铰链混凝土沉排护岸技术应用与问题探讨

叶长结

(安徽省长江河道管理局,安徽 芜湖 241002)

铰链混凝土沉排是近年来江、河、湖、海岸滩崩塌治理的新兴工程措施。在安徽省长江崩岸应急工程中应用铰链沉排技术，有效治理了沿江岸滩的强烈崩塌，这种形式改变了传统抛石护岸对块石材料的依赖，混凝土板、排体土工织物布工厂化制作，采用沉排船施工，施工效率、施工进度都明显提高。本文在对铰链混凝土沉排护岸技术应用进行分析的基础上，对应用中的有关技术问题和处理措施进行分析探讨，提出改进建议。

1 铰链混凝土沉排技术

1.1 沉排工程特性

传统的“埽工”、“柴枕”、“沉柳”、“铅石笼”等沉排工程普遍具有抗冲刷，能起到抗冲护底(脚)作用。与传统沉排相比，铰链混凝土沉排的特性，满足连续性、坚固性、变形相容性等，具有耐久性以及反滤功能。

基于工艺程序、方法措施和排体结构，沉排划分为两大类，即按劲度区分的柔性沉排(Soft Sinking Mattress，简称SSM)和刚性沉排(Rigid Structre Mattress，简称RSM)[1]。混凝土铰链排属于柔性沉排，俗称软体排。排体的组成材料包括土工织物布、预制混凝土板和U型钢制套环，预制混凝土板通过U型环铰接后成为整体铺于土工布之上。

铰链混凝土沉排结构见图1。

图1 铰链混凝土沉排结构示意(单位：mm)

1.2 沉排工程技术特点

铰链混凝土沉排是在崩岸段河床堤岸坡脚或河床底部铺设一定长度与宽度的防冲反滤的排体，具有以下技术特点：

1)刚柔兼备，能适应水下地形变化。预制混凝土压块为刚性板，土工织物布作为柔性护垫，沉排结合了土工织物软体排防护技术和铰链混凝土块防护技术这两种施工方法的优点，在防冲刷的同时，适应水下岸坡变化的地形，保护着河床断面的土体不被淘蚀。

2)施工方便，机械化程度较高。预制混凝土块与土工织物布按设计定型尺寸工厂化生产，沉排船做为工作平台实施沉放排操控，天气不利因素影响较小，施工效率高。

3)整体性强，防护效果较好。作为压载的预制混凝土块之间用U型环连接，土工织物布与铰链板相结合成为一块排，相邻排体采取“盖瓦”式搭接形成整体。

1.3 施工主要设备

配备沉排专用船1 000 t工程船1艘，可一次性沉放宽度不大于25 m、长80～120 m不等的排布。配备5艘自航120 t钢制甲板驳运输船，铰锚船1艘，交通艇1艘。配船载GPS放样定位，配RTK轨迹跟踪仪跟踪并调整排布入水位置。

1.4 主要施工技术措施

1)施工前对铺排区域进行测量，必要时进行软式扫床，排除沉排区域可能存在的突出尖状物。

2)测量沉排区水深、流速和流向，便于控制沉排方向。

3)根据沉排边线坐标，合理进行排位设计，重点设置好每块排的排位，保证沉排最小搭接宽度满足设计要求。

4)用RTK全过程控制排体边缘入水轨迹，并实时绘制沉排轨迹图，及时纠正沉排偏差[2]。

1.5 适用条件

铰链混凝土沉排护岸集中了各种护岸形式的优点，有广泛的适应性，特别适用于水流复杂、主流贴岸或长期处于迎流顶冲，用其他形式困难或效果较差的岸线防护。不同边界条件的工程可对结构型式或布置作适当调整。

铰链混凝土沉排采用专用沉排船施工作业，配合自航运输船运输排布、混凝土预制块到场后，以沉排船为作业平台进行拼装成排。因此铰链混凝土沉排技术应用的适用条件需满足施工船舶作业的水面宽度和吃水深度，一般为河面宽150 m、水深10 m以上。治理的崩岸段一般为深泓近岸，在沿江沉排施工中，护岸区域大多位于主航道附近，施工前需要与航道、海事部门做好协调，按规定安设航标和进行海事通告等。

2 在长江应急崩岸工程中应用情况

2.1 工程概况

安徽省长江干流河道全长416 km，由13个河段组成。历史上一些河段河势变化剧烈，河道曾发生多次大的变迁。建国以后，经过不断整治，崩岸和河势变化得到一定程度控制。河岸强烈崩塌影响河势稳定，反之，河势调整又引起新的崩岸产生。2015年国家发改委批准建设安徽省长江崩岸应急治理工程，该工程是国家172项重大水利项目中长江中下游干流河道治理的子项。批准实施治理崩岸段24处，护岸总长43.85 km，工程由水上护坡和水下护脚两部分组成，枯水位以下采用抛石和混凝土铰链排护脚形式，其中江调圩、秋江圩、泥洲、长沙洲、凤凰洲、永红转拐、大荣圩等7处崩岸段，采用混凝土铰链排护脚长度8.32 km，沉排1.62万m2。施工时间自2015年11月至2017年8月，枯水期预制混凝土板，中水期沉排施工。7处崩岸段在长江安徽段沿程分布，治理迎流顶冲、深泓近岸的强崩区。

2.2 结构形式

铰链混凝土沉排护岸段由上部的岸坎护坡和水下的沉排两部分组成，系排梁位于两部分之间，既是护坡的支撑又起到固定排体的作用。排体是铰链混凝土沉排护岸的主体，由混凝土预制板和土工布组成，混凝土板尺寸为80 cm×50 cm×8 cm(长×宽×高)，每块砼板重约80 kg，浮重约48 kg，设计强度为C20，板与板连接采用Φ12“U”型环，用螺栓连接成整体，起抗冲和压重作用。土工布在铰链板下面，起反滤、抗冲作用(工程结构形式见图2)。

图2 铰链混凝土沉排结构设计示意

2.3 应用简要情况

安徽省长江崩岸应急治理工程由41个单项工程(标段)组成，分9批招标实施。铰链混凝土沉排应用在其中的7个单项工程，包括江调圩、秋江圩、泥洲、长沙洲、凤凰洲、永红转拐和大荣圩，完成混凝土系排梁16 192 m3，铰链混凝土沉排546 960 m2，治理岸线8 320 m，完成合同额13 632.89万元，占总投资的21.1%。项目实施基本情况见表1。

表1 铰链混凝土沉排技术应用情况

3 技术应用效益分析

根据安徽省长江崩岸应急工程应用铰链混凝土沉排技术的实施情况，从工效比较、完成工期进行分析。

3.1 工效定额分析与比较

综合进行人工、材料和机械台班消耗分析，包括工效确定、人工消耗量分析、材料耗量分析和机械台班使用分析[3]，结合施工单位投标报价，沉排单价为72～80 元/m2。与之比较，工程附近的崩岸段采取抛石施工方法，以平均抛厚1.2 m计，抛石单价为107～123.6元/m2。

3.2 工期分析

铰链混凝土沉排实施的关键线路是沉排，其混凝土块预制、系排梁浇筑与排布定制，可以平行施工，且预制和排布制作不受天气因素的影响。从表1可见，应用的7个单项工程施工工期为6～12个月，单项工程施工工期8个月，日平均强度为71 000元/d。而采用抛石护岸施工，石料采购受山场开采影响，运输受风雨雪天气影响，同期施工的抛石工程，单项工程施工工期为10个月，日施工强度约为56 000元/d，制约施工进度的因素较多。

3.3 崩岸预警变化

比较铰链混凝土沉排段实施前后的崩岸区预警情况可知，治理前，7段崩岸预警级别为Ⅰ～Ⅱ级，江调圩、长沙洲为Ⅰ级，大荣圩Ⅲ级，其余均为Ⅱ级。沉排后，2019年项目区预警级别调整为江调圩、长沙洲为Ⅱ级，秋江圩为Ⅲ级，其余区段解除崩岸预警。

4 问题与处理措施

安徽省长江崩岸应急工程中应用铰链混凝土沉排技术的实施过程中，先后遇到系排梁高程变更等问题，问题的产生和解决具有普适性。

4.1 系排梁高程

系排梁设计高程为当地平均枯水位，即图1中的水位①。水位①是采用长系列(1950—2012年)资料推算而得的多年平均枯水位，时间是每年的12月到次年的2月。有研究表明长江三峡蓄水前后，对安徽段水位有一定的影响，汛期调峰作用有效减轻中下游的防洪压力，而汛前三峡腾空库容，使得长江沿岸三四月“桃花汛”提前到来。

图3 大通水位流量过程线示意

从图3长江大通站水位过程线可以看出，近年来长江枯水位比同期常年平均枯水位要高1～2 m。7个项目按设计枯水位选定的系排梁高程，均因实时水位超过设计高程而无法施工。系排梁是固定排体的重要结构，因汛前无法施工，整个工期将顺延一个年度。通过设计变更，7个单项工程系排梁高程抬高0.8～2.0 m。长江安徽段设计枯水位的计算，宜综合考虑施工时间以及上游来水状况适当调整。

4.2 排体长度计算

由排布、铰链混凝土块组成的排体，是沉排工程的主体，排长按经验公式确定为固定值。然后实际的岸坎冲刷坑的自然状况是弧形凹向岸边，造成岸滩冲刷的深泓线不会绝对平行于岸线，因此固定排长值难以达到实际防护效果。建议排长按L+5～10(m)即覆盖冲刷坑或深泓线加安全距离计算。

4.3 补坡及裹头

沉排工程的单块排面积约为800～1 400 m2，从近岸沉放至深水区，其自然岸坡呈凹凸状，崩岸段往往会出现部分高程区间局部岸坡较陡。尽管大块排体覆盖后能防止继续冲刷，但为维持岸坡长久稳定，沉排前根据施工测图，对高程区间大于2 m以上、局部坡度陡于1:3进行定位抛石补坡。按照自下游而上游的沉排顺序至最后一块排，既处于工程最上游，又是迎流冲刷的开始，随着水位变化，紊流对上游排体的作用产生淘刷，宜沿排横向平顺抛石压排，起到裹头作用。

4.4 水位变幅区

图2中水位①和水位②之间称为水位变幅区，排首到水位②之间的稳定，是保证系排梁基础不被淘刷，从而保证岸坡及排体稳定的关键。变幅区的处理须根据岸坡地形情况，如岸坡较为平顺，则选取土工布+碎石反滤防护，即在变幅区铺250 g/m2的无纺布，其上再铺一层30 cm的碎石。然后铺排；如岸坡坡比陡于1:3，则采用本文4.3中的办法补坡后，再铺排。

4.5 质量检测

沉排工程在水利工程质量检测中，尚没有统一的检测标准，各地在检测方面控制方法各异。航道整治中，采用检测排布、混凝土强度以及施工后摸探的方法；此次崩岸应急工程检测混凝土强度和排体。这些检测内容仅对原材料、中间产品进行检测，难以体现沉排位置和搭接宽度等。RTK(Real-time kinematic)作为一种GPS测量技术，指的是实时动态差分，至少用两台GPS接收机，同步观测相同的卫星，解算出两台接收机之间的相对位置，从而得出相对于坐标系原点的位置，属于载波相位测量。RTK是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新的测量原理和方法。GPS-RTK 技术不仅具有操作方便、准确度高、受外界因素影响小等特点，还能实现平面实时定位，且自动化程度极高[4]。在沉排施工中应用RTK技术，可以实时观测沉排位置，并打印沉排轨迹，作为沉排竣工图。施工中，施工、监理和业主校验坐标点等，并抽测不同沉排位置。保留常规的排布、混凝土强度检测指标，结合RTK轨迹图，形成完整的沉排质量检测方案，完善铰链混凝土沉排质量检测手段。

5 工程效果

5.1 经历长江洪水考验

铰链混凝土沉排工程自实施至完工，经历了2016—2019年洪水期考验，未出现崩岸险情，治理的崩岸段均安全度汛，防洪能力显著增强。2018年和2019年汛后检查发现，实施工程中系排梁稳定无沉降，排体适应河岸略有调整，凹凸高差在0.16 m以内，变形较小。

5.2 工程实施前后的测图分析

在工程施工前后，分别组织有资质的测绘单位对工程区水下地形进行测量，绘制1:1 000或1:2 000测图。工程完工后，对施工前后水下地形测图进行了对比分析，及时掌握工程防护效果。利用施工图阶段水下地形测图、施工前后及完工后水下地形测图对比分析工程区岸坡稳定情况，采用ARCGIS软件技术对工程区河床进行冲淤分析计算，逐段分析崩岸治理工程效果。通过分析，铰链沉排治理崩岸工程实施，消除了崩岸隐患，各段工程区岸坡大于设计边坡1:3，处于稳定状态，工程区域河床冲淤互现，部分深泓近岸段排尾前端冲刷0.68～1.04 m，局部河床整体呈淤积状态，淤积区集中在排首部位，淤积深度为0.17～0.53 m。

6 结语

铰链混凝土沉排的混凝土预制块制作、土工织物布生产加工，利用专用沉排船铺排，机械化程度高，速度快，定位与展布易于控制，质量有保障。平顺护岸防护可以适应河床地形进行护底，排体搭接后整体性好，施工后的岸滩可形成稳定的岸坡。铰链混凝土沉排护岸适用于主航道附近的深泓近岸崩岸治理，施工前需要于航道、海事部门沟通协调，按规定布设航行标志和进行海事通告，确保施工安全。通过不同条件下的系排梁高程、排体长度、局部陡坡段设计以及水位变幅区处理等措施，完善工程设计，并改进质量检测方法，以保证工程达到预期的治理效果。