沉箱式深水抛石新工艺应用研究<br/>——以长江澄通河段老海坝节点综合整治工程为例

沉箱式深水抛石新工艺应用研究
——以长江澄通河段老海坝节点综合整治工程为例

2018-05-11翟二生

中国水利 2018年8期

翟二生

（江苏省张家港市水利局，215600，张家港）

老海坝节点综合整治工程位于长江澄通河段浏海沙水道右岸张家港市沙钢集团海力码头群前沿水域，施工区平均水深超过40 m，水下地形复杂，水流速度变化快，涨落潮频繁，抛石施工难度大。为更好地解决传统水上抛石工艺在大水深情况下精准抛投到位难的问题，施工单位建造了一艘沉箱式深水抛石专用船，并探索出相应施工工艺。目前该设备已获国家实用新型专利，施工工艺被中国水利工程协会评定为箱式准确定位深水抛投施工工法。

一、工程概况

老海坝节点位于长江澄通河段浏海沙水道与如皋中汊两股水流的交汇顶冲处，历史上一直是水下冲刷的险工区域。20世纪70年代，张家港专门成立了保坍指挥部对老海坝区域进行治理，经过多年抛石防护，堤岸向内侵蚀坍塌的趋势基本得到扼制，但水下刷深仍在继续。1980—2005年，该段河床平均刷深超过20 m，-50 m冲刷槽基本贯通。工程前海力码头群前沿100～220 m范围内水深基本上都超过40 m，其中海力1号、2号、8号等码头前沿外侧多处出现-60 m以上深潭，部分岸段水下岸坡陡峭，存在较大安全隐患。

2014年江苏省发改委批复同意老海坝节点综合整治工程初步设计，项目正式开工建设。工程全长约7.2km，整治宽度165～255 m，工程主体内容是对码头前沿岸坡直至深槽进行水下抛石防护，设计抛石厚度2.0～2.5 m，从码头前沿至河床深槽分为防崩层和防冲层两部分，分别抛投不同粒径的散块石，部分区域抛投网兜石，用以减缓和扼制水下冲刷继续发展，总抛石量230多万m3，工程概算5亿元。工程于2014年7月正式开工，2016年7月基本完成。

二、沉箱式深水抛石设备及工艺

抛石因其工艺简单、施工便捷的特点，被广泛用于长江岸坡整治、航道整治等工程中。目前普遍使用的抛石工艺施工为：将抛石区域划分为若干小抛区，在水上对抛石船进行GPS定位，同时测量水面流速计算块石理论落距，据此调整定位船位置，然后在水面上采用人工抛投、挖掘机机械抛投或浮吊船抛投等方式将块石抛入水中。在块石抛投过程中，特别是在水深较深且水流流速、流向复杂多变区域，块石落距往往难以精准控制。在老海坝节点综合整治工程实施初期，考虑到施工水域水深流急，施工单位成功改装了一艘沉箱抛石专用设备船，经过反复试验和改进，探索出一套比较成熟可靠的施工工艺，并在老海坝一期和二期工程施工中广泛使用，效果良好。

该沉箱式深水定位抛石船由普通运输船改装而成，船体长约30 m，宽约13 m，船体中段为加强型开底结构，配备2个长10 m、宽 4 m、深 1.5 m的独立沉箱，每只沉箱重量约为25 t，内部分隔为10个2 m×2 m的网格。沉箱底部为可控启闭的对开门构造，沉箱前后甲板上各配备2台电动绞车等装置，用于控制沉箱的下降、提升及箱底启闭。甲板后部装有吊机1台，用于起吊装载块石，甲板前部安装有水深测深仪和GPS定位系统。沉箱装好块石后，通过GPS和锚机调整抛石船位置进行精准定位，然后同步启动前后电动绞车，松开链轮使箱体缓慢下沉，箱体下降深度根据水深和配套标尺读数进行控制，在箱体底部距河床4～5 m时，两边4路链轮限位支挡，中间4路继续下降到距河床2 m左右，深箱底部双开门打开，石块自行滑落在河床上，然后再依次提升中间4路链轮关好底门，打开限位支挡提升箱体，归档回升至舱口面，随即进行下一次块石灌装及下沉提升，如此循环操作。老海坝节点综合整治工程中使用的双沉箱抛石船一次沉放提升循环可完成抛投块石100 m3，在河床指定位置形成面积40 m2的块石防冲体。

图1 沉箱式深水抛石船水下定位抛石示意图

图2 沉箱式深水定位抛石主要工艺流程

三、工艺主要特点

与传统水上抛石方法相比，沉箱式深水定位抛石新工艺有以下几方面特点：

一是有助于提高抛石精准度。传统水上抛石工艺一般是通过测量施工区域水流表面流速，代入经验公式计算出一定粒径块石的理论抛投落距，然后通过锚机调整抛石船到相应位置进行定位和抛投作业。目前计算漂距通常使用的经验公式为长江水利委员会编制的《长江中下游护岸工程技术要求》中的S=0.8VH/W1/6。式中，S为块石落距（m），V为垂线平均流速（m/s），H 为抛石区域水深（m），W为代表性块石重量，有的设计方案中直接给出了流速、水深、块石粒径与漂距之间的经验值，查表即可。但在实际施工过程中，依据经验公式计算出的理论落距与实际漂距总会存在一定偏离，特别是在大水深情况下误差更大。一方面，同一位置水体流速随水深不断变化，常规以测量水体表面流速计算所得的块石漂距与实际必然有一定偏差；另一方面，经验落距计算公式中的重量W一般取代表性块石重量，但实际上设计方案中块石粒径往往要求是一个区间数，现实块石也不可能大小一致，比如老海坝节点综合整治工程设计方案中明确的防崩层块石粒径区间为0.16～0.40 m，相应重量为 5～100 kg，护坡防冲层块石粒径为0.50～0.65 cm，相应重量为150～300 kg，以代表性块石重量计算落距进而指导抛石船定位，与实际情况必然会有一定偏差。由于以上原因，将大小不一的块石比较精准地抛投到指定网格抛区内，难度往往比较大，在大水深条件下更是如此。而沉箱式定位抛石新工艺的一大特点就是让装载块石的沉箱下沉接近河床底部2 m左右时打开底部仓门，让块石自然滑落到河底，相当于在2 m水深区域进行水面抛石，由于块石从打开仓门至落到河底时间很短，产生的漂距也就十分有限，近似于将块石“安放”在河床上。因此，这种施工方法可以较好地克服大水深情况下块石漂距难以精确掌控的问题，达到比较精准定位抛投到预定网格小抛区内的设计目标。

二是有助于提升抛石均匀度。目前，国内长江平顺护岸抛石施工主要采用平板驳配合挖机或深仓驳配合浮吊船挂包的施工工艺，通过划分抛投小网格，多次测算落距、频繁移动抛石船、分层多次抛投来控制抛投厚度和抛投均匀度。在施工过程中，由于种种因素制约，水下抛石覆盖情况大都呈现整体连续基础上的高低起伏形态，很难达到比较均匀的理论设计情况，评价抛石均匀度的指标也大都比较宽泛。沉箱式深水抛石船施工时块石漂距较小，定位抛投准确度高，一次抛投即可在水下形成面积较大且比较均匀的覆盖面，循环作业即可形成比较连续、平整规则的水下防冲体。老海坝节点综合整治工程的实际测量结果表明，使用该工艺完成的水下抛投区域块石连续性好，均匀度也较水面抛石作业有比较明显的提高。

三是有助于提高抛石效率。传统的水上散抛石施工工艺一般遵循测流速—计算漂距—施工趸船移位—实施抛投等过程。在老海坝节点综合整治工程施工水域，水流流速持续动态变化，每天有两次涨潮、两次落潮，流向也经常发生转换。使用传统施工方法频繁进行流速测量和抛石船重新移位、定位很浪费作业时间，同时考虑到抛石精度要求，设计方案确定的抛投流速控制范围为不大于1.5 m/s，实际施工中从严掌握至不大于1.0 m/s。这些因素导致老海坝节点综合整治工程建设过程中，用传统水上抛石方法施工作业时间大大受限，作业效率较低。采用沉箱式深水抛石船进行施工时，由于受潮汐转换、水流流速变化等因素影响较小，基本上可以实现全天候作业，施工便捷性和效率有较大提高。

四是定位成型施工优势突出。河道防冲刷治理过程中经常用到的丁坝、潜坝等水下工程，通常设计要求抛投成一定底宽和坡比的条带形状。由于前述相关因素制约，使用传统水上抛投工艺很难精确控制大小不一的块石落距，定位抛出规定尺寸及形状的抛石体困难很大。为了实现定位成型设计目标，往往需要采用增加额外抛投量的办法。沉箱式深水抛石船及工艺受水深、流速、块石粒径大小不一等因素影响较小，定位抛投准确性高，块石损耗率低，在成型要求高的抛石项目施工中具有明显的优势。