下微生物環(huán)境進行改善的目的，實現(xiàn)生物與環(huán)境的相互涵養(yǎng)。像透空格柵魚巢排這類小尺寸結構，在投放過程中不可避免地將面臨由水流引起的復雜水動力荷載，魚巢排的漂移對于控制施工成本及精細化施工均會產生負面影響，由于漂移作用，使得魚巢排進入水下后產生側翻、旋轉及著地偏移等現(xiàn)象，導致魚巢排著床后局部堆疊、構件間距參差不齊、局部構件碰撞破損等，這對水域的保砂促淤以及生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水下微生物環(huán)境的再次生成產生不利影響。因而有必要對這類結構的漂移進行合理的估計，進而控制施工質量和施工成本。對于拋石一類極小尺度的規(guī)則結構，韓海騫等[3]和李小超等[4]結合Morison方程給出了拋石漂移距的半解析結果并通過模型試驗對其進行了驗證。對于魚巢排，由于尺度更大、結構更復雜，因此結合Morison方程對其運動過程直接進行數(shù)值求解，并在現(xiàn)場觀測的基礎上驗證模型，結果表明計算模型可以對魚巢排投放過程中的漂移距進行合理估計。以本文的計算模型為基礎，可將其推廣至預測大部分水流條件下、任意規(guī)則形狀結構漂移距，進而控制施工成本和施工質量，指導精細化施工。

1 工程概況

工程主要分布在湖北省鄂州市戴家洲水道、湖北省黃岡市鯉魚山水道及江西省九江市張家洲水道，施工區(qū)域總跨度約150 km。工程建設內容主要包括：整治工程、生態(tài)工程、建設期維護工程、航標及配套工程、臨時工程以及生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)。工程建設標準為6.0 m×200 m×1 050 m(水深×航寬×彎曲半徑)，部分重點礙航灘段航寬不低于110 m，設計最低通航水位年保證率為98%。

生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)采用透空格柵魚巢排，選擇張家洲水道北港凸岸串溝區(qū)域進行試點。工程區(qū)域內總體按兩組大區(qū)域進行布局，采用吊放工藝進行布置，每組區(qū)域沿橫向布置80件、沿縱向布置25件，每組區(qū)域總布置數(shù)量為2 000件，施工過程中構件間按1 m間隔組成陣列形式，生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)共計吊放魚巢排4 000件、總覆蓋面積為3.6萬m2。

2 工作機理

2.1 地點選擇

本次生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)試點建設區(qū)域的選取主要考慮水域的生態(tài)資源與外部條件兩方面因素。

2.1.1水域條件

考慮到試驗的非典型性，須選取具有足夠的覆蓋面積且具有一定原始規(guī)模生態(tài)資源總量的水域環(huán)境，同時綜合水域環(huán)境中水環(huán)境系統(tǒng)、土壤環(huán)境系統(tǒng)以及生物環(huán)境系統(tǒng)三者的完備程度與水域涵蓋面積的適配性，要求選取的水域涵蓋面積須具有一定規(guī)模。

2.1.2外部條件

水域的外部條件主要指保護試點水域的可行性。因此要求試點水域周邊人類活動相對較少、試驗水域內船舶流量相對較小且周圍外界環(huán)境相對安靜。

綜上，將生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)位置選取在張家洲水道北港支汊。此支汊形狀較長、分流量較為可觀，周邊居民以農業(yè)生產活動為主，支汊所在河段主汊航道條件優(yōu)勢明顯，支汊本身通航需求量不大。

2.2 魚巢排特性和機理

2.2.1結構特性

局部生境改良是生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)建設的重要組成環(huán)節(jié)。本工程采用透空格柵魚巢排改良局部水下生境，魚巢排布置在水下環(huán)境中，改變了水流形態(tài)、增加水體流動性，有利于浮游動植物聚集，為魚類覓食提供場所[5]。魚巢排為2 m×2 m×0.5 m(長×寬×厚)的田字形鋼混透空格柵，見圖1。

圖1 構件尺寸(單位：mm)

2.2.2拋投工藝

魚巢排的吊裝施工主要采取運輸船，配合裝有2臺GPS定位系統(tǒng)的浮吊定位船進行拋投。拋投施工前，運輸船靠檔定位船后，測水深、流速并計算漂移距，然后對定位船進行精準定位。

拋投施工時，浮吊船起吊魚巢排吊架至運輸船艙內，人工將吊架自動脫鉤裝置安掛在透空格柵魚巢排的4個掛鉤上，確保起吊后透空格柵魚巢排不會脫鉤后，起吊透空格柵魚巢排，每次起吊1個。浮吊船吊起透空格柵魚巢排旋轉至拋投區(qū)域，并根據(jù)吊機拋投一側甲板上的定位刻度標記確認拋投點。操縱吊機，待透空格柵魚巢排貼近水面時，操縱脫鉤開關，完成魚巢排拋投。一次拋投完畢后，提升吊車鋼絲繩，收回吊架至運輸船艙內，繼續(xù)掛鉤，準備進行下一次拋投。

該結構投入水下后，具有較為穩(wěn)定的著床效果，該水下結構在具備一定的保砂能力的基礎上，通過中部的空腔可以保持水體與河床之間的有效連通，格柵結構及結構面層在水下原生環(huán)境作用下，可以為水下生物、植物提供穩(wěn)定的附著環(huán)境，也可蓄積或綁扎水中的樹枝、蘆葦，從而能夠在空腔內形成局部緩流，促進局部微生境改善。水中的樹枝、蘆葦或附著藻類在逐漸降解或更新?lián)Q代的過程中也可一定程度上提升河流近底生境的初級生產力。

3 拋投質量分析

魚巢排作為生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)的重要組成部分，其施工質量是決定試驗成功與否的關鍵。實際現(xiàn)場施工的經驗表明，除預制質量控制外，安放過程中的質量控制顯得尤為重要。魚巢排在吊安施工過程中要考慮船舶吃水、安全距離以及構件高度尺寸等因素，受水位影響較大。另外張家洲北港支汊船舶流量較少，本身支汊分流量有限，其航道高低起伏不均勻。經過對測圖的分析，綜合考慮控制生態(tài)試驗區(qū)施工水深在10～12 m，局部深水區(qū)可達到14 m，因此水流會對水下自身質量較小、且斷面面積較大的薄壁型預制構件的精準安放產生較大影響。

3.1 拋投參數(shù)驗證

3.1.1漂移距公式

構件起拋點與著落點之間的水平距離稱為漂移距離。漂移距經驗公式反映流速、拋高、水深、不規(guī)則的塊石形狀及塊石質量等因素對拋石漂距的影響；同時，考慮水流流速在垂直方向分布的基礎上，通過分析塊石在動水狀態(tài)中的受力特點，推導出水上拋石漂移距離計算公式，并將其現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)、計算結果和模型試驗數(shù)據(jù)三者進行比較，最終驗證合理。

研究表明，其主要影響因素是構件在動水作用下在下沉過程中受到水的阻力；同時也受水流流速的沖擊，因而下落過程中將產生漂移。而魚巢排截面厚度僅為長度的1/20，且側面面積占比較大，因此在沉放過程中會由于水流影響產生顯著的橫向漂移。施工過程中需要根據(jù)現(xiàn)場測定拋投區(qū)的水深和流速，進一步根據(jù)公式計算和現(xiàn)場試驗綜合確定透空格柵魚巢排漂移距。

根據(jù)經驗公式，魚巢排拋入水中，在著落河床之前，在水流作用下，漂移距離Ld與流速v和水深H成正比，可用理論漂移距經驗公式(1)進行估算，并通過現(xiàn)場試驗綜合確定。

Ld=0.74vHW-1/6

(1)

式中：Ld為漂移距離(m)；v為表面流速(m/s)；H為水深(m)；W為魚巢排質量(kg)。

3.1.2橫流力側翻

透空格柵魚巢排入水后會受橫向水流力推移、重力作用和水浮力作用，在魚巢排入水姿態(tài)不平衡的情況下，構件極易發(fā)生傾覆、側翻，此現(xiàn)象在構件進行水上脫鉤時較為明顯。為了避免構件傾覆側翻現(xiàn)象的發(fā)生，施工中選擇送件入水、水下脫鉤的施工方式。水下脫鉤方式的最佳情況為將預制構件直接沉入水底，待著床后進行脫鉤操作，此時魚巢排的定位控制最為精準?？紤]水深、流速等因素，該方式的安全隱患較大，因此施工過程中需根據(jù)水流橫向力作用計算出最佳入水距離，在避免安全問題的基礎上盡可能減少傾覆、側翻等現(xiàn)象的發(fā)生；同時，拋投位置點對魚巢排的實際漂移距離有直接影響。構件入水后受到重力、浮力及水流橫向力影響，拋投位置越低、拋投初始速度越大、構件沉入水底時間越快，則構件在水流作用下的橫向推移距離也就越短。

3.1.3經驗公式與力學計算漂移距對比

魚巢排漂移距經驗公式(1)的推導中假定魚巢排投放過程中具有恒定的垂向下落速度，并通過Morison公式估計垂向水流力，同時經驗公式假定漂移過程中的水平速度始終與水流速度保持一致。對于拋石投放這類問題，該假定具有一定的合理性，即相對水深較大、結構尺度較小的結構經歷短暫的過渡后快速進入穩(wěn)定狀態(tài)與當?shù)厮魍竭\動。但對于魚巢排這類尺度較大的結構，由于相對水深并不大，因此，漂移過程中的過渡階段不可忽略，即魚巢排自投放至觸底的過程中相當長的時間內其運動與當?shù)厮鞑⒉煌?，因此有必要對漂移過程進行更為精細的分析。相比于經驗公式(1)，一方面可以獲得魚巢排的漂移距；另一方面通過對魚巢排運動過程的時域直接求解，魚巢排漂移過程中的運動曲線可以方便地獲得。圖2為魚巢排受力分析。

圖2 魚巢排受力

根據(jù)圖2，透空格柵魚巢排入水后主要受到重力G、浮力FB及水流力Fx、Fy作用，采用Morison公式估計水流力，通過改變唯一變量——水流速度，在同等情況下對比計算數(shù)據(jù)與經驗公式數(shù)據(jù)，從而計算出準確的漂移距，保證施工定點拋投的精準度。Morison公式[6]如下：

(2)

式中：F=(Fx，F(xiàn)y)為魚巢排所受水流力合力；ρ為水體密度；V為浸沒水中的體積；U為水流流速；Uc為質心速度；CM為慣性力系數(shù)；CD為拖曳力系數(shù)；A為迎流面積，由于魚巢排中間透空，迎流面積應按側面積的3倍進行選??；U為投放過程中的水流流速，取結構質心處的水質點速度；dU/dt為水質點加速度，對于本文涉及的均勻來流工況，該項取值為0；Uc、dUc/dt分別為結構質心的速度矢量及加速度矢量，經驗系數(shù)CM、CD可參考海港規(guī)范進行選取并根據(jù)具體工況適當調節(jié)。

在通過Morison公式對水流力進行估計的基礎上，通過牛頓第二定律對結構的運動過程進行時域求解：

(3)

式中：XC=(XC，ZC)為質心坐標；G=(0，-G)為重力；FB=(0，F(xiàn)B)為浮力；M為質量。求解過程采用二階精度中心差分[7]對加速度項進行離散，對魚巢排位移進行數(shù)值積分。魚巢排Z向觸底時程序終止，并將此時魚巢排X向位移作為漂移距輸出。需要指出，由于Morison公式中隱含了未知的結構質心加速度，因此實際求解過程中需將Morison公式中的慣性力與結構自身慣性力進行合并，即將Morison公式的慣性力項移至等式左端進行計算。另外，本文涉及的流速與水深、魚巢排的轉動效應與側向運動并不顯著；同時，施工過程中往往需要通過投放過程的精準化操作避免魚巢排側翻，因此求解過程中并未考慮結構轉動及側向漂移的影響。

在具體實施過程中，為保證數(shù)據(jù)的可靠性、實用性及普遍性，將生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)平均劃分為8塊區(qū)域，從中選取6個區(qū)域，每個區(qū)域隨機抽取6組數(shù)據(jù)，共計36組數(shù)據(jù)，計算對比透空格柵魚巢排拋投漂移距。36組數(shù)據(jù)的Morison計算偏移距與理論計算偏移距的數(shù)據(jù)與水深變化關系見圖3。

圖3 Morison計算偏移距和理論計算偏移距水深比

將Morison計算實測值和理論計算偏移距做差值，并結合流速變化制作成圖4。根據(jù)圖4曲線分布，本次試驗區(qū)域的Morison實測計算與理論計算偏移差數(shù)據(jù)趨勢較為集中，比值基本在-0.01～0.02波動，并隨水深改變而呈現(xiàn)一定變化規(guī)律。不難看出，在水深較淺的區(qū)域，Morison計算數(shù)值與理論計算數(shù)值比較接近，在施工過程中可做小幅適時調整以滿足施工精度要求；在實際施工過程中尤其是在水深超過7.5 m后，正負值的變化逐步增大，須根據(jù)實際情況結合區(qū)間計算結果的中間值作為偏移修正值，附加在理論漂移距計算公式后進行二次對比修正，保證吊安薄壁構件過程中能夠準確定點安放，消除橫向水流帶來的漂移偏移差。

圖4 Morison和理論偏移差值水深比

綜上，在水深、魚巢排構件自身質量以及浮力不變的情況下，對比力學計算與經驗公式的漂移距離，可以看出，在水深10 m以內理論漂移距比實算漂移距相差-7.07%～8.88%，并且以水深7.5 m為界隨著水深的增加偏移距差距逐漸由負轉正，并存在一定變大趨勢。因此在施工過程中，可根據(jù)精度要求進行適當偏移，偏移距離建議在原經驗公式的基礎上根據(jù)實測值乘以安全系數(shù)5%～10%，并判斷方向，以保證拋投的精確度。

3.2 吊具制作

透空格柵魚巢排的拋投最初采用傳統(tǒng)魚巢磚吊具，吊具自身質量大、過于笨重，起吊過程中魚巢排吊具方向控制困難，因此拋投點位置、方向難以控制，操作不便且存在一定安全隱患。

經過研究改良，新吊具主骨架仍然為矩形鋼架，其長度3 m、寬度2 m，四角連接吊繩及吊扣，主體框架采用國標14 mm的槽鋼焊接而成，框架內加焊槽鋼使吊架更堅固；同時對吊鉤鐵鏈進行調整，保證其同時受力同時脫鉤。新吊具長寬比縮小，其側面輔助控制方向的鋼絲工作效率提升，且穩(wěn)定性高、操作便捷。針對松脫鉤系統(tǒng)的調整，提高吊具各點與構件輪廓形狀及主要受力點的切合度，使得預制構件各點受力均勻，保證同起同落，避免在入水姿態(tài)扭翻，保證拋投精準度。吊架見圖5。

圖5 改良吊架

3.3 過程監(jiān)測

傳統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)結合網(wǎng)格圖可以觀測船舶位置及吊架位置。由于生境改造區(qū)域平均水深為10～12 m，魚巢排拋投至著床穩(wěn)定過程受水流影響較大，因此，精準觀測水底魚巢排著床情況及落點分布是質量控制的重點。

采用聲吶監(jiān)控系統(tǒng)實時對水下情況進行檢測。聲吶監(jiān)控系統(tǒng)利用聲吶反射原理，將反射信息進行成像反映到屏幕，從而得到實時水下監(jiān)控。水下監(jiān)控情況前后效果見圖6。

圖6 聲吶旁掃

將聲吶裝置安裝在船舶拋投側，可輻射半徑為30 m的范圍。在魚巢排施工過程中為保證施工精度吊臂施工范圍，根據(jù)定位船大小，輻射半徑一般控制在10～20 m，因此聲吶掃測可完全反映水下魚巢排著床狀態(tài)。通過實時監(jiān)測可迅速反映魚巢排的著床情況，對受水流影響或地形變化區(qū)域可以做到及時調整，以保證施工質量。

4 生態(tài)效果

魚巢排作為一種人工結構對魚類群和微生物群進行生境改良，可以改變水體的理化環(huán)境和生物環(huán)境[8]，而水體理化環(huán)境的改變是新生物區(qū)系形成的前提條件?？刂启~巢排材料、投放規(guī)模、投放時間和管理等人為因素能保證施工質量，生態(tài)涵養(yǎng)試驗區(qū)域水深、底質、流速等自然因素的選擇會影響魚巢排對魚類的增殖效果。

魚巢排在精確布設以后，可以導致大量著生生物、浮游生物生長，為魚類的索餌行為提供便利；魚巢排的透空格柵空隙也可以為小型魚類躲避敵害提供幫助，具有適宜水生動植物繁衍生長的優(yōu)點[9]；同時，小型魚類的聚集也可吸引肉食性魚類群體，當魚巢排水域生態(tài)系統(tǒng)經過長時間的穩(wěn)定后，就可以形成穩(wěn)定水下生態(tài)，對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性修復提供有效幫助。

5 結語

1)薄壁型預制構件在拋投過程中由于構件存在多個規(guī)則的縱向面，在水下受水流橫向作用明顯，基于Morison方程計算與漂移距經驗公式進行對比，發(fā)現(xiàn)薄壁型預制構件在水中的運動不能簡單視為質點運動，要根據(jù)水流、水深等因素綜合考慮橫向水流力。

2)在橫向水流力的作用下采用Morison公式與經驗公式的數(shù)值對比，發(fā)現(xiàn)在拋投漂移距控制過程中需要對原始的漂移距經驗公式的計算結果進行修正，在水深較淺區(qū)域由于下落高度較低，偏差調整值可在10 cm；當水深超過10 m施工水域，Morison公式計算值與經驗公式偏差較大，需根據(jù)現(xiàn)場實際數(shù)值進行二次分析校正經驗公式偏移距，從而達到精準拋投控制。

3)新型預制構件拋投過程中應逐一拋投，根據(jù)構件自身特點及與水接觸結構面形狀制作專門的吊裝用具，保證構件在拋投過程中各邊均勻釋放，平穩(wěn)入水，減少側翻。

4)深水區(qū)域可采用聲吶裝置實施監(jiān)控，可有效反映預制構件著床形態(tài)，以到達輔助現(xiàn)場預制構件精準拋投施工的作用。