软体排冬季施工技术在松花江整治工程的应用

管效仲

(黑龙江省航道事务中心,哈尔滨 150001)

0 引 言

软体排护底技术在松花江航道整治工程中已得到了广泛应用,一般选择在河流畅流期进行施工。但松花江是季节性封冻河流,畅流期仅为200～210d,封冻期一般为140d左右,封冻期最大冰厚可达1.6m,一般每年的畅流期内可进行正常施工的天数仅有6个月左右,成为制约松花江航道整治工程施工的主要瓶颈。在多年工程实践中,黑龙江航道人创新性地总结出了冰上码方筑坝和开冰槽抛石筑坝的冬季施工方法,为航道整治工程施工开辟了新途径,同时还实现了提高工程质量、加快工程进度和降低工程费用的目的[12]。但软体排护底工程是整治工程的基础,该工艺不实施后续的坝体抛石就无法进行,当然也就无法发挥出冬季施工的优势。为此,有必要对航道整治工程软体排护底工程进行冬季施工的可能性进行研究,文章通过对现有技术冰面上沉排法进行研究分析,分析其应用于深水区存在的缺陷,提出全新的解决方案[3]。

1 现有技术分析

1.1 冰面上沉排法简介

松花江作为北方寒区河流畅流期可满足施工的时间较短,一些大型水利项目往往因畅流期可利用时间短致使工艺安排不合理甚至无法按时完工。为加快工程进度,一些水利堤(岸)坡防护工程就采用了冰面上沉排法,收到了较好的效果。

冰面上沉排法,即利用冬季寒区河流封冻的冰面进行软体排施工,有自然沉排法和强迫沉排法。自然沉排法主要是在河流即将解冻时完成沉排,排体随冰层融化逐步下沉实现着床。此法宜在流速≤0.6m/s,水深在3m以内的情况下采用。强迫沉排法是在河流解冻前即完成沉排,在排体压载完成后,在其上下游两侧开冰槽,在其临水侧前约0.5m处每隔2m开冰眼进行沉排。冰槽和冰眼均不得打穿,根据事先测得的当地冰层厚度,留10～15 cm,待所有冰槽和冰眼开好后,同时打穿。此时,河水随之溢出,由于水的浮托力迅速减小,加之水温的作用,冰层在排体压载作用下很快断裂,排体能基本均匀地迅速下沉。当水深>3m,排体面积很大时,宜采用强迫沉排法。

1.2 对冰面上沉排法的分析

冰面上沉排法的特点是,铺排、压载和沉排均在冰面上完成,一般采用锚固槽或打桩等措施将排体临岸一边固定在岸坡上。该方法有效地解决了水利堤(岸)坡防护工程冬季施工的难题,因其具有施工质量好、施工速度快、投资省、防护效果好的特点,在黑龙江、松花江、嫩江、额尔古纳河、辽河等均有应用。

通过对相关工程案例的研究发现,冰面上沉排法在河流近岸浅水区应用比较成功,对于离岸较远项目,因水深流急又远离堤岸,施工质量和施工安全均难以掌控,存在以下缺陷:

1)若压载不及时、不同步,容易发生排体局部下沉。

2)排体下沉过程中可能发生翻排、卷排等质量事故。

3)压载过程中可能因冰层承载力不足而导致施工安全事故。

4)若因上述问题导致冰面破坏,则短期内无法继续施工。

5)软体排沉排完成后,冰面即大面积沉落,短期内无法进行后续工艺施工。

6)冰层较厚时,为克服冰的浮托力需要额外增加压载体重量,从而增加工程造价。

综上所述,若将现有技术冰面上沉排法应用于深水区的丁坝、锁锁和顺坝等航道整治工程,施工质量和施工安全难以掌控,施工效果势必难以实现。为解决这一难题,提出了全新的解决方案——一种软体排的冰面下沉排施工工艺,即冰面下沉排法,该工法于2023年2月17日获得国家发明专利(授权公告号:CN 114164800 B),现介绍如下。

2 冰面下沉排法

2.1 施工准备

1)冰厚测量:为确保施工安全,施工前有必要对施工区域及施工通道的冰层厚度进行测量,当冰层厚度达到50cm以上时,方可安排四轮运输车等小型设备在冰面上施工作业。

2)水深测量:水深测量是指对坝位河床断面进行水深测量,可打冰眼后用探杆摸测,掌握坝位河床地形,判断是否有局部坑洼需要填平处理。

3)场地清理:包括清理施工区域和施工通道冰面上的积雪和杂物以及冰面下的障碍物。

4)排体加工:拟定好排体规格、沉排顺序及搭接方式后即可进行软体排加工。为增加软体排抗拉强度,在排体纵向(顺水流向)和横向(垂直水流向)间隔缝制多条加筋带,为便于排体展开,在其横向边缘用φ10以上钢筋做加筋带。

5)施工设备:主要为小型装载机、挖掘机和小型翻斗车等。

2.2 施工流程

冰面下沉排法具体施工流程详见图1。

图1 冰面下沉排法施工流程图

图2 排体冰槽冰眼平面布置示意图

2.3 施工要点

1)定位、放样:采用全站仪或GPS定位技术,预先在冰面上确定软体排护底的范围和每幅排体沉排边线,并将其标示出来。

2)开冰槽、打冰眼:在预定沉排位置排头(上游)和排尾(下游)分别开凿2个宽0.6～1.0m的冰槽,冰槽长度≥排体横向宽度,冰槽间距与排体纵向长度相同。在沉排范围内梅花型均匀布置冰眼,冰眼间距取3～5m,冰眼大小以中等大小块石(或其他压载体)能够顺利通过为宜。在排头冰槽上游再均匀布置穿绳冰眼,所开冰眼距排头距离要大于沉排位置水深,可取实际水深的1.2～2.0倍,并在冰眼附近埋设临时小系缆桩。

3)排头锁定:将上游排绳(可用φ16尼龙绳)的一端穿过穿绳冰眼通过冰面在排头冰槽出水后系结在排头边缘加筋带上,每块排体设排绳不少于4根,用同样方法依次系好每根排绳,收紧所述排绳的另一端并系结在预埋好的系缆桩上,使排头边缘与所述冰槽上缘对齐。

4)穿杆引绳:采用穿杆引绳法使下游排绳在冰面下穿过。每块排体的下游排绳≥4根,将所述排绳的一端均匀系结在排尾边缘加筋带上,另一端用引缆绳(φ6彩色尼龙绳)系在一起,再将引缆绳自由端系在竹竿(长3～5m)上,人工引导使竹竿从排头冰槽入水在排尾冰槽出水,捞起竹竿和引缆绳,再通过引缆绳捞起排绳。至此,所述排绳均已穿过冰面。

5)排体展开:在上游冰槽放排布入水,先让排尾入水,排头已锁定,下游排绳均设专人控制,使排体位置对准沉排边线,借助水流力作用使排体在冰面下平顺展开。

6)排体压载:先在上游冰槽处集中抛石压排头,用探杆进行摸测确认排头完全着床后,再自上而下依次向冰眼内抛石,直至该排体全部着床。释放排绳捞起备用。

7)排体纵向搭接:以顺坝为例,采取自下而上的施工顺序,排体间纵向搭接,搭接长度取2m。原上游冰槽作为排尾冰槽,在其上游新开相同尺寸冰槽作为排头冰槽,要使冰槽间距比排体纵向长度<2m。再按照步骤(2)所述布置抛石冰眼、穿绳冰眼和系缆桩,再重复步骤(3)～步骤(6)完成所述排体的沉排,直至一幅排体沉排完成,所述排体幅宽与排体横向宽度相等。排体纵向搭接示意图,见图3。

图3 排体纵向搭接示意图

8)排体横向搭接:以锁坝为例,采取从左岸向右岸的施工顺序,排体间横向搭接,搭接长度取2m,排体纵向长度为排体幅宽。沿着整幅或分幅排体的上下边线向右延长排头冰槽和排尾冰槽至拟沉排体右侧边线(考虑搭接长度后)位置,为便于排体展开可以使所述冰槽超过所述边线位置。再按照步骤(2)所述布置抛石冰眼、穿绳冰眼和系缆桩,再重复步骤(3)～步骤(6)完成所述排体的沉排,直至一幅排体沉排完成。排体横向搭接示意图,见图4。

图4 排体横向搭接示意图

9)下一幅排沉排:对于顺坝,确定下一幅排的起始位置后,重复步骤(2)～步骤(7)完成所述排体的沉排,直至所述坝体软体排全部沉排完成。对于锁坝,确定下一幅排的起始位置(考虑两幅排体间搭接)后,重复步骤(2)～步骤(6)以及步骤(8),完成所述排体的沉排,直至所述坝体深水区段内软体排全部沉排完成。

10)质量检测:主要检测排体的着床情况和搭接情况,可通过打冰眼摸测,也可通过水下摄像设备检测。如有局部排体漂浮,可通过加密冰眼再抛石。如有局部搭接不合格,可采取所述沉排方法补沉一块软体排覆盖所述位置。

11)补抛压排石:沉排完成后,排上压排石可能不足,可继续采取开冰槽(冰眼)的方法补抛压排石,所开冰槽(冰眼)要避开已抛石位置。也可以在开江后畅流期用船舶装运石料补抛压排石。

2.4 浅水区处理

该施工工艺比较适合坝位水深>1.2m的区域,对于水深较小的浅水区段或端头部位,软体排在水下可能无法通过。对此段排体可采取冰面上沉排法作业,再与深水区排体搭接。

3 实施效果

软体排冰面下沉排法是利用松花江季节性封冻河流的特性,以冬季可承载的冰面为依托,采取分离压载方式,实现软体排的冰面下沉排。该工艺解决了北方寒区河流航道整治工程冬季无法进行护底施工的难题,规避了采取冰面上沉排施工面临的诸多风险,具有以下有益效果:

1)采取开冰槽、打冰眼这种“微创式”施工方式,压载过程基本不破坏冰面,施工安全有保障。

2)先锁定排头,再自上而下抛石压载,充分利用水流作用使排体逐渐着床,避免了排体漂移、翻排、卷排等质量事故的发生。

3)冰面厚度达到50cm即可开始施工,可采用小型自卸翻斗车冰上运料,不必进行冰面增厚等施工作业。

4)沉排后冰面可快速封冻,不影响后续施工,可使冬季施工期得到有效利用。

5)压载体用量不受冰厚影响,可降低工程造价。

6)施工受约束条件少,工艺简单,可多个作业面同时作业。

4 结 语

现有技术的冰面上沉排法在河流近岸浅水区项目应用比较成功,但对于深水区的丁坝、锁锁和顺坝等软体排护底工程存在很多缺陷,为此提出了全新的解决方案——冰面下软体排施工工艺。以冬季可承载的冰面为依托,采取分离压载方式,实现软体排的冰面下沉排。该工艺规避了现有冰面上沉排法存在的一些技术缺陷,解决了北方寒区河流冬季无法进行软体排护底施工的难题。以此为基础,实现了航道整治工程从软体排护底到坝体抛石全过程的冬季施工。该技术的应用对寒区河流航道整治工程建设水平的提升具有一定积极意义。