大型河道水下抛填格栅石笼河底防护的应用

王留超

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

大辽河三岔河口段是连接辽宁中部和西南部地区的重要纽带，该河段由上至下依次修建有三岔河口公路桥、三岔河口铁路桥、营盘客运专线铁路桥、营盘供水管线等4座重要跨河建筑物。大辽河三岔河口段为感潮河段，受洪水和潮水双向水流作用。2010年汛期，大辽河流域遭遇暴雨袭击，三岔河水文站实测最大洪峰流量为4100m3/s，为历史第三大洪水，河床冲刷严重，在营盘客运专线铁路桥下游形成了一个最大冲深约17 m的冲坑，直接威胁了该河段河道上4座重要跨河建筑物的安全。冲坑紧临营盘供水管线，营盘供水管线为DN1400mm钢管，工作压力0.6MPa，为大口径带压输水管线，冲坑严重威胁输水管线的安全，如图1所示。

图1 冲坑平面图

2 防护设计

防护工程位于2010年汛期冲坑附近，河道长度为150m。防护工程分为冲坑回填工程及河床防护工程。

冲坑回填采用抛填格栅石笼填筑潜坝，潜坝上游侧冲坑采用砂袋回填，河床防护采用抛填格栅石笼铺盖防护。

冲坑回填工程采用水下抛填土工格栅石笼填筑潜坝，潜坝垂直水流布置，总长234.2m。坝顶上游侧距盘锦市供水管线40m，坝顶宽度为5m，坝顶高程为-5.0m。潜坝上游坡坡比为 1∶1.5，下游坡坡比为1∶5.0，上游侧冲坑采用砂袋回填。

河床防护工程采用抛填土工格栅石笼铺盖防护，范围为盘锦市供水管线上游50m(越过在建的营盘客运专线铁路桥)，下游侧100m。铺盖顶高程为-5.0m，铺盖厚度约为2.4m，由3层土工格栅石笼组成。防护范围最前端包角位置与最后端齿墙根部周围，采用单块粒径大于800mm的块石进行抛填。详见图2。

图2 防护断面纵剖图(深泓线)(尺寸单位:m)

格栅石笼规格为 0.8m ×0.8m ×0.8m(长 × 宽 ×高)，石块材料应坚实新鲜，无风化剥落层或裂纹，单块粒径不小于100mm，遇水不易破碎或溶解密度不小于2.65t/m3，石料的湿抗压强度不小于30MPa，软化系数大于 0.7。格栅采用双向拉伸聚丙烯土工格栅(TGSG30-30/GB/T 17689-2008，400g/m2)。

砂袋采用矿用大编织吨袋，可承载量1000kg，袋口采用高强聚乙烯绳封口绑扎牢固。砂子可采用中粗砂或者砾砂，含泥量不大于8%。

3 施工方法

施工具体操作流程如下:

施工准备→施工测量→施工备料→编制石笼/装砂袋→抛投试验→抛填施工→验收。

3.1 控制测量

根据测量控制点及技术资料，采用全站仪布设轴线控制点，用精密水准仪布置高程控制点，设计防护范围中心线与河道中心线垂直交叉设为轴线，轴线控制点布设在左右岸河堤上，用带有“+”字丝的钢筋埋设固定，标明位置及距离，并用围栏防护，轴线控制采用直导线，左右岸导线点布置三个。高程控制点布置在左右岸及主河槽段的上下游，用磨光头的钢筋埋设固定并编号、防护。轴线控制及高程控制布设完之后，绘制平面布置图，标注编号及相对位置的距离等相关说明。

3.2 施工测量

根据控制测量的控制点进行现场施工放样测量。施工前对施工区域进行测绘。

使用船载GPS和带声纳装置的超声波水位计进行水下高程测量，按照设计填筑范围的上下游边线，漂浮物拴在大石块上抛至填筑范围的上下游、左右岸边线，并在GPS电子显示屏上画出轮廓线，按10m×10m(垂直水流方向×顺水流方向)划分的网格，作为施工分区网格。

抛填施工过程中，使用船载GPS和超声波水位计，测量水下抛填位置及抛填深度。

3.3 施工备料

石料、砂子、土工格栅均选用符合施工图纸要求的材料进行备料。如下页图3所示。

图3 石料场照片

3.4 编制石笼

按设计要求的格栅石笼尺寸裁剪格栅，铺设平整后，用连接绳将裁剪出的格栅立肋和横肋连接于底层格栅上，连接时采用错格绑扎方法，且每个节点均应绑成死扣。人工码放块石，单块粒径不小于100mm，分层交错码放，用φ5mm高强聚乙烯绳连接并封口绑扎牢固。格栅石笼起吊运输或抛投时，采用 φ12mm～φ16mm高强聚乙烯吊带。如图4所示。

图4 格栅石笼

3.5 装砂袋

使用矿用大编织吨袋，人工将中粗砂装入矿用吨袋，用高强聚乙烯绳封口绑扎牢固。砂袋起吊运输或抛投时，采用专用的高强聚乙烯吊带。

3.6 抛填施工

抛填施工的顺序为:抛填船的确定→漂距的测算→抛投试验→抛填档宽及网格划分→抛填船定位→水下抛填施工→抛填方量的分划

3.6.1 抛填船的确定

抛填船的有效长(船单侧能够抛填直线部分长)、宽、吃水变化、栏杆高等因素直接影响抛填档宽和抛填网格的划分，影响石笼块漂距和定位。

按照需要抛投的位置，根据测定的漂距，计算出抛投船位置，使用船载GPS和超声波水位计，能够准确将船定位到预定位置，在甲板上吊装石笼然后抛投到预定位置，这样既能够准确抛投到预定位置又能避免人为造成的定位误差。

3.6.2 漂距的测算

水深、流速、流向、风浪，石笼抛出时距水面高度，抛填笼的角度、速度，施工人员素质、劳动强度，漂距计算公式等，是影响所抛填笼漂距计算的主要因素。

式中 S——冲距，m;

V——水面流速，m/s;H——水深，m;

W——石笼重，kg;

K——经验修正系数，通常取 0.8。

取不同重量的石笼，在抛填区同一断面不同位置实测石笼漂距，对经验公式计算出的漂距进行修正。

3.6.3 抛投试验

根据抛投网格区的划分和漂距计算，先进行抛投试验，达到标准后方可进行抛填施工。由于施工段位于大辽河感潮河段，受潮水涨落和异重流影响，流速和浮力变化较大，需根据潮水涨落时间段进行石笼及砂袋现场抛投试验，以确定漂距参数和抛投工艺。用标识刻度的聚乙烯绳与石笼连接，抛投完成后，通过绳长、偏角等反算抛投物受水的流速、浮力、河床坡度等因素影响水下移动距离。在每日潮涨、潮落时各做一次试验。

3.6.4 抛填档宽及网格划分

合理划分抛填档位宽及抛填笼网格是确保水下抛填笼厚度、平顺衔接的关键。档位宽的整倍数应约等于船宽，并与石笼垂直船侧方向抛出的水平距离相近。

每个网格长(顺水流方向)取抛填船的有效抛填笼长，网格宽(垂直水流方向)取船体宽度的两倍长，抛填船两侧同时抛填，计算每个网格的面积和网格总数，即能计算出总面积。

3.6.5 抛填船定位

将施工区域划分为10m×10m网格，在船载GPS上对应标示，作为抛填施工时的抛填范围定位基准。

根据抛投试验修正后的漂距，测出各断面桩(方向桩)，通常与抛区长度方向成不大于90°的夹角。然后在两岸定位桩间拉一条缆绳，缆绳上可作出明显的标记，以用作标示施工的不同部位。

抛填船进入抛填范围后，将船挂档定位，准备水下抛填施工。如图5所示。

图5 抛填船施工过程

3.6.6 水下抛填施工

抛填施工应遵循:从下游至上游、从深向浅、从河中至岸边逐档宽逐网格长循序进行。

抛填船定位前外侧要预留一档位宽，采用两边抛投，有利于船的平稳和工效提高，每档抛满后石料船向岸边移动一档，进行下一档的抛投，待石料船底部区域抛满后进行大移位。近岸处抛填船无法行驶时，采用陆地机械设备进行抛投。

3.6.7 抛填方量的划分

根据每个抛填船所载石笼的数量确定抛投石笼的总工程量;每一档投抛前，平行船中线将每档需要石方量标示出来，做到总量控制，局部调整。

准确记录每档实际抛方量，如发现漏抛、少抛，应在抛填船移位前及时进行补抛。

抛填船载有带声纳装置的超声波水位计进行水下高程测量，可以校核水下地面高程及抛填后的高程，如发现漏抛、少抛，及时进行补抛。

4 结论

肉眼很难看到水下抛填实际状况，水下测量也比较困难。该工程施工中使用船载GPS和带声纳装置的超声波水位计进行定位和水下高程测量，非常实用简便，能够精准确定抛填位置及抛填高程等情况。

水下防护最前端包角位置与最后端齿墙根部是关键部位。最前端长期经受水力的冲刷，填筑体体积小或者重量轻的将被水冲走或移位，防护体一块块慢慢被冲走，将会影响防护工程的安全。最后端(即最深处)是防护范围的根部，填筑体是否能够生根稳固，直接影响整个防护范围填筑体的稳定性。该工程施工过程中，将单粒径800mm以上的大块石抛填在防护范围的最前端，能够经受水力的长期冲刷而不被冲走，保证了防护工程的长期安全;将单块粒径800mm以上的大块石抛填在防护范围的最深处根部，形成一道齿墙，保证了填筑体能够生根稳固。