和畅洲左汊口门潜坝加固现场试验研究

范 兵，林木松，钱 圣

(1.江阴市水利农机局，江苏江阴 214400;2长江科学院 河流研究所，武汉 430010)

1 工程背景

长江镇扬河段，自三江口至五峰山，全长73.7 km，由仪征水道、世业洲汊道、六圩弯道、和畅洲汊道及大港水道组成。该河段是长江下游变化剧烈的河段之一。自20世纪50年代以来，六圩弯道、和畅洲汊道、孟家港、龙门口等处变化剧烈。河势不稳，河道的剧烈变化，致使许多排灌设施被破坏，人迁房毁，对沿岸防洪和人民生命财产安全造成极大威胁，也严重影响了沿江企业的正常运行和经济发展［1］。为了稳定镇扬河段河势，于1983年开始实施一期整治工程，历经10 a完工，镇扬河段河势急剧恶化的势头得到了一定遏制，工程取得了预期的效果。为了巩固一期整治效果，进一步稳定河势，自1998年开始实施二期整治工程，长江和畅洲左汊口门控制工程是长江镇扬河段二期整治工程中的一个重要单项工程，它是抑制左汊发展、维持河势稳定的重要工程措施。

经过一期、二期整治工程的实施［2－4］，镇扬河段平面变化速率减缓，和畅洲左汊分流比减少约3%，作为镇扬河段二期整治工程重点项目的和畅洲左汊口门控制工程初见成效。但和畅洲左汊口门控制工程仍只是镇扬河段进一步治理的基础。根据近几年的监测报告，目前，和畅洲潜坝坝顶普遍降低0.2～0.4 m、部分降低0.6～0.8 m，坝顶局部形成 V 型冲刷坑，下游护坦(护底)防崩层也有部分损坏，左汊分流比达到73.2%。如任其发展，潜坝控制分流作用将不断减弱，不仅影响到和畅洲两汊江岸的进一步开发利用，也影响到长江12.5 m深水航道建设。因此，为了保持和畅洲左汊口门控制工程效果的正常发挥，维持坝体的稳定，对坝体进行维护加固是十分必要和迫切的。

由于潜坝工程位于和畅洲左汊进口段，水流流态紊乱、河床地形复杂、水深与流速较大，而就如何进行现场定位，如何控制深水抛石(尼龙石兜)的准确性以及潜坝表面的施工工艺、工序和确定工程量补偿系数等，均无先例或类似工程可供参考，因此必须通过现场试验进行探索、总结，取得实践经验和试验数据，为工程设计、施工和建设管理提供依据和参考。

2 试验段概况

综合考虑试验内容的全面性、工程难度的代表性，以及试验规模的大小，结合潜坝工程资料、历次水下地形监测和水文测验资料，选取潜坝断面1+000至1+060作为试验段(见图1和图2)，其长度为60 m。该段坝顶黄海高程位于－14至－16 m，坝脚处河床黄海高程位于－17至－20 m，坝脚最大水深约24 m，水流流速相对较大，整体代表性相对较好。表1给出了试验段具体防护内容、宽度及断面高程。

图1 试验段纵剖面位置Fig.1 Longitudinal profile of the test segment

图2 试验段平面布置Fig.2 Plane layout of the test segment

3 试验段抛投区网格划分

现场试验中，在将坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护划分为3个单元(G—I)的基础上，根据坝顶(抛厚2.4 m)及坝肩(抛厚1.2 m)不同的抛护厚度，将每个单元又划分为8个小抛区。将坝坡抛石防护划分为6个单元(A—F)，每个单元沿潜坝纵轴线方向长10 m，再根据坝坡抛石区域所处的不同位置将每个单元划分为上、下游2个小抛区(见图3)。

表1 试验段各区宽度及断面高程表Table1 Widths and cross sectional heights of test sections

图3 试验段网格划分Fig.3 Partitioning of the test segments

4 抛投提前量计算及施工定位方法

4.1 各抛投区表层流速及水深

水深和表层流速是决定抛投提前量的关键参数，现场试验抛投区的水深和表层流速见表2、表3。

表2 尼龙网石兜抛投区水深及表层流速实测值Table 2 Measured values of water depth and surface flow velocity in the area of nylon cage dumping

表3 块石抛投区水深及表层流速实测值Table 3 Measured values of water depth and surface flow velocity in the area of rock riprapping

4.2 尼龙网兜及块石抛投提前量计算理论分析

由于河道中的水流具有一定流速，故在实际施工中应考虑块石及网兜在水流作用下的漂距。根据漂距确定抛投提前量，进而对定位船进行精准定位。下面是颗粒在流水中的漂距计算理论推导过程:

明渠水流流速V垂向分布公式［5］为

紊流区颗粒沉速ω计算公式［6］为

颗粒等容粒径的计算公式［6］为

式中:L为漂距(m);Vmax为河道表面流速(m/s);y为与河底边界的距离(m);h为水深(m);Cd为绕流阻力系数;S为抛投物的体积质量(kg/m3);D为抛投物的等容粒径(m);W为抛投物质量(kg)。

式(1)和式(2)构成一个微分方程组，易知当t=0时，y=h，L=0，这就是该问题的初值条件。由式(1)和式(2)联立得

对式(3)进行变形并进行积分得

即得球体颗粒的理论漂距计算公式为

式(7)即为抛投物水中漂距的理论计算公式，常数C与抛投物的形状，抛投点流速、流态相关。由此可见在同一抛投点抛投物的漂距仅仅同抛投点的水深、表面流速以及抛投物的质量相关。本文结合现场试验得出尼龙网石兜的C值取1.38，块石的抛投的C值取1.17。在本次试验中的尼龙网兜设计质量为4.08 t，块石密度为1 700 kg/m3，将其代入式(7)化简可得本次施工设计的尼龙网石兜漂距的计算公式为

4.3 计算值同实际抛投提前量比较

运用式(7)计算尼龙网石兜理论抛投提前量同实际值比较如图4，由图可知理论值与实测值拟合较好，因此理论公式的误差范围较小，可用于后续工程的施工定位计算。

4.4 定位趸船的定位

本次现场试验施工定位趸船的抛锚定位采用四锚定位，为了避免抛锚抛在潜坝坝体上，锚缆也必须跨过坝顶，因此，施工现场采用2 000 t的趸船，每只锚缆长度均达200 m以上，这样可保证趸船在风浪中的稳定和移动自如，同时抛锚点位置在塑枕坝体以外部位。抛锚顺序为:外上游锚→里上游锚→里下游锚→外下游锚。上、下游锚缆抛成八字形，以利于定位船移动(图5)。施工定位趸船利用GPS卫星定位系统，在施工定位的船头和船尾选取固定点，通过控制定位船的个锚机来给施工定位趸船精确定位。

图5 施工定位趸船抛锚示意图Fig.5 Positioning for the anchoring of construction barge

5 坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护

5.1 尼龙网兜抛投试验次序

尼龙网石兜抛投施工流程与试验前确定的施工方案完全一致，先进行坝顶凹陷部位的尼龙石兜填补，按平均抛厚0.6 m分2次抛投完成，再进行坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护施工，同样按平均抛厚0.6 m分2次抛投完成，具体的施工工序和流程是:

水下地形测量→定位船定位→坝顶凹陷部位的尼龙石兜填补第1次抛投→抛后水下地形测量→坝顶凹陷部位的尼龙石兜填补第2次抛投→抛后水下地形测量→依次类推直至坝顶凹陷部位的尼龙石兜填补结束→坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护第1次抛投→抛后水下地形测量→坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护第2次抛投→抛后水下地形测量→依次类推直至坝顶及坝肩尼龙网石兜抛护结束→补抛→竣工测量。

5.2 坝顶与坝肩尼龙网兜抛投施工定位方法

根据计算的抛投提前量对定位趸船进行定位(图5)，石料运输船按验收吨位和抛区宽度、厚度，合理安排石料船上档。本试验给出了石料运输船种挂靠定位趸船的方式(图6)，组织吊机进行尼龙网石兜抛投作业。将运输来的尼龙网石兜采用脱钩钢丝绳固定在吊机扒杆上，到水面自动脱钩。

图6 尼龙网石兜抛示意图Fig.6 Schematic diagram of the riprapping with nylon cage

5.3 尼龙网兜抛石试验实际增厚率计算

DTM扫测数据计算的坝顶及坝肩尼龙石兜抛投实际增厚率见表4。

表4 尼龙石兜抛投实际增厚率统计Table 4 Statistics of the thickening rate of riprap with nylon cage

以上成果是按设计补偿系数(实际抛投石方量/设计石方抛投量)1.2进行计算得到的。由于尼龙网兜的束缚作用石块的散落度得到了较好控制，理论公式计算的尼龙网石兜漂距值可靠，断面或单元的抛护厚度达到或超过了设计的要求。本次采用尼龙网兜对坝顶及坝肩进行防护试验达到了预期目的。

6 坝坡抛石防护

6.1 坝坡抛石抛投次序

由于石料船吨位较大，而现场抛护单元面积下如果平均抛厚0.6 m分2次抛投完成要求频繁定位并移动运输船，给施工和安全带来比较大的困难，故在本次现场试验中采用设计抛厚1.2 m一次抛投完成，具体的施工工序和流程是:

试验段水下地形测量→定位船定位→坝上游抛石→第1单元小区抛石→抛后试验段水下地形测量→第2单元小区抛石→抛后试验段水下地形测量→……→最后单元小区抛石→抛后试验段水下地形测量→补抛→水下地形测量→再补抛→坝下游抛石→第1单元小区抛石→抛后试验段水下地形测量→第2单元小区抛石→抛后试验段水下地形测量→……→最后单元小区抛石→抛后试验段水下地形测量→补抛→水下地形测量→再补抛→竣工测量。

6.2 坝坡抛石准施工定位方法

按公式计算块石漂距，然后对定位趸施工定位后(图5)，在定位船下舷边，按标准网格设置的挂档标记，挂靠运石船进行抛石施工。根据以往在长江护岸抛石工程中施工的经验，运石船上的块石由机械从船侧抛出距离为1.5～2.5 m。因此，采用机械抛石时各运石船位相互错开5.0 m左右，从而保证抛投均匀无空档(图7)。

图7 抛石船抛投示意图Fig.7 Schematic diagram of riprapping by ship

6.3 坝坡抛石试验实际增厚率计算

DTM扫测数据计算的潜坝坝坡抛石防护的抛投增量及实际增厚率见表5。

表5 抛石防护抛投增量及实际增厚率统计Table 5 Statistics of the increment and actual thickening rate of riprap

以上试验成果是按设计补偿系数1.7计算得出的，如果抛投系数采用1.5，按等比缩小可以得到，平均断面的综合实际增厚率为104.8%，整个潜坝坝坡抛石防护的平均增厚率为99.0%，仍然可以同时满足增加相邻断面平均增厚率、单个断面平均增厚率2个控制指标的要求。由于块石属个体，单体质量相对小一些，而且块石大小不均匀，故其散落度大于尼龙石兜。根据上述的本次现场试验成果，建议在潜坝加固的下一步工作中，坝坡块石抛护工程量补偿系数按1.5进行设计和计算。

7 结语

本文就长江镇扬河段和畅洲左汊口门潜坝加固工程的现场定位方法、具体施工工艺、工序和工程量补偿系数的选择进行了试验研究。现场试验总体达到了初步设计的目的，为深水潜坝工程设计、工程实施和建设管理提供依据和经验，同时也为大面积施工进行了探索性而有意义的工作。本次现场试验主要取得了以下成果:

(1)本次试验采用的施工设备和定位方法能满足工程要求，可以作为后续工程的施工方案。

(2)推导的公式属于半理论半经验公式，误差小，可用于实际工程的定位计算。

(3)本文结合现场试验得出尼龙网石兜的阻力系数为1.38，块石的阻力系数为1.17。

(4)尼龙网石兜的补偿系数应取1.2，抛石的散落度稍大，其补偿系数应取1.5。

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