水下混凝土联锁片软体排护坡设计及施工方案优化

李建英

（中国水电建设集团十五工程局有限公司第三工程公司,陕西 西安 710068）

1 项目概况

1.1 工程概况

引江济淮工程由长江下游上段引水,向淮河中游地区补水,是一项以城乡供水和发展江淮航运为主,结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程,是集供水、航运、生态等效益的一项水资源综合利用工程。引江流量300 m3/s,入淮流量280 m3/s。输水干线长723 km,自南向北可划分为引江济巢、江淮沟通、江水北送三大工程段落,共设八大节制枢纽。

1.2 道施工标段

J002-1 标段位于江淮沟通段内,起点派河口泵站枢纽,终点金寨路桥。对应河道桩号3+240～18+220,总长14.98 km。河道设计标准断面：河道底宽60.0 m～180.0 m,底高程 1.8 m,其中J3+240～15+340 渠道南岸为退堤段,迎水侧边坡 8.6 m 高程设一级平台,平台宽度 7.5 m,平台以下边坡坡比为 1∶4,平台以上边坡坡比为 1∶3；北岸为疏浚段,疏浚坡比为1∶4,疏浚至现有平台高程；J15+340～18+220 段为城区段,渠道两侧8.6 m高程设一级平台,平台宽度7.5 m,平台以下边坡坡比1∶3,平台以上采用灌注桩直墙。主要施工内容有：河道疏挖、堤防退建、护坡护岸、灌注桩直墙、管护道路、新建渠系交叉建筑物、水土保持等。

2 原设计方案及存在问题

2.1 原设计方案

江淮沟通段 J002-1 标输水渠道系利用现有派河河道扩挖疏浚而成,沿线弯道迎流顶冲凹岸众多,在船行波和引水流速的长期共同作用下,渠道边坡易形成浪坎,并最终威胁渠道边坡的稳定安全。为了防止渠道冲刷破坏、提高渠道利用系数,减少糙率,加大流速,确保渠坡安全,J002-1 标一级平台8.6 m 高程以下边坡表面均采用12 cm 厚C25 水下联锁式预制块护坡,土工布为500 g/m2聚丙烯长丝无纺土工布,钢绞线采用稀土锌铝合金镀层钢绞线,铰接块之间采用稀土锌铝合金镀层钢绞线串联成联锁片,钢绞线在穿拼时以U 型穿拼,并用U 型卡子锁扣,将相邻两根钢绞线进行错位连接,最后再采用吊装铺设。渠底坡脚采用水平铺设2 m 作为固脚。南岸J3+240～18+220 段、北岸J16+870～18+220 段软体排排头系接在坡顶钢筋混凝土连系梁上；北岸3+240～16+870 段软体排排头系接在C60 预应力混凝土空心方桩上。

2.2 原设计方案存在的问题

（1）块体损坏率高。原设计排体孔隙率小,仅为5%,块体之间咬合紧密,吊装过程中块体容易受挤压破损,损坏率高,块体质量难以保证。

（2）适应变形能力差。原设计排体采用钢绞线串联,块体之间采用锁扣自锁,排体紧凑、变形能力小。派河河道天然弯道较多,北岸疏浚后不改变现有河道走势,局部段存在疏挖不到部位,这些部位高低起伏,容易造成排体悬空。

（3）施工受场地条件影响大。现有派河北岸大部分滩地处于常水位以下,施工设备无作业平台。南岸及城区段北岸虽然预留了亲水平台,但是平台宽度仅为 7.5 m,且离水面距离小,平台承载力差,无法供大型吊装设备作业。另外,原北岸排顶采用系排桩固定排头,在北岸无滩地的部位,系排桩无法实施。

（4）吊装效率低。由于河道长,铺排量大,施工期历时较长,采用吊装施工时,首先需要在岸上将块体穿接成排后再进行吊装,施工效率低下。在前期项目受疫情、汛情的不利影响下,施工进度受到严重影响,施工需要提高效率来加快工程进度,保障施工工期。

（5）铺排船工效高。根据调研国内的河道铺排案例,采用铺排船水下铺排时,铺排效率高,施工不受场地影响,进度容易控制。

基于以上缘由,为保障岸坡稳定,控制水下软体排质量,提高施工工效,切实推进水下软体排施工进度,对水下软体排的块体结构型式、预制块拼接布置、排布材料、系排方式等进行优化调整是必要的。

3 优化设计方案

根据现场考察及试验验证,采用预制块与铺排布有效连接后、采用铺排船施工方案是有效可行的。因此J002-1 标水下铺排方式采用铺排船进行水下作业施工。排体选择上,根据 《水运工程施工标准化建设指南施工工艺篇-内河航道整治工程》推荐软体排混凝土压载块建议,J002-1 标软体排结构型式调整为“x”型水下软体排；土工布调整为380 g/m2的丙纶复合布。

3.1 软体排预制块结构设计

“x”型水下软体排压载块体采用C25 混凝土预制块,混凝土强度等级为C25,块体长宽均为46 cm,厚度为12 cm,四周边缘采用3 cm×3 cm 倒角,单块材料用量为0.024 m3,重量约57.48 kg,单块之间连接采用φ14 的丙纶绳连接,单块之间净距为5 cm,孔隙率约19.6%。

联锁片由C25 混凝土预制块工厂化一次加工而成,初拟矩阵拟定为10 块×8 块（可根据实际排体长度调整）,矩阵外沿尺寸为4.03 m×5.05 m,预制块采用φ14 丙纶绳连接。

3.2 铺排布设计

铺排布采用380 g/m2丙纶复合布（230 g/m2长丝机织布和150 g/m2无纺布的复合布）,排布上垂直水流向长度与铺排长度相同,排布垂直水流向布置7 cm 宽丙纶加筋带,加筋带中心距为51 cm,即每条加筋带布置在预制块中间部位；在每个联锁片矩阵四周的加筋带上每间隔51 cm 设置一个7 cm 宽、直径约为8 cm 的丙纶带系环；排头和排尾平行于水流方向各设置一条加筋带,并设置丙纶带系环,加筋带与丙纶环的型式同上。

3.3 排体设计

软体排由铺排布及联锁片矩阵通过绑扎连接组织,根据工程实际,J002-1 标段最终选择滚筒长度为40 m 的大型铺排船,排布设计首先应考虑幅宽尽可能的接近滚筒长度,提高一次铺设宽度,从而提高工效；其次应考虑联锁片整片安装,避免浪费,节约成本。

幅宽（每幅排体平行于方向的总长度）设计应考虑排体的实际铺设长度应大于等于设计幅长。J002-1 标段铺排布的幅宽设计为：0.2×2（排布幅宽方向两侧超宽0.2 m）+9×4.03（联锁片的横向尺寸）+8×0.2（联锁片之间的间隙,垂直于水流方向间隙为20 cm）=38.27 m＜40 m（滚筒长度）,满足要求。

理论幅长（每幅排体垂直于水流方向的总长度）=坡面长度（J002-1 标段迎水侧坡比1∶4,平台高程8.6 m,河底高程1.8 m）+坡脚水平固脚（2 m）=28.04+2=30.04 m,结合联锁片的实际尺寸,实际幅长=0.2×2（排布排头和排尾超长0.2 m）+5×5.05（标准联锁片纵向尺寸）+1×4.03（非标准排体纵向尺寸）+5×0.1（联锁片之间的间隙,平行于水流方向间隙为10 cm）=30.18 m＞30.04 m,满足要求。

因此排布及排体的最终尺寸确定为38.27 m×30.18 m,平行于水流方向布置9 个联锁片,垂直于水流方向布置5 个标准联锁片,1 个非标准联锁片。

4 优化施工方案

4.1 软体排沉排优化

J002-1 标水下软体排铺设施工最终优化为利用大型铺排船通过水上作业的方式进行沉排。沉排遵循原则：1）垂直水流方向由岸边逐渐向河道中心铺沉；2）顺水流方向由下游向上游铺沉。C25 混凝土联锁片集中工厂化预制,强度达到设计强度的100%之后采用2000 t 的深舱自航驳通过水上运输至工作面与铺排船靠泊,铺排船利用自身GPS 定位系统将船体移动至需要铺排的位置后下锚固定,作业人员将排布在甲板上展开并卷入滚筒,人工将排布排头牵引至排头固定位置后绑扎固定,再利用船上吊机将联锁片逐片吊装至排布的指定位置,调整位置准确后,利用φ14 丙纶绳分别穿过联锁片预留锁扣及排布丙纶带系环后绑扎,平行于水流方向完成一排联锁片吊装及系排后开始沉排,移船沉排至甲板上排体宽度剩余2 块时（具体根据铺排船的甲板宽度和现场实际情况调整,以便于下一排联锁片系排为原则）停止沉排,开始下一排联锁片吊装绑扎,如此反复,直至排尾沉放完毕。沉排示意图见图1。

图1 沉排示意图

4.2 排头固定方式优化

针对J002-1标河道北岸实际情况,排头固定方式优化为：采用挖地沟、梯形C25 混凝土预制块压顶的方法固定软体排排头,地沟采用梯形断面,底宽0.6 m,深0.9 m,两侧边坡坡比 1∶0.5,地沟开挖后将软体排排头吊装至地沟内,沟底埋置1 块,沿梯形断面斜坡埋置2 块,确保地沟内每次预埋 3 块软体排预制块。后将C25 混凝土预制块压顶吊装于地沟内压住软体排排头,压顶采用C25 等腰梯形预制砼块,长度为2 m,底宽为0.58 m,顶宽为1.36 m,高度为 0.78 m,上部设置2 道钢筋吊环,方便吊装,见图2。

5 结论

通过采用C25 混凝土预制块联锁片的护岸软体排结构和铺排船施工的施工方法,取得了以下成果：

1）通过现场实施可见,取消原设计排体采用的钢绞线串联,减轻了混凝土预制块结构的单位面积重量以及优化预制块轮廓,可减小锁角部位破损,增强铺排、吊装的适应性,预制块破损少,整体效果较好。

2）由于混凝土预制块结构预制块轮廓的优化,可以有效避免原有设计方案中出现的矩阵吊起中折角处预制块挤压破损,预制块间联锁的卡扣破损严重等问题,能够有效降低块体损坏率,避免实际施工中施工困难等问题,提高材料利用率。

3）J002-1 标采用铺排船水下铺排的施工方法,依靠铺排船采用水上作业铺设大幅提高了铺排效率,高峰期单船每班可铺设完6000 m2,使施工不受场地影响,避免了由于河道长、铺排量大而导致的施工期历时长,吊装效率低下的问题。

通过参照国内软体排工程实例,采用C25 混凝土预制块联锁片软体排结构和铺排船施工方法,对引江济淮工程中护岸软体排结构和施工方面进行优化,在提质增效方面达到了设计预期效果,能较好地满足工程建设需要,对于类似工程具有较好的推广应用价值。