预制块联锁矩阵软体结构水下铺排施工技术及应用

朱 启 刘卫国

(1.安徽省引江济淮集团有限公司,安徽 合肥 230000;2.中国水利水电第四工程局有限公司,青海 西宁 810000)

在水利水电施工过程中,对河道边坡通常采用混凝土预制块衬砌的方式进行防护。这种传统的施工技术虽然成熟可靠,但是需要耗费大量的人力、物力,占用工作面大,工效低。在引江济淮工程中很多河段都是利用原有的河道进行扩挖作业,水下边坡的防护受自然条件限制,旱地施工显然并不科学。因此探索一种克服水下作业条件、实现带水作业的河道边坡防护技术,是十分必要的。在引江济淮工程东淝河水下边坡防护施工过程中,项目人员通过对国内多地航道整治工程调研并结合现场实际,研发出预制块联锁矩阵软体结构水下铺排施工技术。该技术适用于内河河道边坡防护施工,施工机械化效率高、经济环保、质量有保障。

1 工程概况

引江济淮工程等别为Ⅰ等,工程规模为大(1)型。其中东淝河边坡防护工程位于安徽省淮南市境内,施工桩号为J77+070～J97+505(茶庵镇至瓦埠湖)、J141+600～J151+008(瓦埠湖出口至滁新高速桥),全长29.843km,包括输水渠道工程和交叉建筑物两部分。输水渠道底宽60m,底高程13.4m,水下预制块铺排面积达146.3万m2。

混凝土预制块护坡采用C25混凝土预制块,单体尺寸为560mm×500mm和580mm×438mm两种,厚度为150mm。预制块采用工厂化制作工艺、蒸汽养护达到设计强度要求。块体采用铺排布连接,选用230g/m2机织布+150g/m2无纺布,加筋带与绑扎带采用聚丙烯编织土工布,其中加筋带宽5cm,绑扎带宽3cm。

2 技术原理

首先采用陆地拼排吊装沉排施工方法,该方法对吊机站位、吊臂长度和预制块矩阵拼接场地等要求极高,导致很多河段无法开展施工。采用沉排施工工艺,沉排施工方法在国内水下铺设铺排工艺经验少、技术难度大,预制块间联锁的卡锁扣破损严重,块体损坏率高,适应变形能力差,严重影响边坡防护施工质量。

针对以上问题,通过实践研究发现,预制块联锁矩阵软体结构水下铺排施工技术适合本项目。首先对预制块结构型式进行优化,施工时在铺排船甲板上展铺排布,在排布上编排预制块单体,通过绑扎使其固定在排布上,形成整体的软排体,再通过铺排船将其铺设到指定的水下岸坡位置,这样形成一种平顺柔性的护岸形式。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 测量定位

铺排船主要依靠GPS卫星水上导航系统的导航图移至铺排施工的范围内,并垂直于排布轴线方向逐一抛投定位锚,确保船只的滑板方向与一级平台方向垂直。在岸坡一级平台外侧要根据测量的点位布置石灰线,石灰线要确保平顺,作为铺排船定位的基准线。

3.2 坡面整修

河道水下疏挖后,配备削坡船结合卫星定位导航系统对坡面进行修整,使坡面平整,坡肩顺直,不得欠挖并确保护坡外观平顺。露出施工期实测水位以上的坡面平整度允许偏差宜不大于15cm。

3.3 船只定位

进船前,进行施工区段的水位测量,保证船只能够靠近岸坡,使船只滑板能够靠近一级边坡。

施工时,将船只移动至指定位置,船身平行于河道水流方向,开始抛锚定位;船头、船尾两侧各抛设两只锚索,收紧锚索,使船只固定,在船头设置主缆连接铁锚,可以承受下漂拉力,并在尾部应用尾缆,能够同时控制船舶的移动,有效提升了系统控制的安全性和便捷性[1]。通过卷扬机收放锚索将铺排船靠近一级平台,并下放滑板,滑板放置与一级平台顶部齐平。铺排施工平面见图1。

图1 铺排施工平面

3.4 排布展铺

水下排布展铺时,吊机将成捆的排布吊至甲板上,由工人将铺排布展开,排尾拉环和滚筒上钢缆相系,打开滚筒开关将排布自动卷入滚筒,直到排头与滑板前沿平齐,关闭滚筒开关,停止卷布。

展铺时,铺排船将滑板放平,操作人员站在滚筒及排体两侧,人工绷紧排布,使排布无皱折,平顺地铺在甲板上。

根据进场的铺排船甲板长度确定排体幅宽,两块排布搭接长度不小于1.5m,搭接宽度允许偏差±50cm。铺排布沿排宽方向设有宽5cm的纵向加筋条,加筋条间距按编排需要定制,用于固定系结条和增加铺排布抗拉强度,其长度与排长相同。在排布边缘处的每个加筋带上均设一个绑扎环,环直径80mm。顺坡方向设置加筋带,间隔按预制块尺寸确定,以保证在每块混凝土预制块下布置加筋带,以增加排布整体强度,加筋带宽度为5cm,以防止铺设过程中的撕裂和破坏。排布示意图见图2。

图2 排布示意图

排布排头排位部位设置拉环,以便于排头埋设和排位连接,确保排体的整体平整。排布加筋带上布置绑扎带,以便于预制块单体与铺布间的固定。

卷铺时,吊机将成捆排布吊至甲板上,由工人将铺排布展开,排尾拉环和滚筒上钢缆相系,启动滚筒开关将排布自动卷入滚筒,直到排头平展在滑板前沿,关闭滚筒开关。

展铺时,铺排船将滑板放平,操作人员站在滚筒及排体两边,用人力绷紧排布,使滚筒上排布无皱折,平铺在甲板和翻板上的排布,用人力拉平直,防止排布皱折、收缩。

3.5 水下预制块编排

排布完成展铺后,开始预制块的编排,通过试验段的铺排效果以及对外观质量和平整度的分析,确定本标段排体采用全顺排的编排方式,以满足设计要求和坡面的整体美观性。

编排时,预制块由运输船运至现场,由船上起重机将预制块吊到甲板上。在甲板的排布上进行编排,利用排布加筋带上预设的绑扎带将左右相邻的两块预制块进行绑扎,采用边编排边沉排的方式进行,根据甲板与滑板的宽度确定每次编排的长度。

3.6 预制块排头埋设固定

为保证水上与水下预制块的结合平顺,确保护坡的整体性、美观性及施工工序的衔接性,同时能够有效地保证水下预制块排头的固定牢靠,对水下预制块的排头固定采用两种方案:对于右岸有一级平台的部位采用平台和水下坡面一体铺设成型的方式,平台处的排头采用铺设水上预制块的进行固定;对于左岸无平台处的部位采用开挖埋设槽的方式进行固定。岸边作业见图3。

图3 岸边作业示意图

3.7 移船铺放

铺排船上配置专职测量人员,铺排前预设定位轴线,轴线布置在一级平台处,定位轴线始终保持与河道中心线平行,通过边缘的点位控制排体的方向,以确保护坡的平顺,减少叠排现象。

预制块排头固定以后,利用横移锚将船只平缓退移,下放滑板,利用卷扬机释放软体排,在甲板上每次铺排时通过GPS卫星指导移船,使软体排铺设到位,当甲板上已编排的最后一行预制块滑到甲板边缘时,利用卷扬机将排体固定,停止移船。编排后半幅预制块,直至编排完毕,再次移动船体,直至最排尾预制块由于自重下沉,到达预定位置,剪断排尾处尼龙绳,单块排体铺排完成。

排尾处拉环连接φ14尼龙绳,且始终处于紧绷状态,以保证铺设坡面的整体平整度。船体滑板下的最大倾角控制在30°～40°。排体一端预留出1.5m排布,以便于下一排体的顺利搭接,水上部分铺排完成后人工重新进行编排,以确保与上一排体相互衔接良好。沉排作业见图4。

图4 沉排作业

3.8 外观检查验收

完成铺排施工后,对铺设铺面利用水上无人船进行测量验收,将收集的数据进行整理,与铺排前完成削坡的测量数据断面进行对比,满足坡比及平整度和搭接宽度要求后进入下一道工序。

4 材料设备与质量控制

4.1 材料与设备配置

材料及设备配置见表1。

表1 材料及设备配置

4.2 质量控制

4.2.1 根据水流调整工艺

在施工过程中,移船铺排方向与水流方向垂直,水流会冲击上游侧排体,造成上游侧软体排收缩较大。在施工中应及时记录水位与流速,为保证施工质量,当流速较大时暂停施工,待流速减小后恢复施工,同时可以视现场情况,将铺排船向上游移动一定距离,以此弥补上游侧排体收缩的损失[2]。

4.2.2 搭接宽度控制

a.明确下排位置。由于水流、移船对排头铺设位置影响较大,因此,移船开始铺排时,根据实际水流情况,超前理论设计排边一定距离,保证铺排完成后边线符合设计要求。

b.预留充足横向收缩量。在铺设排体时,排体单边预留不小于1.5m宽的搭接排布,以保证与下一排体的搭接,搭接时,注意控制排头的定位,确保排体的单边能够准确地按压在预留的搭接带上,避免出现叠排现象。完成铺排后对水上部分搭接断面进行人工修整,确保相邻预制块单体间相互衔接。

c.合理选择下排时间。为避免排头下放时受水流的过大影响,在施工时应选择高平潮时下放排头,在落潮时施工,每小时潮差小,水流平缓,水流方向与铺排船移动方向相反,顶水铺排,使排布展开充分,可以有效保证排体搭接[3]。

4.2.3 排头固定

排头固定是决定排体固定就位和排体安全保护的关键,设有一级平台的部位进行水下预制块铺设时,排头部位通过水上预制块铺设按压进行锚固,确保整体沉排时排体稳定。未设有一级平台的滩地等地段,预制块铺设施工时,排头向岸坡方向延伸3m,并采用压载物(沙袋、预制块、锚桩)将排头部位进行压载稳固。施工时将预制块全部绑扎到位,使之与排布形成一个整体。

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4.2.4 适时调整滚筒

适时调整滚筒,保持排体处于合适的松弛状态,避免同一处排体始终与翻板摩擦,造成排体疲劳破坏,防止排体出现起毛、撕裂现象。

4.2.5 避免排布撕裂

铺设前及时检查验收排布的完整性,检查完好后方可卷入滚筒。铺设时随时检查排布,编排过程中严格落实排布的保护措施,确保每一块排体下的排布完整,无撕裂现象。

4.2.6 做好成品保护

联锁块之间及联锁块与排体之间需要连接牢固紧密,对于已铺好的排布,需要及时做好保护措施,避免各类突发情况损坏已铺好的排布[4]。

5 安全及环保措施

6 效益分析

6.1 缩短工期

使用预制块联锁矩阵软体结构水下铺排施工技术,加快了施工进度,完成效率较高,预制块破损率明显降低,此外施工单位还使用了联锁混凝土体工厂化生产技术,机械化生产效率高,预制块提供充足,实际工期比计划工期提前3个月。

6.2 节约投资

与传统旱地施工工艺相比,该工程施工采用的预制块联锁矩阵软体结构水下铺排施工技术节约投资约6600万元。

6.3 社会效益好

该施工技术具有广泛的适应性,适应水下复杂的岸坡环境,突破了以往旱地水下混凝土衬砌的局限性,实现了绿色环保的生态河道治理理念,符合可持续发展的生态环保理念。

7 结 论

预制块联锁矩阵软体结构水下铺排施工技术已在引江济淮工程中成功应用。预制块联锁矩阵软体结构水下铺排施工技术突破了水下预制块矩阵软体结构搭接控制、撕排、叠排的技术瓶颈,形成了一套比较成熟的施工工艺,该技术解决了河道水下岸坡防护施工难题,减少了施工难度,加快了施工进度,具有到良好的社会效益和广泛的应用前景。