顺水沉排技术在航道整治工程中的应用

喻 龙

（江西省赣西航道事务中心,江西 宜春 336000）

0 引言

系结压载软体排护滩构筑物在航道整治工程中的应用越来越广泛，其在稳定边滩、避免航槽摆动，改善枯水航道条件等方面发挥着越来越重要的作用。该技术主要通过土工合成材料和压重材料共同制成系结式排体，顺水流向沉排后，起到保护排体底部床面泥沙免受淘刷的作用。就沉排及水下铺排工艺而言，主要采用翻板形式引导排布沉入水体，因受铺排船长度、排体结构及水流等因素的影响，对于水深和水流流速均较大的区域，发生滑排、撕排、排布卷起、沉排偏离设计位置情况的可能性也较大，影响沉排施工质量和航道整治效果。为此，必须结合航道实际，探索切实可行的沉排施工工艺，保证排布质量。

1 工程概况

某航道工程下游河道呈首尾窄、中间展宽的分汊形式，目前航道维护水深5.0 m，航道宽200 m，弯曲半径为1 050 m，水深保证率为98%，按照月计划维护。考虑该河道经常出现部分浅槽段，必须通过疏浚整治维持航道水深。根据航道发展规划，2025 年该航道在宽度和弯曲半径保持不变的基础上，主要通过枯水断面形态调整，减少漫滩水流，提升浅区段航道尺度，使水深增至6.0 m。

潜坝采用系混凝土块软体排护底，坝体为砂枕块石混合结构，并在坝顶覆盖钢丝网石笼。水下护滩带则通过系混凝土块体软体排与块石盖面的形式守护。以上航道整治施工任务拟定于3 个枯水期内完成，其中主体工程在2 个枯水期内完成。

2 铺排方式及受力分析

2.1 铺排方式

软体排水下铺排方式主要有垂直水流铺排、顺水流铺排及逆水流铺排三种。垂直水流铺排即从岸边开始顺着河道横断面向河道中心铺排。在绑扎压块时，将沉排边缘首列卡入滑槽中，避免沉排滑动，同时起到铺设引导作用。在水流流速较大时，水流流向必然与沉排方向不完全平行；铺排船头部阻水后会在沉排上游引发绕流，向沉排施加较大的切向冲击力和拉扯力。该力不均匀作用于上游端滑槽首列排体，滑块极易被拉开，引发排体向下游滑动。

顺水流铺排即铺排船从上游开始沿水流向下游铺排，容易造成排体悬空部分受力过大，沉排不畅，甚至拉断软排体。此外，还会因铺排船受力不均，造成船体局部受拉，引致倾斜失稳。

综合比较后，该航道整治工程选择顺水铺排施工方式，通过加强排体悬空部分及铺排船受力控制，保证沉排过程顺利进行。

2.2 顺水沉排状态

在铺设顺水沉排时，如果船体移动速度明显快于铺设速度，软体排会顺着船舷快速向下垂直滑动，直到抵达河床；滑动过程中产生一定的动力荷载。该航道整治工程中顺水沉排铺设过程见图1。图中（1）为软体排沿船舷快速垂直向下滑动至河床，这一过程中排体主要承受垂直向下的重力、动水压力、卷排筒刹车期间产生的附加动力荷载；（2）铺排船顺着铺排方向前移的速度超出放排速度，部分排体悬吊于水体并呈悬链线状态，这一过程中当放排速度既定，随着铺排船移动速度的增大，拉力值也相应增大；（3）待卷筒处排布仅剩余一定长度后暂停移船，并刹住卷排滚筒，软排体下滑过程也相应停止，剩余排体仍以悬链状挂铺于河底，期间铺排船拉力持续减小，最终降至零。

图1 软排铺设过程

以上顺水沉排过程中，状态（2）下船舷处拉力最大，整个沉排体系处于最不利受力状态[1]，为此，应对该状态下的受力展开重点分析。

2.3 受力计算思路

铺排方向与水流向的夹角并不固定，在垂直水流向上软体排投影面积不为零的情况下，受到动水压力作用后，即使排体下放速度超出船体移动速度，排体也无法在水体中保持规则形状，动水压力及排体内力计算存在较大难度。若不考虑动水压力的作用，即在静水中铺设排体，则排体受力过程得以简化。为此，该文先分析静水中排体受力，再根据经验公式分析排体受动水压力的影响，最终确定出动水压力作用下排体所受拉力。

式中，C表示两个系统的耦合度。C值越大，表示系统间的相互作用越强，反之则越弱。、分别代表旅游经济和生态环境系统的评价指数，该指数越大，说明系统有序发展状况越好，反之则越差。计算公式如下：

2.4 静水中排体受力

当铺排船运行于静水中时，排体在水下部分呈悬链线状，为此，采用悬链线理论[2]展开排体水下部分受力情况分析。按照该理论，在均质链条两端悬挂的情况下，因受到重力作用，自由下垂的链条形状即为悬链线曲线。铺排船移动时，排体所承受的拉力与船舶运行速度、排体下放速度等均相关；在排体下放速度既定时，铺排船移动速度越快，排体承受的拉力也越大。

考虑排体和船舷相切处拉力最大，必须展开该部位排体受力情况分析。先将排体全部置于水下，再通过链条拉力公式计算静水中不同铺排船移动距离所对应的排体水下拉力[3]。公式如下：

式中，TA——排体水下部分承受的压力（kPa）；W1——单位长度悬链的水下重力（kg）；g——重力加速度（m/s2）；c——悬链线参数；h——铺排船与河底的垂直距离（m）。

2.5 动水中排体受力

在铺排方向和水流方向呈一定夹角φ时，因受到动水压力的影响，即使排体下放速度超过铺排船移动速度，排体也无法在水体中保持垂直，而会出现不规则形状，具体见图2。动水压力和排体内力的计算过程也变得更加困难，必须借助经验法估算。根据对铺排方向和水流方向相同及相反时静水拉力与动水拉力之比的分析看出，当铺排方向与水流向相反时，流速越大，排体所承受的拉力也快速下降；而当铺排方向与水流向相同时，流速越大，排体所受拉力快速增大。根据顺水及逆水时水流流速和静动水拉力比T1/T2的关系，进行排体与船舷相切处拉力曲线的拟合[4]。

图2 排体水下形状

综合以上分析，水深对排体所受拉力的影响较大，在表面流速及铺排船相对位移一定时，水深每增大1 倍，排体所受拉力至少增大1 倍。在水深一定时，铺排船相对位移对排体拉力影响较大，应加快顺水沉排施工期间铺排船运行速度，以减小铺排船对排体的拉力。

3 顺水沉排施工要点

3.1 施工准备

根据设计要求及工程实际，选择合适的铺排船及排垫材料。一般情况下，对于水深在15 m 以上（含15 m）的，流速在1.0 m/s 以上（含1.0 m/s）的工况，必须使用安全性能高的大型铺排船和加强型排垫；而对于流速和水深在1.0 m/s 及15 m 以下的工况，选用一般铺排船和普通型排垫即可满足施工质量及安全要求。

施工前，还必须展开待施工区域水下测量，对于存在的突出异状物必须及时清理，避免破坏沉排体。根据水下测图所得出的特征点坐标，在电脑软件中绘制沉排轨迹线，便于指导和分析施工过程。沉排前还应在铺排船上架设GPS 天线，明确GPS 测点与沉排入水位置间的对应关系，同时在软件中进行标识。

该航道整治工程因工期紧，任务重，整治施工期间航道不封闭，通航船只对施工过程存在一定干扰，故必须加强人员配置和现场组织协调。人员配备情况见表1。

表1 航道整治人员配置

3.2 排体结构

大流速河段应加强排体结构，具体而言，采用长度50 m 的排体，排宽则根据具体工况确定；排垫由单位质量≥280 g/m2聚丙烯编织布缝制。顺着排体宽度向按25 cm的间隔布置7 cm宽的加筋条。加筋条下设置系结条。混凝土块压载体的规格与小流速河段一致。

3.3 排布安装

结合作业面顺序将铺排船调遣至施工区上游端后抛锚，按照六锚定位顺水沉排：

（1）右舷即出排舷侧的前后锚与沉排上游端的纵向距离应控制在300 m 左右，并呈八字形控制，起到主锚的作用；锚缆与沉排轨迹线之间形成20~30°的夹角。

（2）在与施工区上游端纵向距离约200 m、与沉排轨迹线横向距离同样为200 m 的位置抛船艉锚，起到铺排船横移调整及辅助锚的作用；锚缆和沉排轨迹线之间形成40~50°夹角。

（3）左舷即装载舷侧面前后锚与沉排轨迹线的横向距离也控制在300 m 左右，起到铺排船横移轨迹调整的作用。

（4）结合GPS 定位仪的显示结果，将铺排船调至施工区上游端水深1.5 倍的位置定位，并使船向垂直于沉排轨迹，各锚缆均匀受力。

底排安装的目的在于为排尾沉放提供充足的牵引长度并增大卷排筒摩擦力。该航道整治工程共使用1 条50 m长的底排。安装前在操作平台上打开排布并铺平，将排布绕过导排梁后用φ15 mm 双股尼龙绳将排端加强筋系环和卷排筒系牢，缓慢旋转卷排筒，以使排布平顺卷入，避免折叠，待排布末端与卡排梁相距1.0 m 时结束卷排，并放开卡排梁后将排布压住，此后启动卷排机构，使排布进一步卷紧。在以上过程中，必须密切关注排布受力，待其收紧后应立即关停卷排机构，避免因过大的机械受力扯断排布。

排尾绳安装是排尾准确沉入河床的保证。结合该航道整治工程沉排段实际水深，截取30 根长度为所在水域水深3 倍的φ20 mm 尼龙绳，将绳体端绑系于底排尾端加强筋肋环处，另一端则穿过加强筋套环后拴接在底排尾端。通过卷排筒的转动，使排尾绳卷布于卷排筒内。

3.4 沉排施工

通过人工方式将排头布牵引至滑排板边缘，并将铺排船航行至施工区上端系排梁抛投位置，按照水深的1.5倍+排头漂距确定具体定位。借助吊车将系排梁吊至滑排板边缘后按次序放置；同时通过尼龙绳绑扎系排梁，预留出足够长度的连接绳，并将绳尾与排布头加强筋套环系结。

在施工平台与滑排板上排布系结混凝土块，考虑排头入水期间仅存在排头重力而无牵引力，为减少摩阻，施工平台1 次只能绑系3 m 长的混凝土块。依次按照30°、45°和70°的下放角将滑排板放至设计深度。通过卷排机施放排布，使施工平台上系绑的混凝土块排布依次向右滑动，并逐次放置水中，最后使排头准确落入河床。

沉排过程中应实时观测水深、水流流速、流向，如遇涨水及流速过大等情形应采取应对措施并尽快停止施工。通过输送带或克令吊将混凝土块运至施工平台，通过人工将块体系结于排布。沉排期间作业船应按照与放排船同步的速度平行移动；移船距离应按照放排长度的95%确定[5]。沉排时先启动卷排筒施放排布，再启动移船绞车。

顺流沉排按照5~6 m 的宽度横向搭接，当水深、流速均较大时，缩排影响也较大，必须适当增大搭接宽度。

4 结论

综上所述，航道整治工程沉排施工过程受航道水深、水流流速、施工技术水平等的影响较大，必须在沉排施工前对静水及动水中沉排受力情况展开分析，并加强施工方案优化设计；通过定位、空排、压载等现场试验，加强排体及缆绳受力控制，制定相应的安全预案。在采用了该文提出的方案和措施后，该航道整治沉排期间船机受力均未超出额定荷载，排体也无任何撕裂迹象，铺排船控制较好，沉排效率高，为类似工程深水顺水流沉排提供了成功经验。