软体排缩排原因分析及控制

董朝明，王兴超，林垂兴，徐海潮

（长江南京航道工程局，江苏 南京 210011）

1 软体排沉排控制必要性

长江作为我国唯一一条贯穿东西部的内河航道，对我国流域经济和世界经济的发展都有着举足轻重的作用。建设好长江航道不仅能促进沿江沿岸生产力和经济的发展，而且还能加快沿江产业结构调整和提高港口综合服务能力，因此发展长江航道对我国经济和社会发展都有着重要的战略意义[1]，长江南京以下12.5 m深水航道建设工程正是在此背景下应运而生。

长江南京以下12.5 m深水航道建设工程主要由软体排护底和抛石筑坝组成。在一期工程中，施工区域四个标段铺排总量达1 370万m2，铺排单项投资造价达17.8亿元，占工程总概算的34%。在施工过程中，为保证铺排质量，防止排体边缘被淘刷，相邻排体需预留一定的搭接宽度，但由于排体在沉排过程中受重力和各种环境因素的影响，排体沉放后会在排宽方向上出现收缩，通常只能通过增加水面上的搭接宽度来确保排体着床后满足设计搭接宽度要求，既浪费原材料，又增加施工成本。

开展软体排沉排控制研究，减小排体沉放过程中收缩，能显著提高软体排铺设效率和降低施工成本，也是大力支持我国节能、降耗、低碳、可持续发展的一种具体体现。

2 软体排介绍

长江南京以下12.5 m深水航道建设工程的护底工程主要由混凝土联锁排组成，其中混凝土联锁排由排布和混凝土联锁块构成。软体排平面位置如图1所示。

2.1 排布

排布也称土工织布，起到隔离泥沙、防止淘空、防水渗透、反滤、抗冲等作用，由于排布较轻，无法沉入到江海河床底部与河床紧密黏附，故需在其上压载较重的混凝土联锁块，从而对排布提出了更高的质量要求。通常排布采用500 g/m2复合布结构形式，由350 g/m2的长丝机织布复合150 g/m2的无纺布而成，排布沿排宽方向每隔50 cm设有1根或2根宽5 cm的纵向丙纶加筋条（根据混凝土联锁块重量决定加筋条数量和宽度），用于固定系结环和增加土工织物的抗拉强度[2]，其长度与排布长度相同。

图1 混凝土联锁排平面位置Fig.1 Planeposition of concrete interlocking blocks

2.2 混凝土联锁块

混凝土联锁块由C30混凝土块和联接绳构成，平面形状呈正方形，应用最多的混凝土联锁块尺寸为48 cm×48 cm×12 cm，混凝土联锁块单元结构如图2所示。混凝土联锁块通过联接绳预制串联成片，用1 000 t左右运输船运至施工现场，成片吊装并放置在铺排船排布上，与之连接后沉入河床底部。

图2 混凝土联锁块单元结构Fig.2 Concrete interlocking block structure

2.3 软体排施工工艺

软体排施工经过数十载发展，施工技术较为成熟。软体排施工工艺一般流程为：①铺排船定位：将铺排船定位至设计的铺排区域；②卷排：利用吊机将排布平滑卷入到滚筒上；③混凝土联锁块运输：通过运输船，将混凝土联锁块从预制厂运输到施工现场；④混凝土联锁块吊装：在起重工的指挥下，混凝土联锁块采用桁架固定，将其由运输船吊至排布的指定位置；⑤软体排绑扎：混凝土联锁块吊装后，将混凝土联锁块的联接绳与排布的系结环绑扎在一起，使混凝土联锁块和排布构成一个具有柔性的整体；⑥软体排沉放：在混凝土联锁块横向吊装并绑扎一排后，调整船体的滑板，使其处于45°倾角，并松开卡排梁及滚筒，缓慢、匀速移船，利用混凝土联锁块自重使软体排沿着滑板徐徐沉入河床底部[3]。

3 软体排沉排缩排原因分析

为了充分了解缩排原因，本研究通过现场调研，整理资料，分析得知软体排沉排收缩主要有以下几个原因。

3.1 卷排排布未能完全展开

卷排是铺排船定位后紧接着的一道重要工序，卷排质量直接影响着排体收缩量。常规卷排流程是：使用吊机将排布吊至甲板上，操作工人在吊机协助下将排布展开，将排尾拉环和滚筒上钢缆相系，启动滚筒开关，排布自动卷入滚筒，与此同时工人们站在滚筒两边用力绷紧排布，以防排布皱折、收缩。但在实际操作过程中，由于排布质量和面积均较大，而工人数量有限，并且工人拉力方向又不一致，有时还存在风浪天气的影响，排布难以完全展开，从而导致卷排后排布出现收缩，卷排质量无法达到预期目标。

3.2 吊放联锁块产生挤压

铺排船完成卷排就立即进行吊放联锁块和铺设工作。为了提高工效和加快铺设进度，一般由2台吊机同时将联锁块吊放到排布的指定位置，然后再将联锁块的联接绳和排布的系结环绑扎在一起。理论上上述工序会造成缩排，实际施工过程中，吊机将联锁块吊放到排布上后，由于联锁块间相互挤压，排布势必会向中间收缩，与此同时，如果排布中间存在折叠，而联锁块又是由排边向中间吊放，此时由于联锁块较重，折叠区域排布无法人为拉直，从而加剧了排布收缩。

3.3 船首尾倾斜

常规铺排船的驾驶室、生活区和机械都位于船尾，而船仓位于船头处，因而船头处较轻，船尾处较重。根据杠杆和浮力原理，船头会上浮，船尾会下沉，从而导致船头比船尾略高，但由于船长不易发现船首尾倾斜，从而不能及时向船头仓注入压载水以保持船首尾平衡。此时进行铺设施工作业，铺设在船头方向的联锁块在重力作用下一定会向船尾方向滑动，从而致使联锁块相互靠拢聚集在一起，造成排布收缩[4]。

3.4 重力、水流影响

当完成一排联锁块的吊放和绑扎后，铺排船就开始排体沉放。在沉放过程中，在重力、水流作用下，在水中部分的排体呈现“U”形状态，其在水流方向存在一定的投影面积，投影面积上受到水流作用力，从而导致水中联锁块相互挤压，同时联锁块横向间的排布收缩，进而加剧排体的“U”形状态，投影面积变大，排体收缩愈演愈烈[4]。

4 排体收缩控制关键技术

从上述排体收缩原因分析可知，除“卷排排布未能完全展开”受人为因素影响较大，并且因铺排工艺原因当前无法彻底解决外，其他皆为由于某些因素产生作用力而导致联锁块挤压或移动，造成联锁块间的柔性排布收缩。因此，如何抵消这些作用力是解决沉排排体收缩的关键。

4.1 排体收缩控制原理

针对缩排原因分析，研究思路为在联锁块间增加构件，在排体收缩时起到顶撑作用，从而有效阻止联锁块排收缩。缩排控制原理如图3所示。

图3 软体排缩排控制原理Fig.3 The shrinkage control principlesof soft mattress

4.2 材料选型

由于构件安置在联锁块之间，并且用于铺排护底工程中，故构件除需要满足较高强度外，还需满足一些其他特殊技术指标，技术指标如表1所示。

表1 构件技术指标Table 1 Technical indicator of the concrete member

通过层层筛选，最终符合要求的原材料是混凝土和高强度工程塑料。混凝土具有原材料丰富和制作工艺简单的特点；高强度塑料具有质量较轻和价格低廉的特点，但由于构件安置在排体上，并且最终会随软体排一并沉入河床底部，考虑到采用高强度工程塑料会对环境产生污染，因此混凝土成为了制作构件原材料的首选。

4.3 构件设计流程

本构件在航道整治工程中首创，无任何经验和相关文献资料可供参考。按照需求引导设计、设计试验相结合的方法逐步开展。通过现场调研、内部评审、修改及不断试验，逐步完善设计，并将构件应用到铺排施工中。构件设计流程如图4所示。

图4 构件设计流程Fig.4 Design flow of theconcretemember

4.4 构件结构

经过多次反复优化，结合实用性和经济性的原则，并考虑制作工艺和便于搬运安装，最终确定构件为轴对称长方体结构，具体尺寸为180 mm×180 mm×120 mm。如图5所示。

图5 防缩排构件Fig.5 Shrinkageprevention members

构件由混凝土块体、侧面梯形凹槽、顶面楔形槽和预埋铁丝组成。其中，混凝土块体主要用于抵消联锁块作用力和支撑柔性排布；侧面梯形凹槽用于卡住两侧联锁块，防止联锁块拱起；顶面楔形槽用于放置附近联锁块联接绳；预埋铁丝用于固定楔形槽的联接绳，防止沉排过程中构件侧滑或拱起。

防缩排混凝土构件绑扎在排布上联锁块之间。

4.5 施工工艺

主要工艺与铺排施工工艺大体相似，但由于增加混凝土构件，铺排施工有独特之处。本研究铺排主要工艺是：①前期准备。前期工作主要完成铺排船定位、排布卷入滚筒和校正铺排船船位，与此同时，完成排布、联锁块和混凝土构件的运输和靠泊工作；②铺设施工。铺设施工主要完成联锁块和混凝土构件的铺设。首先，将联锁块吊运至排布指定位置，然后，将混凝土构件搬运至排布上联锁块的间距位置，再次，绑扎联锁块与排布，同时绑扎混凝土构件和联锁块；③后期检测。吊运并绑扎完一排后，立即对排体进行甲板上测量，检测缩排数据，整张排体沉排后，及时对排体进行沉排施工后的检测。施工工序流程如图6所示。

5 试验

为了验证构件横向缩排控制效果，在长江南京以下12.5 m深水航道一期工程的通州沙I标的超前护底区域TQ-315和TQ-316两张相邻排体进行对比试验。试验排体长240 m，宽38.5 m，试验区域水深在13～15 m，受环境因素影响较大，在此区域试验可真实反映环境对铺排的影响和防缩排效果。

图6 施工工序流程图Fig.6 Construction process flow chart

5.1 试验过程

在试验区域试验时，首先对TQ-315试验排体吊装联锁块并绑扎；然后在相邻两块联锁块横向间均匀布置2个混凝土构件，并将联接绳分别固定在混凝土构件的4个楔形凹槽中（图7）；最后拧紧混凝土构件铁丝，确保混凝土构件稳固，牢靠，不滑动。按照以上工序放置好一排联锁块后，立即测量当前一排联锁块在甲板上的缩排量并记录。当整张排体沉放后，立即组织测量人员对排边坐标进行测量，确定水下缩排量。

图7 现场照片Fig.7 Site photos

TQ-316试验对比排体与之类似，除没有放置防缩排构件外，其他工序、流程及环境条件与TQ-315基本一致。

5.2 试验数据

在进行试验中，记录了2张试验排体甲板缩排数据，如表2所示。排体铺设结束后，待平潮时，通过利用天宝RTK-GPS采取排体的浮标坐标数据，然后通过利用上下排边坐标即可计算出河床底部排宽，见表3。

表2 对比试验甲板缩排Table 2 Contract test data of soft mattress shrinkage on deck

表3 试验排铺设后排宽检测数据Table 3 Test data of the mattresseswidth after paving the tail mattresses m

5.3 试验结果

通过试验数据分析，放置有混凝土防缩排构件的TQ-315排体，在甲板上的缩排量平均为0.52 m，在河床底的缩排量平均为0.75 m。在相同自然条件下，没有放置混凝土防缩排构件的TQ-316排体，在甲板上的缩排量平均为0.81 m，在河床底的缩排量平均为1.53 m（见表3）。放置有混凝土防缩排构件的排体收缩量明显减小。

6 结语

通州沙深水航道区域航道整治的护底软体排受水流、潮汐影响，缩排极为严重，为此从软体排施工工序入手，分析了排体收缩原因，探讨了混凝土构件控制排体收缩原理，研究了混凝土防缩排构件的结构，试验结果表明可有效控制排体横向收缩。

[1] 陈光敏.深水航道建设与南通港口经济发展[J].港口经济，2009（2）：42-43.CHEN Guang-min.Deepwater channel construction and the port economic development in Nantong[J].Port Economy,2009(2):42-43.

[2] 雷雪婷，耿嘉良，程铁军，等.混凝土联锁块软体排施工中撕排现象的解决方法[J].水运工程，2012（11）：191-193.LEI Xue-ting,GENG Jia-liang,CHENG Tie-jun,et al.Countermeasuresfor traring of soft mattress of concrete interlocking blocks during construction[J].Port&Waterway Engineering,2012(11):191-193.

[3] 李光显，阮学和，祁华希，等.感潮河段深水铺设联锁排施工技术[J].中国水运，2012，12（8）：123-124.LI Guang-xian,RUAN Xue-he,QI Hua-xi,et al.Construction technology of pavinginterlockingblocksin deepwater in tidal reach[J].China Water Transport,2012,12(8):123-124.

[4] 徐海潮，董朝明，王兴超，等.通州沙深水航道软体排收缩控制研究[J].中国水运，2013，13（12）：223-225.XU Hai-chao,DONG Chao-ming,WANG Xing-chao,et al.Shrinkage and control research on flexible mattress in deepwater channel of Tongzhousha[J].China Water Transport,2013,13(12):223-225.