两种新型抛石护岸工艺在深水区应用效果对比*

王茂枚，姜 果，赵 钢，徐 毅，蔡 军

(1. 江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

长江下游干流河道水深流急，近年来受上游来水来沙减少等的影响，部分河段河床冲深加剧，水下岸坡坡度变陡，河道的崩岸频度和强度明显加剧，并且由于河岸地质构造多是二元结构，河岸抗冲性较差、崩岸强度大，严重影响防洪安全和沿江国民经济设施的安全运行[1]。水下抛石护岸取材便利、施工工艺简单便捷，在长江下游河道整治工程中被广泛应用，但受深水区水深大、流速快、水动力条件复杂的影响，抛石施工控制难度较大[2-3]。由于抛石护岸主要是通过块石覆盖床面，保护河床泥沙不被冲刷，因此在抛石施工过程中，要求床面的抛石尽可能均匀。但是在实际的抛石施工中，因抛石船定位不准、水流作用等原因，常常出现部分区域抛石过于集中、部分区域抛石较少的情况。根据泥沙颗粒的隐暴特性，泥沙颗粒隐蔽系数越小则暴露系数越大、越容易起动[4]，因此抛石的均匀度可能会影响块石的起动概率，尤其对散抛石而言，抛石均匀度低可能会导致块石更容易流失。因此水下抛石质量评定不但应关注抛石范围和抛区增厚指标是否满足要求，而且应关注抛投是否均匀。

为使水下抛石工程达到“抛足、抛准、抛匀”的质量标准，抛石施工工艺不断改进，目前长江下游护岸工程中较多采用网兜散抛石和沉箱式抛石等改进的施工工艺。与传统的抛石工艺相比，改进后的施工工艺在施工安全性方面有较大提高，但少有对这两种工艺施工效果的对比研究。目前常用的抛石效果评价指标为抛石区测点增厚及断面增厚[5]，缺少抛石均匀度的定量评价指标。均匀度指标种类较多，在各个领域均应用非常广泛[6]，本文尝试引入离差系数和克里斯琴森均匀系数作为均匀度评价指标，以长江澄通河段老海坝节点综合整治工程深水区抛石为例，针对网兜散抛石和沉箱式抛石两种工艺的抛石效果，从抛石增厚和抛石均匀度两个方面进行对比分析，以期为施工质量评价提供依据。

1 方案设计

1.1 工程区概况

长江澄通河段老海坝段位于浏海沙水道，历史上演变剧烈，受涨落潮影响和长江主流顶冲，水沙运动复杂，水下岸坡陡峭、地形变化剧烈，是长江下游重点防护岸段[7]。1)研究区1位于张家港海力8号码头前沿，长约390 m，宽约100 m，区域内河床冲刷严重，最大水深约65 m，近岸平均宽约60 m的范围内采用沉箱式抛石施工，单元工程用WD表示，设计抛石厚度2.5 m。沉箱式抛石区向外约40 m的范围内采用网兜散抛石施工，单元工程用FB表示，设计抛石厚度2.0 m。2)研究区2位于研究区1下游约3.9 km，张家港海力1号码头前沿，长约500 m，宽约150 m，近年来河势变化剧烈，水下岸坡坡度较陡，近岸平均宽约55 m的范围内采用沉箱式抛石施工，沉箱式抛石区向外约95 m的范围内采用网兜散抛石施工，单元工程表示及设计增厚同研究区1。研究区位置见图1。

图1 研究区位置及监测断面布置

1.2 施工工艺

网兜散抛石工艺是采用深舱驳运输块石，浮吊船进行抛投的施工工艺，预先将网兜铺设在深舱驳货舱底，然后装运块石并靠泊浮吊船，采用GPS精确校准浮吊船船位，吊机提升网兜的同时块石自动滚落在网兜上，将网兜吊至目标区域水面上方，打开网兜，块石自水面落水，再回收网兜。沉箱式抛石施工工艺是集定位、装箱、投放为一体的抛投工艺，通过专用沉箱船自带的GPS定位系统作精准定位，将块石装入沉箱内，通过链轮传送将装有块石的箱体下放到接近河床面后，打开底门结构装置，将块石全部抛投至河床，再将箱体提升至船体内。

1.3 研究方案

采用Sonic 2024多波束测深系统获取抛石前后抛石区水下地形，通过在各单元工程内布设监测断面和选取监测点，获取抛石前后各监测点和监测断面的高程。各单元工程内至少布置3条监测断面，各断面每5 m布置1个监测点，研究区1共布置了19个监测断面，研究区2共布置了15个监测断面，见图1。根据监测点和监测断面高程变化，计算沉箱式抛石区和网兜散抛石区的抛石增厚值和抛石均匀度，作为评价抛石效果的定量分析指标，分别对比同一研究区内两种不同工艺以及同种工艺不同研究区的抛石增厚值和抛石均匀度，分析两种工艺在深水区抛石中的应用效果。

2 抛石效果评价指标及计算方法

2.1 抛石增厚

抛石增厚是抛石效果评价的一项重要评价指标，在目前抛石质量检测及效果分析中被广泛采用，分为测点增厚和断面增厚。测点增厚值计算公式为：

d=H2-H1

(1)

式中：d为测点增厚值(m)；H2为抛石后测点高程(m)；H1为抛石前测点高程(m)。

断面平均增厚即为断面所有测点增厚的平均值，计算公式为：

(2)

式中：D为断面平均增厚(m)；di为断面测点增厚值(m)；n为断面测点总数。

由于水流条件、岸坡条件及防护等级不同，不同抛石单元工程的设计增厚也往往存在差异，因此可以采用断面相对增厚率对比不同抛石区的抛石效果，计算公式为：

(3)

式中：r为断面相对增厚率：D为断面平均增厚(m)；D0为设计增厚值(m)。

2.2 抛石均匀度

由于水下抛石为隐蔽工程施工，无法直观获取抛石的位置，并且无法进行整平，因此抛厚往往是不均匀的。衡量空间分布不均匀性的变异指标通常有极差、平均差、标准差、变异系数等。但极差、平均差、标准差都是用绝对量来显示标志值的变异程度，而水深测量由于测量误差的存在，采用绝对量可能会带来较高的误导性。采用相对量表示的均匀性指标可以克服以上指标的缺点。常用的衡量均匀度的相对指标有离差系数CV、基尼系数Gini、集中指数CI、赫氏指数HHI、克里斯琴森均匀系数CU等。不同均匀度评价指标所采用的原理不尽相同，由上文可知，抛石监测点采用抽样的方法进行选取，因此基尼系数Gini不适合用来分析抛石均匀度；另外不同抛石区因面积不同，监测点选取的数量也有所不同，导致集中指数CI和赫氏指数HHI均不具有可比性，但对离差系数CV和克里斯琴森均匀系数CU没有影响。因此本文尝试引入离差系数CV和克里斯琴森均匀系数CU作为抛石均匀度衡量指标。

2.2.1离差系数

离差系数又称变差系数，为抛石测点增厚值均方差与均值的比值，可表示不同均值系列的离散程度。CV越接近于1，离散程度越大，抛投越不均匀；CV越接近于0，离散程度越小，抛投越均匀。其计算公式为：

(4)

2.2.2克里斯琴森均匀系数

(5)

本文将克里斯琴森均匀系数引入到抛石均匀度评价中，用该指标衡量抛投是否均匀，KCU越大表明抛投越均匀，反之则抛投越不均匀。

(6)

3 抛石效果分析

研究区1的3#、10#、15#监测断面和研究区2的1#、7#、13#监测断面抛前、抛后断面变化见图2。可以看出，施工区河床深槽水深普遍较深，最深处河床高程接近-75 m，其中研究区1沉箱式抛石区整体地形较为平缓，平均水深约50 m，但WD1、WD2所在区域存在一个非常明显的冲刷坑，冲刷坑一侧岸坡较陡，最大坡比约1:2。研究区2沉箱式抛石区岸坡坡比基本在1:3左右，水深变化范围为15～50 m，与研究区1相比，平均水深相对较浅。研究区1网兜散抛石区平均水深约46 m，地形平缓；研究区2网兜散抛石区平均水深约58 m，坡比约1:5，岸坡也较为平缓。抛石后各断面线总的趋势与抛前基本一致，但岸坡相对变缓，有利于岸坡稳定。

图2 抛石前后研究区监测断面变化

3.1 抛石增厚效果分析

在河势急剧变化区抛石，施工质量受水流和岸坡的影响较大，质量控制难度非常大。根据江苏省地方标准DB32T 2334.2—2013《水利工程施工质量检验与评定规范》(简称规范)[9]，由于研究区均位于冲淤急剧变化区，设计要求测点增厚值和断面增厚值达到1 m即为合格，增厚值统计情况见表1。

表1 测点及断面合格率统计

由表1可知，沉箱式抛石区和网兜散抛石区测点合格率均达到70%以上，断面合格率均为100%，两种抛石工艺的抛石质量等级均为合格，但沉箱式抛石区的测点合格率要高于网兜散抛石区。研究区1沉箱式抛石断面平均增厚为1.77 m，研究区2沉箱式抛石断面平均增厚为2.13 m，断面平均增厚均高于网兜散抛石区。研究区1沉箱式抛石区和网兜散抛石区的断面相对增厚率分别为0.89、0.56，研究区2沉箱式抛石区和网兜散抛石区的断面相对增厚率分别为1.07、0.67，沉箱式抛石工艺下的断面相对增厚率均高于网兜散抛石工艺，由此可见在深水区抛石增厚控制方面，沉箱式抛石工艺表现较好。

根据不同研究区的抛石增厚效果对比可知，研究区2沉箱式抛石增厚效果较好，测点合格率和断面平均增厚均高于研究区1。结合不同研究区水深情况可知，对于沉箱式抛石工艺，水深较浅时抛石增厚效果相对较好。研究区2网兜散抛石区平均水深大于研究区1，但研究区2网兜散抛石的测点合格率和断面平均增厚均高于研究区1，由此可见网兜散抛石增厚效果不仅与水深有关，而且也受施工时的水流条件、施工船只定位等其他因素影响。

3.2 抛石均匀度分析

沉箱式抛石区和网兜散抛石区的抛石均匀度统计结果见表2。沉箱式抛石区离差系数CV均小于0.4，克里斯琴森均匀系数KCU均高于70%，抛石均匀度较高。研究区1网兜散抛石CV达到0.647，相对较高，KCU仅为52%，相对较低，抛石均匀度较低。与研究区1相比，研究区2网兜散抛石均匀度相对较高。综合来看，沉箱式抛石CV均低于网兜散抛石，KCU均高于网兜散抛石，两项均匀度指标的评价结果一致表明沉箱式抛石工艺的抛石均匀度高于网兜散抛石工艺。此外，通过两个研究区之间的对比也可以看出研究区2两种工艺下的抛石均匀度均高于研究区1，表明同种工艺不同区域之间的抛石均匀度仍存在差异。其中研究区1和研究区2沉箱式抛石的均匀度相差仅0.3%，不同研究区之间抛石均匀度相差较小，而不同研究区网兜散抛石的均匀度相差达17.7%，因此可以认为沉箱式抛石工艺在抛石效果稳定性控制方面优于网兜散抛石工艺。

表2 抛石均匀度

根据抛石均匀度的计算公式可知，抛石均匀度直接受测点增厚和断面平均增厚影响，本文采用灵敏度分析方法初步分析抛石均匀度对断面平均增厚变化的敏感程度，灵敏度用抛石均匀度指标的变化率与断面平均增厚变化率比值的绝对值表示，计算结果见表3。可以看出，CV的灵敏度值较大，KCU的灵敏度值较小，表明CV对断面平均增厚变化更敏感，因此在对比断面平均增厚相差不大的抛石区的均匀度时CV的评价效果会较好，指标的适应性较强。

表3 抛石均匀度指标灵敏度

3.3 施工工效与成本分析

沉箱式抛石因集定位、装箱、投放为一体，工效保证率高，减少了抛投的倒运次数。并且由于一次抛投块石量大，能够快速在河床上形成连续的防冲护底，更有利于减少河床冲刷。沉箱在接近河床过程中受流速影响较小，可连续、准确投放，而且可以减少小粒径块石的流失，保证了有效抛投量，降低损耗，减少补抛工序。另外，沉箱式抛石可施工作业时间长，特别是在水深、流急条件时抛投效果更突出。网兜散抛石工艺受潮汐、流速等影响较大，当流速大于1.5 ms时通常要暂停施工，并且小粒径块石损耗较大，需采取补抛措施。根据同等条件下的工程直接费用分析(表4)，每抛投1 m3的块石，沉箱式抛石工艺直接费用比网兜散抛石增加约18%，但可以缩短工期，节约块石资源，综合效益相对较好。

表4沉箱式抛石和网兜散抛石工程直接费用对比

元m3

元m3

施工工艺人工费块石费机械费损耗费合计沉箱式抛石48.011917.03.68187.68网兜散抛石5.11198.526.52159.12

4 结论

1)沉箱式抛石工艺虽然工程直接费用相对较高，但抛石测点合格率、断面平均增厚和断面相对增厚率均高于网兜散抛石工艺，综合效益较好。在深水区抛石增厚控制方面，沉箱式抛石工艺表现较好，并且水深较浅时沉箱式抛石工艺抛石增厚效果更好。

2)选取离差系数CV和克里斯琴森均匀系数KCU作为抛石均匀度衡量指标，沉箱式抛石CV均低于网兜散抛石，KCU均高于网兜散抛石，表明沉箱式抛石工艺的抛石均匀度高于网兜散抛石工艺。不同研究区同种工艺抛石均匀度也存在差异，沉箱式抛石工艺区域间的抛石均匀度相差较小，在抛石效果稳定性控制方面优于网兜散抛石工艺。

3)离差系数CV和克里斯琴森均匀系数KCU的评价结果一致，均可用于抛石均匀度评价中，通过两项指标对断面平均增厚变化的灵敏度对比可知，CV对断面平均增厚变化的灵敏度高于KCU，指标的适应性较强。