超大水深及流速條件下鋪排施工技術(shù).docx

1、超大水深及流速條件下鋪排施工技術(shù)馮海暴微，曲俐俐2(1,中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071；2.中國交建海岸工程水動力重點試驗室，天津300222)摘要：結(jié)合長江南京以下12.5m深水航道墊治一期及二期工程，采用滑板支撐式深水鋪排船，在一期工程中完成了35m水深、2m/s流速條件下的深水鋪排施工，并形成了深水鋪排施工工法，在二期工程施工中完成了46m超大水深條件下的鋪排施工，該技術(shù)革新了傳統(tǒng)的抗道整治鋪排施工采用滑板吊浮式鋪排裝備的施工方法，鋪排施工效率最快可達1222.2m2/h,鋪設(shè)排體單幅最長642.6m。關(guān)鍵詞：深水鋪排；35m水深；往復(fù)流速；固定支撐滑板中圖分類號：U6

2、15文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1002-4972(2017)02-0008-06Concreteinterlockingblocksconstructiontechnologyintheconditionoflargedepth-waterandvelocityFENGHai-baol2,QULi-liu2(1.TheSecondEngineeringCo.,Id.,ofCCCCFirstHarborEngineeringCo.Ud.,Qingdao266071.China;2.CCCCKeyHydrodynamiclaboratoryforCoastalEngineering,Tianjin3

3、00222,China)Abstract：Combinedwiththefirstphaseandthesecondphaseprujeclof12.5mdeepwaterchanneloftheYangtzeRiverdownstreamNanjing,usingthesupportinginclinedplategeotextiles-layingvessel,thedeepwatersinkingsoftmattrewasconstructed.Inthefirstphaseoftheprojectundertheconditionsof35mwaterdepthand2m/sveloc

4、ity,theconstructionmethodofdeepwatersinkingsoftmatlrewascompleted.Inthetwophaseofconstructionunderthe46niwaterdepthconditions,thesinkingsoftmattreconstructionwascompleted.Theconstructionmethodofwaterwayregulationrefonnsthetraditionallayoutconstructionusinghangingfloatingskateboardlayingequipment.The

5、constructionefficiencywasupto1222.2m2/h,andpavingsoftmattrelongestsinglerowbodyis642.6m.Keywords：deepwatersinkingsoftmattre;35mdepth;reciprocalflow;fixedsupportinginclinedplate收稿日期：2016-08-05作者簡介：馮海暴(1980)男.碩士.高級工程師.從事港口航道、沉管隧道等工程施工及研究工作.航道整治工程中軟體排鋪設(shè)多在20in水深范圍內(nèi)進行施工，水深超過20m時，對船舶性能、錨泊系統(tǒng)、施工工藝及裝備提出了極高的要

6、求，也是航道整治工程中的一項難題。隨著國家重點工程長江口深水治理一期、二期、三期工程相繼開工建設(shè)完成，航道整治技術(shù)也不斷提高?；炷僚朋w已大規(guī)模應(yīng)用于國內(nèi)的航道整治工程,1998年排體鋪設(shè)深度達到了9m；2007年隨著新一代深水鋪排裝備研發(fā)應(yīng)用成功，鋪排的深度達到了25m氣國外航道整治工程中，深水航道整治工程水深基本也在20m范圍之內(nèi)，對35m水深、2m/s流速的航道整治工程，沒有相關(guān)的技術(shù)研究。通過國內(nèi)外調(diào)研分析，國內(nèi)航道整治的發(fā)展逐漸以遠離岸邊深水區(qū)發(fā)展，國外的航道整治則多在淺水區(qū)。2012年國家重點工程長江南京以下12.5m深水航道一期工程整治建筑物工程開工，在通州沙II標(biāo)段水深復(fù)測時，

7、航道地形因洪季局部河段異常沖刷，最大水深35m、流速2m/s,施工條件非常惡劣，采用當(dāng)時鋪排能力最大的裝備典型施工時，在流速低于該工況時出現(xiàn)了走錨和驅(qū)動裝置被拉壞的現(xiàn)象。當(dāng)時國內(nèi)鋪排水深基本都在25m以內(nèi)，吊浮式滑板鋪排船和傳統(tǒng)技術(shù)無法滿足該工況下鋪排作業(yè)施工，需要開發(fā)超大水深條件下鋪排施工技術(shù)。1工程概況K江南京以下12.5m深水航道施工總河勢見i.i一期工程通州沙n標(biāo)段通州沙II標(biāo)段項目施工水域位于河口區(qū)，該河段為不穩(wěn)定分漢河道或水下暗沙河段，屬感潮河段，由于距河口較遠，潮波變形已十分顯著,潮汐作用相對較弱，自然條件下河床沖淤變化頻繁，施工區(qū)域地質(zhì)為粉細砂，河床條件較差，水道受徑流和潮流的

8、共同作用明顯，河道寬淺、暗沙密布，河床可動性大，存在異常沖刷的現(xiàn)象,統(tǒng)計顯示該水域平均潮差約為2.5m,最大的潮差可大于4.0m,在施工期間最大水深為35m,統(tǒng)計最大流速為2m/s,通州沙II標(biāo)河道灘槽見圖2,排體施工順序見圖3。圖2工程河勢灘槽圖3排體施工順序項目位于通州沙一狼山沙過渡段以及狼山沙區(qū)段，航道整治總長度約為9130m,潛堤及丁壩斷面護底結(jié)構(gòu)均為砂肋軟體排、混凝土聯(lián)鎖塊軟體排余排，鋪排作業(yè)主要工程數(shù)量約為343萬n?,其中砂肋軟體排約為30萬mJ鋪排工程數(shù)量見表1。表1鋪排工程數(shù)量排體類型結(jié)構(gòu)尺寸/mm數(shù)量/m砂肋軟體排43001000306275混凝上聯(lián)鎖軟體排480x480x

9、1202489016混凝上聯(lián)鎖軟體排480x480x)60567619混凝土聯(lián)鎖軟體排480x480x200674731.2二期工程和暢洲標(biāo)段二期工程和暢洲水道整治工程也屬感潮河段,該區(qū)域河床條件較差，水道受徑流和潮流的共同作用明顯，和一期工程具有同樣的河道寬淺、暗沙密布的情況，二期工程和暢洲水道設(shè)計高水位6.62m,設(shè)計低水位0.33m,施工期間選擇在枯水期進行，基本為單向下泄流，最大流速為1.08m/s,但鋪排水深可達46m,需要鋪設(shè)護底的單塊最長排體達642.6mo和暢洲水道河勢灘槽及工程布置見圖4、5。圖4和暢洲水道河勢灘槽和暢洲水道整治工程位于江蘇鎮(zhèn)江與揚州之間的鎮(zhèn)揚水道，工程包括1

10、0.771km護岸專項工程和新建2道長度1817、1919m的潛堤及接岸工程，工程量為拋石約181萬軟體排鋪設(shè)157萬n?（其中砂肋軟體排33萬n?）,以及沖灌砂被、堤心砂袋拋填等。3）計算參數(shù)由于一期工程施工在前，該技術(shù)的開發(fā)首先要滿足一期工程的施工條件，因此選取水深35m和流速2m/s作為計算參數(shù)，同時在二期工程條件下進行復(fù)核計算，得出最不利工況條件。2鋪排施工技術(shù)原理從錨泊系統(tǒng)、工藝操作等方面開發(fā)超大水深鋪排施工技術(shù)（圖6）。2.1錨泊系統(tǒng)通過現(xiàn)場試驗確定粉細砂地質(zhì)錨抓力抓重比系數(shù)，現(xiàn)場試驗檢測錨的起錨力，確定錨的選型和粉細砂地質(zhì)布錨方式，檢測粉細砂地質(zhì)錨的拖曳距離；錨纜力的受力計算，滿

11、足深水鋪排船舶在35m水深、作業(yè)流速2m/s的工況下的合理布錨方式，并選取適合于粉細砂地質(zhì)的錨泊系統(tǒng)。采用計算結(jié)合現(xiàn)場測試分析鋪排船作業(yè)時的最大錨纜拉力，得出適用于工程的錨泊系統(tǒng)，并通過解析計算分析核對，得出適用于深水航道整治工程中錨泊系統(tǒng)的合理設(shè)置。2.2深水鋪排控制方法通過滑板摩擦系數(shù)試驗，確定滑板與排體間的摩擦系數(shù)，設(shè)計滑板固定支撐體系，采用支撐式滑板鋪排施工替代傳統(tǒng)的吊浮式滑板鋪排施工，優(yōu)化滑板結(jié)構(gòu)，發(fā)明了滑板固定支撐式鋪排施工裝備，使滑板結(jié)構(gòu)重力、吊索受力大幅減小。在滿足深水鋪排作業(yè)的條件卜同時具有淺水鋪排的作業(yè)能力。采用GPS+聲吶技術(shù)，開發(fā)超短基線排體水下檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了水下實時

12、監(jiān)測排體的鋪設(shè)質(zhì)量和搭接長度，使得排體水下鋪設(shè)精度得到提高。改進操作方法，通過研究同步和異步放排移船施工技術(shù)，在鋪排裝備上安裝測力系統(tǒng)；利用測力系統(tǒng)實時檢測和控制放排長度和速度，利用錨泊測力系統(tǒng)，控制排體鋪設(shè)過程中錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使該方法可在流速2m/s往復(fù)流、作業(yè)水深范圍235m工況下施丁.作業(yè)，鋪排寬度達40.5m,鋪排效率不小于1000m3/ho3深水鋪排設(shè)計與計算分析3.1錨泊系統(tǒng)3.1.1錨泊系統(tǒng)設(shè)計原則錨泊系統(tǒng)設(shè)計須滿足工況條件下的作業(yè)受力要求，以及較高的工作效率。結(jié)合本工程排體規(guī)格，普通混凝土軟體排長度一般在200m左右,對于潛堤段超長排體長度最大可達400mo本文研究的排體幅

13、寬為38.5m,錨泊系統(tǒng)設(shè)計時一次拋錨鋪設(shè)完成普通排體，對于超長排體則通過兩次拋錨，以可有效提高鋪排施工效率為原則進行錨泊系統(tǒng)設(shè)計，為留有一定的余埴，設(shè)計布錨實現(xiàn)一次拋錨移船達250m,錨泊系統(tǒng)見圖7。圖7錨泊系統(tǒng)初步設(shè)計3.1.2錨泊系統(tǒng)受力分析1）水流力作用分析。本文研究的鋪排裝備滿足規(guī)定的錨泊系統(tǒng)受力設(shè)計要求，要求達到作業(yè)水深35m、流速2m/s的工況條件，軟體排鋪設(shè)錨泊系統(tǒng)設(shè)計分析中，排體鋪設(shè)移船作業(yè)時，根據(jù)圖7可知，錨泊系統(tǒng)與水流作業(yè)夾角隨船舶移動在逐漸減小，則錨纜在鋪排船移動過程中受力隨之變小。通過作業(yè)過程分析可知，初始布錨為最不利狀態(tài)，本文研究的受力模型以初始拋錨錨泊系統(tǒng)設(shè)計作為

14、最不利工況。水流作用力在文獻1中已經(jīng)有了詳細的計算分析過程，計算得軟體排受水流阻力為741.2kN,鋪排船受水流力為276.5kN；由于排體拖地承受一部分水流力，但為留有一定的安全系數(shù)，鋪排船舶的錨系設(shè)計考慮承受全部的水流對排布的作用力。2）大抓力錨試驗及選型。通過文獻2中詳細的試驗過程及結(jié)果分析,得出了HY-14錨的抓重比為8,HY-17最大抓重比可達到10,海軍錨最大抓重比可達到5,HYD-14最大抓重比可達到11,該技術(shù)數(shù)據(jù)為試驗所得,但和規(guī)范文獻中的數(shù)據(jù)有一定偏差，在粉細砂地質(zhì)條件F,試驗取得的錨抓力的抓重比系數(shù)具有較強的指導(dǎo)意義。3.1.3錨泊系統(tǒng)測試驗證錨泊系統(tǒng)纜系受力測試驗證采用

15、新研究的35m水深鋪排裝備，吃水為2.3m,裝備船長75m、型寬26m,利用三根軸測力裝置，通過傳感器采集纜繩對輾軸的壓力，換算出纜繩的受力，由于三輾軸測力方案較成熟且在多個工程中成功應(yīng)用，因此采用了三輻軸測力方案應(yīng)用于纜力測試，通過連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，并對應(yīng)流速和潮位，進行現(xiàn)場纜力測試，纜系布置為一次移船250m的布纜方案。根據(jù)工況在施工現(xiàn)場進行相應(yīng)的受力測試和計算比對，通過5d的時間測試到水流流速區(qū)間為0.8-1.98m/s的6萬個數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)提取和篩選。單纜力測試和計算數(shù)值差5.1-35.14kN,偏差為1.35%8.78%,通過預(yù)留2倍安全系數(shù)為纜力設(shè)計值完全可滿足施工要求。3.2鋪排工藝

16、3.2.1深水鋪排方法B圖8同步放排操作深水鋪排施工分為同步和異步放排移船兩種。同步放排移船施工方法操作見圖8。異步放排移船鋪排方法是在同步方排操作的基礎(chǔ)上再次放松排體至排體垂直狀態(tài)。同步放排移船施工需要邊放排邊移船，放排和移船連續(xù)操作容易出現(xiàn)移船和放排不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致船體和排布局部受力過大的現(xiàn)象。異步放排移船施工將放排和移船分開進行，步驟明確易于控制。本工程工況惡劣，船舶和排布受力都需要精確控制，需要明確地分開施工步驟，因此這里采用異步放排移船施工方法鋪排施工。3.2.2異步放排移船工藝受力分析1）計算參數(shù)。纜力設(shè)計值取2倍安全系數(shù)，船舶鋼質(zhì)纜繩的配備按國家標(biāo)準(zhǔn)GB8918-2006重要用途鋼絲

17、繩規(guī)定的安全系數(shù)選取；排頭沉放相應(yīng)計算以首次超放重疊3m為例，見表2。表2首次放排移動船舶使排體被拉開至臨界懸鏈線狀態(tài)時技術(shù)參數(shù)項目數(shù)值輸入值總水深35m設(shè)定值水面至滑板端部距離1.9m設(shè)定值滑板端部至河床深度H33.1m設(shè)定值排布寬度38.5m設(shè)定值聯(lián)鎖塊水下每米質(zhì)ktg760t設(shè)定值首次超放排體長度L3m設(shè)定值滑板端部至河床放排總長度HL36.1m計算值排布與基床摩擦系數(shù)“0.5實測值求a單變址方程10.00等式值懸鏈系數(shù)a1.00求解值求X單變仙方程0.00等式值懸鏈線橫坐標(biāo)X4.24m求解值懸鏈線長度S34.09m求解值首次移船長度86.25m求解值擂布鐳底長OL2.01m求解值排布拉

18、力T2591.9kN求解值水平移船力76.36kN求解值Tsin00.9995求解值排體與水平線夾角088.310求解值放排長度至垂直狀態(tài)3.25m求解值注：計算公式見文獻1】。35m水深排頭沉放超放排體完全被拉開時的技術(shù)參數(shù)，超放排體長度1.55.0m（每次計算增幅為0.5m）,需要的移船長度為3.59.6m,水平移船力為38.1127.7kN,排布拉力為2553.72643.3kN,排布臥底K度為1.0-3.36m,懸鏈線夾角為87.2-89.2。35m水深正常鋪排移船長度對應(yīng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)值，超放排體長度1.55.0m（每次計算增幅為0.5m）時，移船長度為1.55.0m,水平移船力為26

19、.8144.3kN,排布拉力為2542.42659.9kN,拉起排布臥底長度為0.4-1.9m,懸鏈線夾角為86.9-89.4。船舶在軟體排排頭沉放時，控制水流流速v在不大于0.5m/s的作業(yè)窗口下進行，此時取最大控制值0.5m/s作為計算流速，已取正向迎流，此時船舶滑板端部以下長度排體為33.1m,排體寬度為38.5m,則排體迎流面積為1274.35m2,水流阻力系數(shù)在流向角為20。時取值為0.85，正向迎流時迎流面積最大，此時阻力系數(shù)取值為1,按規(guī)范1引計算得水流力Fw為159kN,q值為聯(lián)鎖片水下重力76kN/m,排體與基床摩擦系數(shù)經(jīng)試驗測試為0.5,由于排體水下臥底承受的水流力上下各分

20、1/2保守（實際1/3）計算，需要臥底最小長1F,度乙心=3-7=2.09mo3.2.3結(jié)果分析結(jié)合一期工程的計算結(jié)果，在二期工程條件下進行復(fù)核計算，由于流速和排體的作用力成平方關(guān)系，一期工程的35m水深、2m/s流速工況條件比二期工程46m水深1.08m/s對排體作用力更大，工況條件更惡劣，因此該技術(shù)滿足一期工程工況條件下亦可滿足二期工程施工條件。根據(jù)本工程施工中的最不利工況分析計算，得出混凝土軟體排受力最大可達到2752.1kN。3.3測控采用人工打水陀和浮漂倒垂法檢測和驗收。水深淺于20m時浮漂倒垂法測irt精度可達到1m左右；水深超過20m時，誤差大，測量精度難以保證。該方法施工效率低

21、、人工占用量高且精度較低，無法實現(xiàn)精確測量，造價也較高。本文針對該情況開展了測控系統(tǒng)的調(diào)研，可利用聲吶測控技術(shù)的方式實現(xiàn)水卜-構(gòu)件的定位，依靠側(cè)掃聲吶掃測圖像和多波束檢測數(shù)據(jù)相結(jié)合作為最終的驗收依據(jù)，其超短基線測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與多波束掃測結(jié)果相符合，測控精度滿足要求。4應(yīng)用效果分析在長江南京以下12.5m深水航道整治一期工程通州沙II標(biāo)段工程中制造出2艘鋪排水深達35m、流速2m/s的鋪排船，鋪排船最快速度達1222.2m2/ho在二期工程和暢洲水道整治施工中鋪設(shè)最長642.6m的超長排體，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，操作方法簡單，實現(xiàn)了高效率、高精度的鋪排施工。根據(jù)鋪排現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，鋪排平面精度控制偏差不大于0.3m,采用該方法進行鋪排與傳統(tǒng)的滑板吊浮式鋪排施工方法相比，提高施工效率近1倍。鋪排效果見圖9。圖9和暢洲HL2堤身處地形及鋪排效果5結(jié)論1)設(shè)