軟體排縮排原因分析及控制

董朝明，王興超，林垂興，徐海潮

（長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011）

1 軟體排沉排控制必要性

長江作為我國唯一一條貫穿東西部的內(nèi)河航道，對我國流域經(jīng)濟和世界經(jīng)濟的發(fā)展都有著舉足輕重的作用。建設(shè)好長江航道不僅能促進沿江沿岸生產(chǎn)力和經(jīng)濟的發(fā)展，而且還能加快沿江產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和提高港口綜合服務(wù)能力，因此發(fā)展長江航道對我國經(jīng)濟和社會發(fā)展都有著重要的戰(zhàn)略意義[1]，長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程正是在此背景下應(yīng)運而生。

長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程主要由軟體排護底和拋石筑壩組成。在一期工程中，施工區(qū)域四個標(biāo)段鋪排總量達(dá)1 370萬m2，鋪排單項投資造價達(dá)17.8億元，占工程總概算的34%。在施工過程中，為保證鋪排質(zhì)量，防止排體邊緣被淘刷，相鄰排體需預(yù)留一定的搭接寬度，但由于排體在沉排過程中受重力和各種環(huán)境因素的影響，排體沉放后會在排寬方向上出現(xiàn)收縮，通常只能通過增加水面上的搭接寬度來確保排體著床后滿足設(shè)計搭接寬度要求，既浪費原材料，又增加施工成本。

開展軟體排沉排控制研究，減小排體沉放過程中收縮，能顯著提高軟體排鋪設(shè)效率和降低施工成本，也是大力支持我國節(jié)能、降耗、低碳、可持續(xù)發(fā)展的一種具體體現(xiàn)。

2 軟體排介紹

長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程的護底工程主要由混凝土聯(lián)鎖排組成，其中混凝土聯(lián)鎖排由排布和混凝土聯(lián)鎖塊構(gòu)成。軟體排平面位置如圖1所示。

2.1 排布

排布也稱土工織布，起到隔離泥沙、防止淘空、防水滲透、反濾、抗沖等作用，由于排布較輕，無法沉入到江海河床底部與河床緊密黏附，故需在其上壓載較重的混凝土聯(lián)鎖塊，從而對排布提出了更高的質(zhì)量要求。通常排布采用500 g/m2復(fù)合布結(jié)構(gòu)形式，由350 g/m2的長絲機織布復(fù)合150 g/m2的無紡布而成，排布沿排寬方向每隔50 cm設(shè)有1根或2根寬5 cm的縱向丙綸加筋條（根據(jù)混凝土聯(lián)鎖塊重量決定加筋條數(shù)量和寬度），用于固定系結(jié)環(huán)和增加土工織物的抗拉強度[2]，其長度與排布長度相同。

圖1 混凝土聯(lián)鎖排平面位置Fig.1 Planeposition of concrete interlocking blocks

2.2 混凝土聯(lián)鎖塊

混凝土聯(lián)鎖塊由C30混凝土塊和聯(lián)接繩構(gòu)成，平面形狀呈正方形，應(yīng)用最多的混凝土聯(lián)鎖塊尺寸為48 cm×48 cm×12 cm，混凝土聯(lián)鎖塊單元結(jié)構(gòu)如圖2所示?；炷谅?lián)鎖塊通過聯(lián)接繩預(yù)制串聯(lián)成片，用1 000 t左右運輸船運至施工現(xiàn)場，成片吊裝并放置在鋪排船排布上，與之連接后沉入河床底部。

圖2 混凝土聯(lián)鎖塊單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Concrete interlocking block structure

2.3 軟體排施工工藝

軟體排施工經(jīng)過數(shù)十載發(fā)展，施工技術(shù)較為成熟。軟體排施工工藝一般流程為：①鋪排船定位：將鋪排船定位至設(shè)計的鋪排區(qū)域；②卷排：利用吊機將排布平滑卷入到滾筒上；③混凝土聯(lián)鎖塊運輸：通過運輸船，將混凝土聯(lián)鎖塊從預(yù)制廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場；④混凝土聯(lián)鎖塊吊裝：在起重工的指揮下，混凝土聯(lián)鎖塊采用桁架固定，將其由運輸船吊至排布的指定位置；⑤軟體排綁扎：混凝土聯(lián)鎖塊吊裝后，將混凝土聯(lián)鎖塊的聯(lián)接繩與排布的系結(jié)環(huán)綁扎在一起，使混凝土聯(lián)鎖塊和排布構(gòu)成一個具有柔性的整體；⑥軟體排沉放：在混凝土聯(lián)鎖塊橫向吊裝并綁扎一排后，調(diào)整船體的滑板，使其處于45°傾角，并松開卡排梁及滾筒，緩慢、勻速移船，利用混凝土聯(lián)鎖塊自重使軟體排沿著滑板徐徐沉入河床底部[3]。

3 軟體排沉排縮排原因分析

為了充分了解縮排原因，本研究通過現(xiàn)場調(diào)研，整理資料，分析得知軟體排沉排收縮主要有以下幾個原因。

3.1 卷排排布未能完全展開

卷排是鋪排船定位后緊接著的一道重要工序，卷排質(zhì)量直接影響著排體收縮量。常規(guī)卷排流程是：使用吊機將排布吊至甲板上，操作工人在吊機協(xié)助下將排布展開，將排尾拉環(huán)和滾筒上鋼纜相系，啟動滾筒開關(guān)，排布自動卷入滾筒，與此同時工人們站在滾筒兩邊用力繃緊排布，以防排布皺折、收縮。但在實際操作過程中，由于排布質(zhì)量和面積均較大，而工人數(shù)量有限，并且工人拉力方向又不一致，有時還存在風(fēng)浪天氣的影響，排布難以完全展開，從而導(dǎo)致卷排后排布出現(xiàn)收縮，卷排質(zhì)量無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.2 吊放聯(lián)鎖塊產(chǎn)生擠壓

鋪排船完成卷排就立即進行吊放聯(lián)鎖塊和鋪設(shè)工作。為了提高工效和加快鋪設(shè)進度，一般由2臺吊機同時將聯(lián)鎖塊吊放到排布的指定位置，然后再將聯(lián)鎖塊的聯(lián)接繩和排布的系結(jié)環(huán)綁扎在一起。理論上上述工序會造成縮排，實際施工過程中，吊機將聯(lián)鎖塊吊放到排布上后，由于聯(lián)鎖塊間相互擠壓，排布勢必會向中間收縮，與此同時，如果排布中間存在折疊，而聯(lián)鎖塊又是由排邊向中間吊放，此時由于聯(lián)鎖塊較重，折疊區(qū)域排布無法人為拉直，從而加劇了排布收縮。

3.3 船首尾傾斜

常規(guī)鋪排船的駕駛室、生活區(qū)和機械都位于船尾，而船倉位于船頭處，因而船頭處較輕，船尾處較重。根據(jù)杠桿和浮力原理，船頭會上浮，船尾會下沉，從而導(dǎo)致船頭比船尾略高，但由于船長不易發(fā)現(xiàn)船首尾傾斜，從而不能及時向船頭倉注入壓載水以保持船首尾平衡。此時進行鋪設(shè)施工作業(yè)，鋪設(shè)在船頭方向的聯(lián)鎖塊在重力作用下一定會向船尾方向滑動，從而致使聯(lián)鎖塊相互靠攏聚集在一起，造成排布收縮[4]。

3.4 重力、水流影響

當(dāng)完成一排聯(lián)鎖塊的吊放和綁扎后，鋪排船就開始排體沉放。在沉放過程中，在重力、水流作用下，在水中部分的排體呈現(xiàn)“U”形狀態(tài)，其在水流方向存在一定的投影面積，投影面積上受到水流作用力，從而導(dǎo)致水中聯(lián)鎖塊相互擠壓，同時聯(lián)鎖塊橫向間的排布收縮，進而加劇排體的“U”形狀態(tài)，投影面積變大，排體收縮愈演愈烈[4]。

4 排體收縮控制關(guān)鍵技術(shù)

從上述排體收縮原因分析可知，除“卷排排布未能完全展開”受人為因素影響較大，并且因鋪排工藝原因當(dāng)前無法徹底解決外，其他皆為由于某些因素產(chǎn)生作用力而導(dǎo)致聯(lián)鎖塊擠壓或移動，造成聯(lián)鎖塊間的柔性排布收縮。因此，如何抵消這些作用力是解決沉排排體收縮的關(guān)鍵。

4.1 排體收縮控制原理

針對縮排原因分析，研究思路為在聯(lián)鎖塊間增加構(gòu)件，在排體收縮時起到頂撐作用，從而有效阻止聯(lián)鎖塊排收縮?？s排控制原理如圖3所示。

圖3 軟體排縮排控制原理Fig.3 The shrinkage control principlesof soft mattress

4.2 材料選型

由于構(gòu)件安置在聯(lián)鎖塊之間，并且用于鋪排護底工程中，故構(gòu)件除需要滿足較高強度外，還需滿足一些其他特殊技術(shù)指標(biāo)，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 構(gòu)件技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicator of the concrete member

通過層層篩選，最終符合要求的原材料是混凝土和高強度工程塑料?；炷辆哂性牧县S富和制作工藝簡單的特點；高強度塑料具有質(zhì)量較輕和價格低廉的特點，但由于構(gòu)件安置在排體上，并且最終會隨軟體排一并沉入河床底部，考慮到采用高強度工程塑料會對環(huán)境產(chǎn)生污染，因此混凝土成為了制作構(gòu)件原材料的首選。

4.3 構(gòu)件設(shè)計流程

本構(gòu)件在航道整治工程中首創(chuàng)，無任何經(jīng)驗和相關(guān)文獻(xiàn)資料可供參考。按照需求引導(dǎo)設(shè)計、設(shè)計試驗相結(jié)合的方法逐步開展。通過現(xiàn)場調(diào)研、內(nèi)部評審、修改及不斷試驗，逐步完善設(shè)計，并將構(gòu)件應(yīng)用到鋪排施工中。構(gòu)件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 構(gòu)件設(shè)計流程Fig.4 Design flow of theconcretemember

4.4 構(gòu)件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過多次反復(fù)優(yōu)化，結(jié)合實用性和經(jīng)濟性的原則，并考慮制作工藝和便于搬運安裝，最終確定構(gòu)件為軸對稱長方體結(jié)構(gòu)，具體尺寸為180 mm×180 mm×120 mm。如圖5所示。

圖5 防縮排構(gòu)件Fig.5 Shrinkageprevention members

構(gòu)件由混凝土塊體、側(cè)面梯形凹槽、頂面楔形槽和預(yù)埋鐵絲組成。其中，混凝土塊體主要用于抵消聯(lián)鎖塊作用力和支撐柔性排布；側(cè)面梯形凹槽用于卡住兩側(cè)聯(lián)鎖塊，防止聯(lián)鎖塊拱起；頂面楔形槽用于放置附近聯(lián)鎖塊聯(lián)接繩；預(yù)埋鐵絲用于固定楔形槽的聯(lián)接繩，防止沉排過程中構(gòu)件側(cè)滑或拱起。

防縮排混凝土構(gòu)件綁扎在排布上聯(lián)鎖塊之間。

4.5 施工工藝

主要工藝與鋪排施工工藝大體相似，但由于增加混凝土構(gòu)件，鋪排施工有獨特之處。本研究鋪排主要工藝是：①前期準(zhǔn)備。前期工作主要完成鋪排船定位、排布卷入滾筒和校正鋪排船船位，與此同時，完成排布、聯(lián)鎖塊和混凝土構(gòu)件的運輸和靠泊工作；②鋪設(shè)施工。鋪設(shè)施工主要完成聯(lián)鎖塊和混凝土構(gòu)件的鋪設(shè)。首先，將聯(lián)鎖塊吊運至排布指定位置，然后，將混凝土構(gòu)件搬運至排布上聯(lián)鎖塊的間距位置，再次，綁扎聯(lián)鎖塊與排布，同時綁扎混凝土構(gòu)件和聯(lián)鎖塊；③后期檢測。吊運并綁扎完一排后，立即對排體進行甲板上測量，檢測縮排數(shù)據(jù)，整張排體沉排后，及時對排體進行沉排施工后的檢測。施工工序流程如圖6所示。

5 試驗

為了驗證構(gòu)件橫向縮排控制效果，在長江南京以下12.5 m深水航道一期工程的通州沙I標(biāo)的超前護底區(qū)域TQ-315和TQ-316兩張相鄰排體進行對比試驗。試驗排體長240 m，寬38.5 m，試驗區(qū)域水深在13～15 m，受環(huán)境因素影響較大，在此區(qū)域試驗可真實反映環(huán)境對鋪排的影響和防縮排效果。

圖6 施工工序流程圖Fig.6 Construction process flow chart

5.1 試驗過程

在試驗區(qū)域試驗時，首先對TQ-315試驗排體吊裝聯(lián)鎖塊并綁扎；然后在相鄰兩塊聯(lián)鎖塊橫向間均勻布置2個混凝土構(gòu)件，并將聯(lián)接繩分別固定在混凝土構(gòu)件的4個楔形凹槽中（圖7）；最后擰緊混凝土構(gòu)件鐵絲，確?；炷翗?gòu)件穩(wěn)固，牢靠，不滑動。按照以上工序放置好一排聯(lián)鎖塊后，立即測量當(dāng)前一排聯(lián)鎖塊在甲板上的縮排量并記錄。當(dāng)整張排體沉放后，立即組織測量人員對排邊坐標(biāo)進行測量，確定水下縮排量。

圖7 現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Site photos

TQ-316試驗對比排體與之類似，除沒有放置防縮排構(gòu)件外，其他工序、流程及環(huán)境條件與TQ-315基本一致。

5.2 試驗數(shù)據(jù)

在進行試驗中，記錄了2張試驗排體甲板縮排數(shù)據(jù)，如表2所示。排體鋪設(shè)結(jié)束后，待平潮時，通過利用天寶RTK-GPS采取排體的浮標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過利用上下排邊坐標(biāo)即可計算出河床底部排寬，見表3。

表2 對比試驗甲板縮排Table 2 Contract test data of soft mattress shrinkage on deck

表3 試驗排鋪設(shè)后排寬檢測數(shù)據(jù)Table 3 Test data of the mattresseswidth after paving the tail mattresses m

5.3 試驗結(jié)果

通過試驗數(shù)據(jù)分析，放置有混凝土防縮排構(gòu)件的TQ-315排體，在甲板上的縮排量平均為0.52 m，在河床底的縮排量平均為0.75 m。在相同自然條件下，沒有放置混凝土防縮排構(gòu)件的TQ-316排體，在甲板上的縮排量平均為0.81 m，在河床底的縮排量平均為1.53 m（見表3）。放置有混凝土防縮排構(gòu)件的排體收縮量明顯減小。

6 結(jié)語

通州沙深水航道區(qū)域航道整治的護底軟體排受水流、潮汐影響，縮排極為嚴(yán)重，為此從軟體排施工工序入手，分析了排體收縮原因，探討了混凝土構(gòu)件控制排體收縮原理，研究了混凝土防縮排構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果表明可有效控制排體橫向收縮。

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