主动式钩连体抛投试验研究及应用

郭晓玲，姚玉扣

(仪征市水利工程总队，江苏 扬州 211400)

长江江滩安全稳定一直是水利行业关注的重点。目前常用的护岸方式有混凝土预制块、抛石、土工布等措施[1-4]。传统护岸措施具有投资低、取材方便等优势，但防护整体性较差，遇较大水流易被冲散及流失，造成一定的管理困难[5-6]。有学者提出生物护岸设想，但由于缺乏成熟的理论做支撑而没有被广泛应用[7-8]。而近几年出现的四面体框架群、铰链排架等护岸型式[9-12]，因有成功应用案例而被快速推广，进而发展为主动式钩连体护岸型式。该钩连体设计独特，相互交错的U型设计解决了抛投体易被冲散的缺点，并在不阻碍透水的情况下大大提高了抛投体相互挂钩的整体性。魏祥[13]等从结构计算方面研究了钩连体的孔隙率，论证其为一项可靠的消能护岸结构。王效远[14-15]等采用动床及冲刷试验研究钩连体的防冲促淤效果，研究得知该抛投体结构具有一定泥沙淤积及防护效果。但在众多的防护效果研究中，钩连体抛投的前期定位及抛投落点方面，多为经验确定，通过试验的定量研究尚不充分。

本文从主动式钩连体的设计特点出发，分析抛投船定位方法，总结适用于江滩护岸工程的抛锚顺序及抛区划分标准。同时进行落距试验，初步摸索出相同规格主动式钩连体与块石在不同水流条件、水深条件下的漂距，便于指导施工，根据抛钩连体时的水位、流速情况，通过计算和试抛确定抛投船的定位地点。确保此后抛钩连体施工过程尽量减少无效工程量，避免盲目施工造成经济损失。

1 主动式钩连体特点

1.1 设计要点

单个主动式钩连体是由2个U型预制件及1个杆件拼装而成，如图1(a)所示。可根据工程需要，预制成不同大小型号，有筋或无筋形式。长江岸坡常用型号为0.9m长的U型构件，连接杆长0.66m，两者横截面均为0.12m×0.12m的正方形，拼装后成品模型如图1(b)所示。

图1 钩连体组装构件及成品示意图示意图

1.2 抛投船定位

为了保证钩连体抛投的位置准确且均匀，抛投船的定位坐标应由抛投区格位置、水流流速、水深等参数综合计算分析所得。待抛投船开至预定位置后，可采用锚缆进行初步定位。之后采用全球定位系统进行精准定位，保证坐标偏移量不超过0.5m。最后选用合适的锚具及锚缆使定位船定位准确、牢固。如长江仪征段上游锚选用1000kg重的锚，下游锚选用600kg重的锚，顶头锚选用400kg的锚。二根上游缆和二根下游缆选用Φ21.5mm以上的锚缆，二根顶头缆规格也不应小于Φ16.5mm。抛投船装有6个电动(或液压)绞关控制6根钢缆，从而控制定位船的定位和移动，其中位于船头中部的主缆，承受整个定位船下漂的拉力，船尾设置一尾缆，防止船舶涨潮时移位，主缆、尾缆同时还控制船舶的上下移动。船头船尾各设两口开锚，控制船舶左右移动，如图2所示。

图2 抛投船定位示意图

1.3 抛锚顺序及抛区划分

抛锚顺序：外上游锚(领水锚)—里上游锚—外顶头锚—里顶头锚—里下游锚—外下游锚。应注意的是上、下游锚应成八字形，以利于定位船里外移动。浮吊船定位后，将深仓石料运输船绑定在定位船外侧即可开始作业。抛投前，应进行区格划分。抛区由若干区格组成，区格由若干小区格组成，保证达到“抛准、抛足、抛匀”效果。并结合设计断面尺寸和划分的区格计算出各区格、小区格的钩连体数量及抛石工程量，区格抛量偏差应在设计抛量的±5%范围内。总结抛投工艺流程如图3所示。

图3 主动钩连体抛投工艺流程示意图

2 水流流速及水深对抛投质量的影响分析

2.1 主动钩连体抛投试验

受水流流速影响，钩连体应在加固地段的上游一定距离处抛入水中，才能落到预定位置。通过在长江岸边进行实地抛投试验，待定位船移上抛投区域后，将流速仪下放至定位船中部水深2/3处，进行流速测量。用长约40m的Φ20mm丙纶绳紧绑钩连体，并投掷水中，记录投掷位置坐标及钩连体落地时位置坐标。为消除水流脉动及抛投人为因素的影响，每组试验进行10次，统计后取平均值。通过多次抛投试验，得到水流流速与钩连体落距对应的三维关系，如图4所示，试验数据统计见表1。经数据拟合，提出了两者之间的计算公式(1)。研究表明，水深越深，流速越大，则水平落距就越长，反之则越短。

图4 主动钩连体抛投试验落距与水流流速、水深三维关系图(标准钩连体)

表1 抛投区域水深及流速对主动钩连体抛投落距影响统计表

拟合经验公式如下：

(1)

式中，S1—钩连体落距，m；V1—施工时抛投区域的水面流速，m/s；H1—抛区相应水深，m；W1—钩连体重量，kg，混凝土重量为2.4t/m3。

2.2 块石抛投试验

不同规格块石在不同水流、水深条件下的漂距不同，通过抛投试验得到抛石落距经验公式，分析水流对抛石施工的影响，找到块石落点与基床位置的关系，以及抛投点水深、流速与块石粒径大小之间的关系。试验准备重量30、50、70、90、110、130、150kg块石各5块，Φ20mm丙纶绳40m，GPS-RTK定位仪器1台，测深仪1台，大交通船1艘(作为试验平台及交通工具)，流速仪，钢尺1个，磅称1个。待定位船移上断面后，将流速仪下放至定位船中部水深2/3处测量流速。用长约40m的Φ20mm丙纶绳紧绑块石，并投掷水中，记录投掷位置坐标以及块石落地时位置坐标，即得出块石水平漂距。

通过多次抛投试验，得到水流流速与块石落距的对应关系，见表2。经数据拟合，提出经验计算公式(2)。研究表明，块石从水面沉到河床的过程中，因水流的带动，块石向下游移动，移动的距离与水流流速、水深成正比，与块石自身重量成反比。

表2 抛投区域水深及流速对块石抛投落距影响统计表 单位：m/s

拟合经验公式如下：

S2=0.792V2H2/W20.164

(2)

式中，S2—块石纵向水平漂距，m；V2—施工时抛石部位水面流速，m/s；H2—抛区相应水深，m；W2—块石重量，kg。

3 工程应用

3.1 工程概况

仪征小河口段新建护岸长度1.1km，采用以沉放主动式钩连体方案为主，近岸采用散抛石防护。护岸长度1100m，护宽65～90m，分3区抛护。抛投前，测量抛投区的水深、流速、河床剖面地形等情况，以确定该抛投区的抛投量、抛钩连体落距等。

施工时抛投部位水面流速V：本河段属感潮河段，流速变化较大。流速随涨落潮变化，而施工中施工定位船不可能随流速的变化而频繁移动。应根据流速变化规律，选择适当时间实测水面流速，一般可取高潮后2～3h内实测水面流速2.5m/s作为计算落距的代表流速。

钩连体重量W：落距与钩连体重成反比，钩连体按图纸设计统一预制，大小结构统一，单个钩连体重量约为0.21t。

块石重量W：落距与块石重量成反比，块石越小落距越大，反之则越小。计算落距时块石重量可采用平均粒径的相应重量，单次抛投块石重量约为50kg。

抛区的相应水深H：根据实测的水下地形图或断面图，选取若干有代表性的水深7.5m，并考虑接近深泓时的离散度，计算相应水深时钩连体的落距和方向。

3.2 起重机吊臂回转半径确定

钩连体抛投与块石抛投均采用起重机抛投，通过采用式(1)—(2)反推抛投体落距为5.3～7.4m，结合工程地形、水深、水流速度等参数，选择吊臂回转半径为12m的起重机，将抛区划分成面积相等的5m(垂直流向)×10m(顺水流向)标准区格和部分不规则区格(如图5所示)。

图5 起重机抛投示意图

3.3 抛投量确定

小河口段新建护岸长度1.1km，采用以沉放主动式钩连体方案为主，近岸采用散抛石防护。护岸长度1100m，护宽65～90m，分3区抛护，合计抛护面积94470m2，块石量12130m3，钩连体204703个，具体抛投方案及工程量见表3。经后期水下地形测量反馈，抛投区钩连体及块石总体分布较均匀，防护效果良好。

表3 抛投方案及工程量统计表

4 结语

(1)抛投船定位方面，因八字锚揽抛锚后是斜向伸出船体，且斜向伸长能达到150～200m，施工中锚揽的抛投需注意对周边行船的影响。

(2)抛投质量受潮位涨落、雨雪天气等影响较大，施工期应密切注意施工环境及条件的变化。根据抛投时段、地段的不同，提出动态设计理念，并重视试抛作业的必要性和重要性。

(3)漂距试验贯穿整个抛石施工过程，施工部位特别是河床冲淤变化、水流情况复杂，需时常进行漂距试验，根据漂距试验成果及时调整抛石船舶定位，完善施工参数，确保抛投质量。