水下軟體排護坡輕型鋼拖頭拖排技術

張吉順 冷珍華

中國葛洲壩集團市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

引言

水下軟體排護坡施工技術日益成熟，采用鋪排船對大江大河疏浚后的水下邊坡進行防護施工，但是對于老河道的拓寬疏浚所形成的河道往往彎道多、灘地覆蓋廣，對于需要靠近岸邊施工的沉排帶來了較大的施工困難，易造成船只擱淺，帶來不小的安全隱患。針對復雜的水下灘地情況，通過研究輕型鋼拖頭拖排施工技術代替沉排和普通重型鋼拖頭施工技術，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某河道疏浚工程全長9.408km，全線渠道利用現有老河道采用挖泥船進行水下擴挖疏浚而成，河道設計標準斷面：河道底寬60.0m，底高程13.40m，灘地以下邊坡1∶4。沿線河岸灘地及彎道較多，加上通航要求，在船行波及引水流速的長期共同作用下，渠道邊坡易形成浪坎，并最終威脅渠道邊坡的穩定和安全，為防止渠道沖刷破壞、提高渠道水利用系數，減少糙率，加大流速，確保渠坡安全、護坡設計滿足保土、防浪、抗沖刷、防淘等功能，對臨水平臺以下采用C25綁扎式軟體排防護[1]。

1.1 水下軟體排結構設計

水下軟體排采用中間閉孔式混凝土預制塊結構形式，自上而下分別為C25預制塊120mm、鋪排布380g/m2，預制塊通過綁扎帶綁扎在鋪排布上（如圖1a所示）。

1.2 主要施工方法

水下預制塊鋪設采用鋪排船進行，鋪排布事先卷入船上的卷筒，施工時鋪排布在鋪排船甲板上展開，人工在排布上編排綁扎預制塊，通過綁扎帶將其牢牢固定在鋪排布上，形成整體的軟體排，隨后通過GPS定位和牽引，鋪排到達指定的位置進行鋪設，形成一種平順柔性的護坡護岸，實現水下邊坡的生態防護（如圖1b所示）。

圖1 水下軟體排沉排施工方法

2 工程難點

與旱地開挖形成的疏水渠道不同，老河道的水文條件與地質條件經過較長時間的變化變得較為復雜，設計的河道經過開挖后仍有較多、較寬廣的灘地，灘地土層情況主要以淤泥質土為主，包裹較多植物根莖。如果按照常規鋪排船的施工模式，將存在施工技術處理煩瑣、精度控制難度大等等問題。具體來說鋪排船施工灘地護坡過程中面臨如下難題[2]。

鋪排船易擱淺，難以靠近岸邊。采用鋪排船進行沉排，需要將鋪排船外挑的可升降的弧形搭板靠在岸坡上，并在甲板及搭板上進行預制塊綁扎，由于鋪排船空載和滿載吃水深度一般大于1.2～1.5m，運輸船吃水深度一般大于1.5m，灘地水位不能滿足，導致鋪排船無法靠近作業。

鋪排船遠距離張拉鋪排布無法綁扎預制塊。鋪排布為柔性土工布材料，在張拉繃緊的情況下也無法實現人員站立和承受大面積塊體綁扎過程中的塊體及人員荷載。

3 方案提出

如何解決項目施工過程中的難題，保證水下軟體排鋪設質量和確保總工期的要求，需要進行技術創新。在經過方案分析后施工難度的核心問題之一在于灘地淺、寬，若采用二次開挖將會增加施工成本，并且造成岸坡穩定性發生變化，鋪排船鋪設的本質其實是預制塊形成的軟體排在排首固定的情況下由船體后退落入水中，沉在開挖好的水下坡面上，空間上是船體的移動，軟體排未移動。既然船體無法到達預定的位置完成軟體排下沉，那就通過在岸上完成軟體排綁扎，船體與排布一同后退，完成軟體排的水下拖拽至預設位置。

4 拖排技術研究

4.1 前期規劃

根據提出的方案，確定在灘地寬廣的河道上進行水下軟體排防護采用拖排的方式進行，做好方案的規劃設計是解決項目難點成功的開端。根據《堤防工程施工規范》（SL260-2014），無滑板鋪排船水下拖拉鋪排主要在岸坡上完成水下軟體排的綁扎和固定，排頭的位置采用鋼拖頭，利用鋼拖頭的重量在船舶的牽引下在水下邊坡坡面上滑動，帶動排體滑動，待排首滑動到鋪排范圍的末端或岸上錨固段被拉直緊繃則視為已完成該塊鋪排[3]。

4.2 拖頭優化

在灘地寬廣且無法使用大型牽引船的情況下，重型鋼拖頭的拖排施工容易造成鋼拖頭陷在灘地的淤泥中，導致拖排施工失敗，也無法進行補救，因此需對重型的鋼拖頭進行優化，采用軟體排輕型鋼拖頭拖排（如圖2所示）。拖排施工中，船上繩索與拖頭存在一個高度差，在牽引船拉力的豎向分力能夠大于等于鋼拖頭的重力、水平分力能夠大于等于拖頭和排體的摩擦阻力時即可完成整個排體的滑動。想要避免拖頭陷入淤泥中，在拉力保持不變的情況下，就要減小鋼拖頭的重量同時又不能改變其剛性，以防止柔性的排體在垂直水流方向上發生褶皺。目前工程施工材料中，剛度、強度大，自身重量小且外形結構便于滑動、易取得、易加工的主要有工字鋼和槽鋼，二者作為重型鋼結構拖頭的替代者，可引導排體在近乎垂直的水下灘地面上滑動，有利于通過船體對排體的滑動控制。

圖2 水下軟體排拖排施工方法

4.3 材料應力計算

對于鋪排過程中拖拉應力的分析，主要以牽引船的牽引拉力、單塊排體受拖時的應力來反算驗證排布及繩索的強度。

4.3.1 應力分析。應力分析是拖排施工可行性分析的重要一環，牽引船提供牽引拉力F，作用在牽引繩索上力為F/cosθ1，作用在鋪排布上的應力為F，軟體排塊體重量為G，摩擦系數為K，則所需克服的摩擦力為f=KGcosθ2。

首先分析牽引船是否能夠拖動排體，則需要比較牽引拉力F與軟體排所需克服的摩擦力f的大小關系，根據實際計算，牽引船直接采用鋪排船，鋪排船上配置的300kW電機，拖拉速度按0.1m/s換算后牽引力3000kN。鋪排布與地面的摩擦系數取值0.5，現場采用的鋪排布為22m寬，長度按45m計算，單塊排體重量約為207t，動摩擦阻力為1035kN，滿足牽引需要。

4.3.2 排布加筋帶驗算。依據《水運工程土工合成材料應用技術規范》（JTS/T 148-2020）計算排體極限抗拉強度時，縫制加筋帶方向可僅按加筋帶受力計算，擬通過選用加筋帶的強度來推求軟體排施工期抗拉安全系數是否達到規范的要求，復核加筋帶規格選用是否合理[4]，抗拉安全系數公式如下：

式中：Ksm－軟體排施工期時縱向抗拉系數，施工期取2～3；

Tsm－排體極限抗拉強度（kN/m），縫制加筋帶時，加筋方向僅按加筋帶受力計算。

Fsm－軟體排縱向和橫向承受的荷載（kN/m）；

G1－滑板上排體的重量（kN/m）；

G2－懸空部分排體的重量（kN/m）；

α－施工時鋪排船滑板的水平傾角（°）；

Pw－施工時排體受到的水流力。

考慮在常水位條件下鋪排施工，經計算得軟體排施工期時縱向抗拉系數為2.44，施工期水深、流速不大，軟體排抗拉系數取在規范合理取值范圍之內。

4.4 輔助滑動措施

輔助滑動主要為岸上軟體排部分采取減小摩擦阻力的措施，根據現場實際情況，岸上的地質條件和地形根據部位不同，主要分為坡度較大的堤坡類地形和坡度較緩的平原類地形，不論哪種地形，在實施之前，都應清除干凈場內凸出的雜物，防止刮傷鋪排布。

輔助滑動是減小鋪排布與下部接觸面的摩擦力，一種方法是改善接觸面的摩擦系數，工程中類似施工常用措施為砂石墊層法，作為線性工程的水下軟體排鋪裝，砂石墊層助滑成本較高。另一種為在接觸面之間增加一道土工材料，其中以聚乙烯或聚丙烯彩條布成本低、易重復利用的特點可作為首選，在實際工程運用過程中，聚乙（丙）烯彩條布能將摩擦系數降低，防止牽引船動力不足而造成機械設備損壞[5]。

5 結束語

輕型鋼拖頭拖排技術可以解決在灘地較多的河道中沉排困難且質量無法保障的問題，在船體無法靠近岸邊實施水下鋪排的情況下，與分段綁扎下沉相比，采用輕型鋼拖頭拖排技術一次性完成軟體排施工的效率提升明顯。但水下軟體排護坡輕型鋼拖頭拖排技術是一個較為系統的施工過程，需要做好各種規劃，同時要考慮后續施工過程中各種需要，不然單純的理論模型施工在實際運用過程中往往會遇到各種各樣的問題，如水流、風浪等因素的影響。后續可在拖排施工的速度、適用性、實用性和易用性方面進一步開展研究，作為一項更加成熟的施工技術應用在河道水下邊坡防護上。