关于四面六边体护岸技术的几点浅见

高兴福 王 伟

(南京市水利规划设计院有限公司 南京 210006)

江河湖泊及堤防和岸滩的安全稳定一直以来是各级党和政府水利工程建设和管理的核心问题。长期以来,为了实现护堤固岸,采用过各种各样的技术和方法,其中水下护岸常采用:平顺抛石、混凝土铰链排、模袋混凝土、压载土工织物软体排等措施。直到二十世纪90年代,西北水利科学研究所,江西水利科学研究所等提出了一种新型的护堤固岸技术,利用抛投四面六边透水框架群来护堤固岸,并在一些实际工程中得到应用,取得了良好的工程效果。长江南京河段采用该技术在新济洲尾右缘、八卦洲左缘和三江口节点护岸工程中加以应用,本人有幸参与了其中两个工程的施工监理,通过四面六边体透水框架护岸理论的学习和实践,结合实际应用效果分析,表达自己一些粗浅的看法。

1 与传统护岸比较的优势

与传统的护岸方式相比,四面六边体透水框架群护岸技术集生态保护、防洪护岸和固滩为一体,具有明显的性能和造价优势。

1.1 作用机理评价

护岸结构形式多样,就护岸机理而言,可分为抗冲护岸 (也称 “阻水”式防护)和减速护岸 (也称 “亲水”式防护)两类。抛石护岸、混凝土铰链排、模袋混凝土等传统护岸方式对水流采用的是集中消能,这样一方面不但会造成水流对防护措施的严重冲击,加快防护措施本身的破坏,而且当防护措施被破坏后将会增强水流对提防岸滩的破坏。

四面六边体透水框架群是通过内部众多框架体的杠件来阻水,杠件在阻水的同时也实现了对水流的消能。因此利用框架群这种同时具备透水和阻水消能的特点,可以对水流进行多层次、分级式消能逐步消弱水流的冲刷能量,减低水流对提防岸滩的冲刷,实现了从传统护岸技术中的集中消能到逐步分级式消能的转变。当水流经过四面六边透水框架群的消能后流速小于泥沙的沉降速度时,将会促进水体中泥沙的淤积沉淀,从而进一步增强了对堤防岸滩的保护。

1.2 生态效应评价

传统的护岸方式在施工和使用过程中,很大程度上改变了区域局部的水流条件和地形条形,对部分水中生物和岸滩两栖生物,如某些甲壳类和浮游生物的栖息、繁殖环境造成严重的破坏和影响。

而四面六边体框架本身是透水的,框架体与框架体之间也有很大的空隙,这就为一些底栖、浮游、附着生物提供了栖息场所,为岸滩两栖生物提供了生活通道,起到了生态防护的目的。

1.3 经济效果评价

据有关部门统计,长江南京河段采用抛石、四面六边体框架群、混凝土铰链排三种护岸形式的费用分别为70元/m3、60元/m3、95元/m3,可见四面六边体框架群工程费用最低。而且传统护岸采取的是集中消能,工程使用过程中须不断加强维护、补充甚至重新施工,可见传统的方法虽然在短期内防护效果比较明显,但从中、长期来看存在着工程量大、投资大、维护费用大等不足之处。四面六边体框架群具有自身稳定性好、透水、基础不易被冲刷、适合地形变化的特性,避免了传统抛石护岸根石不稳的问题。

2 优化框架群减速效应的几个规律

2.1 杆件长细比对减速率的影响

将杆件长度 (fn)与杆件边长 (b。)之比称为杆件长细比。综合室内试验结果,当框架群架空率s=4.8～5.0,杆件的长细比fn/b。=16时,减速率最高。设计时一般取值范围为fn/b。=10～20。为保证施工质量,杆件断面最小尺寸不得小于0.06 m;为方便施工搬运和抛投,杆件的长度以fn=1.00 m为宜。值得注意的是,当长细比取值太大,受边长 (b。)的限制,一方面框架自重和尺度加大,不便抛投施工;另一方面杆件结构强度不易满足。

2.2 框架群长度对水平顺水流方向减速效果的影响

根据不同投放长度下框架群产减速效果试验,在不同架空率下,随着框架群抛投长度的增加,框架群后测点处减速率在迅速增大,但当抛投长度超过20m后,随着抛投长度的持续增加,对框架群后测点流速的影响没有明显增加,流速减速率变化仅在5%以内。

因此,抛投长度大于20m是不经济的,而当抛投长度为10m时,其相对减速率与20m相近,但是抛投长度小于10m后,则框架群后测点的减速率急剧下降,不能起到一个有效的减速作用。考虑到工程施工及安全,建议工程中框架体抛投长度取10m～20m较为适宜。

2.3 框架群间隔区长度对减速率的影响

工程实践证明,顺直河段采取间隔抛投 (布置)四面体,在节省工程投资的同时也能得到较好的减速效果。

试验表明:在框架群抛投长度一定的情况下。随着框架群间隔长度的增加,减速率逐渐降低。当间隔长度为+∞,抛投长度为0时,对水流无任何影响,当间隔长度等于0时,可看成是全面抛投,即抛投长度为+∞,经对框架群长度与减速率的关系分析,这种抛投方式也不可取。当间隔长度小于10m时,曲线比较平缓,减速率随间隔长度的增加变化不大;当间隔长度大于10m时,曲线明显变陡。减速率显著下降。在间隔长度大于30m时,曲线又稍趋平缓,但此时减速率太小,已很难起到护岸固堤的作用。因此,当工程要求减速率较高时,间隔区长度应不大于10m。

2.4 框架抛投密度对减速率的影响

根据已有工程的应用经验,由护岸需要的抛石厚度 0.75m～1.50m折算为 0.975～1.95架/m2(抛护厚度与抛投层数的折算按架空度ε=6计算,即每平米抛护面以1m抛石厚度折算为抛框架1.3架)。

3 框架制作与抛投施工监理注意事项

3.1 杆件制作方面

(1)四面六边体杆件制作量大、结构单一、形状规则,监理在审批施工组织设计时应建议施工单位选用定型组合钢模,以利于组织大规模流水作业,保证杆件的外形尺寸准确,成型面光洁。一套组合钢模最好一次性浇注6根杆件,正好组装一个框架。

(2)预制场地规划。四面六边体框架一般量大,劳动强度高,因此前期场地规划显得尤为重要。如果按长1.0m的杆件考虑,钢模组装后加上预埋钢筋外伸长度和一定的作业空间,一套组合钢模的占地面积约1.5m2,同时考虑养护、运输通道的占地面积,根据工期如果每天计划完成1个框架,则预制场地硬化区占地面积至少为4m2,综合考虑搅拌站 (包括砂石堆场、水泥库房和砼搅拌机),钢筋加工场等占地面积,整个场地硬化区占地面积至少为52/架。同时也要配套建设杆件堆放、焊接拼装和成品堆放场地,面积几乎与预制场地相当 (可铺20cm厚道渣,并要保持排水通畅)。

(3)因杆件截面只有100×100mm,在砼配合比设计时,建议施工方粗骨料宜选用坚硬密实,具有足够强度的卵石或碎石,最大粒径宜小于20mm、其中5mm～20mm的量占55%,10mm～20mm的量占45%,强度50MPa以上、级配良好的碎石。

(4)预制构件的转场、堆放及运输。监理应严格控制预制构件转场的时间,应达到设计强度的70%方可同意转场,可采用同期同条件养护条件下砼试压块进行试压。转场时堆放的场地要平稳坚实,不得产生过大的不均匀沉降.支点垫木的间距应一致,并保持在同一平面上,堆码高度一般不超过十层,防止底部杆件被压断。

转场时每根杆件应用不易褪色的颜料标明生产日期,同一天生产的杆件应集中堆放,并按日期顺序排列,排与排之间应留有足够宽度的运输道路;同一堆放区应制作标牌醒目标示,标牌上应标有同一批次杆件的数量、混凝土标号、生产日期。出库时应有专人按 “先进先出法”指定出库区进行焊接拼装,以保证杆件得到充分养护。监理在日常巡查中要注意察看现场焊接拼装时杆件标明的预制日期,达不到保养时间的杆件,要坚决要求退回,重新发料。

3.2 杆件抛投方面

(1)四面六边体抛投落距计算公式。在相同水流条件下相同重量四面六边体的落距大小与抛石的落距大小相近。计算四面六边体的落距同样可采用块石的以重量计的公式形式,即:

式中Lt为四面六边体的落距;k2为系数;W为四面六边体的重量kg,v为流速,h为水深 。

根据试验资料,取平均值确定四面六边体落距公式系数2的值为0.795。

定位船根据流速和水位及时调整船位是定位准确的关键,施工过程中抛方监理应要求施工方根据水位和潮水涨落情况勤测流速、水深等参数,及时计算调整抛投提前量。

(2)施工区域划分。四面六边体抛投施工的关键是合理划分施工小区 (网格),而施工网格的划分主要依据所进场的船型。根据以往抛投的经验,结合目前南京地区从事装、运石作业的船只的具体情况,可建议施工单位将施工小区 (网格)划分为15m(宽)×30m(长)的标准网格,每个标准网格再分为上、下两个半区进行抛布,宽度不足15m的抛区可划分为定宽的小区进行施工。

(3)测量、放样。由于四面六边体施工位置是位于水中,无法在水中确立施工位置,因而需在与施工位置对应的岸上设立标志,以确定施工位置。

测量放样方法:

①在抛区附近的岸边,根据建设单位提供的控制点,采用前方交会或后方交会的方法在岸上测设一点,由此点放出施工基线。

②根据测设的已知点设立一条正基线 (平行于抛区长度方向)或斜基线 (不平行于抛区长度方向)。

③在基线上根据各施工小区的长度划分放出各基线桩。

④由基线桩上测设出各断面桩 (方向桩),方向桩应垂直于抛区长度方向。

在测量放样中应由专业测量工程师会同业主进行测设点的交点、设点工作。测量过程中应选择有代表性的断面桩进行复核,据以确定测量成果是否符合精度要求。

(4)装框架驳船的选用。为保证框架抛布均匀,在抛投施工中监理应控制驳船的规格,使得驳船尽量符合依据设计图纸划分的抛区网格,根据以往经验,要求投入施工的装运船只长度约为20m～30m,宽约5m～7m,装框架长度约15m,以保证抛布连续、均匀,不留空档。监理在进场设备报审时要对进场船舶的船型加以重点控制,与网格划分不相符的船舶要杜绝进场使用。

(5)准确定位。根据在岸上在测量放样放出的断面桩位处插上定位断面花杆,移动定位船,使定位船上舷或下舷与断面花杆成一直线。在断面花杆的直线上,在定位船上用六分仪交会定位。定位船移位应旁站监理,定位船移位记录要有现场监理签字认可。

图1 测量放样示意图

4 结语

四面六边体透水框架由传统阻水集中消能的方式改变为分布式、多级消能,自身稳定性好,适应河床变形能力强,具有降低流速,促使泥沙迅速落淤,从而达到减速促淤的目的。避免了传统抛石护岸根石不稳、工程投资大、后期需长期维护补充等不足之处,也保持了原生态系统的连续性和完整性,可广泛应用于构筑河道控导工程、护脚护坡、防止和治理崩窝等工程。

在杆件的长细比设计和框架群的空间布置中,要充分运用规律优化框架群的减速效应,降低成本,发挥效益。

施工监理在审批施工组织设计、专项方案时要从模板选用、配合比设计、网格划分、船型选择、测量放样、准确定位等方面优化施工工艺,协调各工序间的平衡衔接,以利提高工作效率,确保工程质量。