浮吊船料斗称重抛石法在长江河道整治工程中的应用

陈 伟

(安徽省马鞍山市水利局,安徽 马鞍山 243000)

长江马鞍山河段是《长江流域综合规划》确定的长江干流中下游16个重点治理河段之一。近十几年来,马鞍山河段河道冲刷较明显,崩岸频繁,且强度较大,对河势稳定、防洪安全及岸线利用等带来极为不利的影响。因此,急需对河道进行综合治理、系统治理,对已建护岸工程进行加固,继续发挥马鞍山河段一期整治效果;同时对已出现的新崩岸险情进行治理,以便有力维护河段河势和岸坡稳定。水下抛石作为河道整治工程中最常用的措施之一,广泛应用于各类护岸、护底工程。传统的水下抛石计量大多采用船上量方或吃水线法,在数量控制上稍有不严,就会产生很大虚方量,影响整体工程质量。为更好地达到水下抛石“准、足、匀”的质量目标,在刚刚通过竣工验收的长江马鞍山河段二期整治工程七标段中,首次采用了浮吊船料斗称重抛石法,并全过程视频监控录像,取得了良好的效果。

1 工程概况

长江马鞍山河段二期整治工程是国家172项节水供水重大水利工程的子项目之一,是安徽省重点工程。工程治理范围为长江干流陈家洲汊道段中部的四褐山至马鞍山河段尾,全长约42km。工程任务是维护马鞍山河段河势和岸坡稳定,保障地区防洪安全、岸线利用、供水安全及航道稳定。工程建设内容为新建护岸工程11.5km,加固护岸工程26.1km,新建小黄洲左汊口门护底工程0.9km。主要工程量:土方开挖及回填19.76万m3、散抛块石274.11万m3、预制块护坡17.86万m2、塞克格宾13.65万m3、系混凝土块软体排42.19万m2、土枕填槽25.42万m3和混凝土铰链排8.50万m2。护岸工程采用平顺护岸型式,分水上护坡和水下护脚两部分。水上护坡分别采用生态混凝土锁块、雷诺护垫、生态混凝土锁块结合格宾石笼和散抛块石等型式,水下护脚分别采用散抛块石、塞克格宾、混凝土铰链排等型式。工程批复概算投资102750万元。共划分7个施工标段,其中当涂县境内4个施工标,和县境内2个施工标,马鞍山市区1个施工标,见图1。总体上分三个阶段实施。2019年汛前,实施一、五标段;2019年汛后,实施二、六标段;2020年实施三、四、七标段。计划工期36个月。主体工程于2019年1月开工,2021年8月完工,实际工期32个月,比计划工期提前4个月。

图1 工程总平面布置示意图

该工程水下散抛块石总量274.11万m3。量大点多面广,工期紧、任务重。其中,七标段合同价25964.67万元,水下抛石数量80.14万m3,在整个工程抛石量中占比30%,也是本工程中开工最迟、投资最多、难度最大的标段。由于该标段施工区域水流复杂,主航道区域船舶交通流量大,且冬雨季特殊时期施工易受大风、雨雪等天气影响,安全因素多,施工困难大。2020—2021年期间,受开采条件限制,马鞍山市本地及周边地区石料供应严重不足,价格大幅上涨。经调查,外地如武汉、重庆等地有石料供应。因路程较远,只有选择大吨位深舱自航驳船运输才最经济合理。但深舱船运输面临计量难问题,若按之前几个标段采用的平板船吃水线法计量抛投,外地深舱船运输石料抵达工程区域后,需先到指定码头卸料,再由挖掘机装料到已划定吃水线的平板船,再运至工程现场挂挡抛投,无形中增加了成本,也降低了工效。因此,在七标段抛石施工时,各参建单位结合实际,大胆实践,采用浮吊船料斗称重抛石法控制水下抛石质量。

2 浮吊船料斗称重抛石法的应用

2.1 作业程序

以浮吊船作为定位船,在浮吊船起重机吊钩下挂电子吊秤,再将制作好的钢质料斗作为石料装具,挂在电子吊秤下方[1]。深舱自航驳船抵达施工区域后,建设、监理和施工单位(以下简称三方)先对船上装载石料质量进行初验,验收通过后运料船靠泊在浮吊船外侧,挖掘机将石料装入料斗,浮吊船起重机起吊,待料斗提升到一定高度稳定后,电子吊秤数据锁定,施工员打印称重小票,起重机操作员再将料斗转至内侧指定区域抛投。待料斗石料抛净后,回转至石料船舱,准备下一轮装料及抛投作业,如此反复操作。抛石施工流程见图2。浮吊船水下抛石施工现场见图3。

图2 抛石施工流程

图3 浮吊船水下抛石施工现场

2.2 施工准备

2.2.1 施工船舶及特种作业人员配备

选择旋转变幅式起重船(即浮吊船)作为定位船兼抛石船[2],起重机有FQ10-25、FQ20-25、FQ525等型号,吊车起吊能力在15～50t,吊臂最大长度达26.8m。石料船为深舱自航驳船(吨位3000～6000t)。共投入深仓船28艘,浮吊船15艘,交通艇7艘,锚艇10艘,应急拖轮2艘,挖掘机20台;配置施工现场特种作业人员:深舱船驾驶员36人,浮吊船驾驶员12人,挖机操作手6人,电工2人。

2.2.2 料斗制作安装

采用钢质方形料斗装载石料,在料斗上口四个角连接6根φ14钢丝绳。其中,提升侧吊头两个吊点各连接2根吊绳,用于提升料斗抛投石料。料斗自重约3t,每斗石料毛重12～18t,净重9～15t。

2.2.3 电子吊秤选择

选择20t电子吊秤(型号:OCS-20),具有无线远传功能,配无线遥控器,可无线打印小票。票据显示内容有:日期、时间、流水号、石料净重等信息。

2.2.4 视频监控系统布置

在浮吊船上安装移动布控球机、红外网络枪机、硬盘录像机、视频存储磁盘柜、UPS、8T企业级硬盘等。设置3处视频监控点,一处监控石料船舱,录制挖掘机装斗过程;一处监控料斗,录制起重机起吊、稳定称重、旋转、定点抛投及空料斗回转入舱,继续装填下一斗的全过程;一处监控称重小票打印控制室,录制人员值守、票据打印及票据信息。

2.2.5 辅助船及其他有关设备配置

为强化现场施工管理,配备应急拖轮、起锚艇、交通船、警戒船,以及高频对讲机、GPS测量仪器、RTK、摄像机、台式电脑、打印机、发电机等。

2.3 关键环节控制

2.3.1 抛石定位偏移量确定

在正式抛投前,先进行漂距试验。称取30cm、40～50cm、60cm粒径块石各一块,分别注上标记,选择不同水深和流速区域进行试验。通过试验得到实测漂距,并将实测水深、流速及块石重量等数据代入经验公式L=0.8VH/W1/6计算,将两者结果进行比对,从而分析确定不同粒径块石在不同区域的漂距[3]。

2.3.2 浮吊船定位

按照预先测量放样好的横断面定位线驻位,船身平行于水流方向,采用“四锚法”固定,在船头及船尾两侧分别用两根锚呈八字形斜拉固定。先在浮吊船船边抛石侧设置两个定位点,做初步定位,再采用GPS-RTK对浮吊船前后两个抛点进行精确定位,预留出漂距,定好里程桩。定位时考虑漂距,偏移设计网格线进行定位,见图4。

图4 定位船定位示意图 (单位:m)

2.3.3 抛投施工作业

水下抛石施工遵循“先远后近,先深后浅,先上游后下游”的顺序进行[4],以达到“先镇脚,后稳坡”的护岸效果。将石料船靠泊在浮吊船外侧,船身平行于浮吊船,内侧为抛石施工区域,完成上述流程后即可进行抛投作业。

a.每天开工前,三方首先检查摄像头位置及工作状态;其次检查电子吊秤与接收器;三是检查起重机缆绳、吊环等设施是否完好;最后测量实时流速、漂距,精准调整抛投点位置。

b.抛投作业时,第一吊先称料斗自重,并同往期数据比对、复核。正式起吊后,施工员做好每斗计量和抛投挡位记录,监理工程师旁站、建设单位派员全程监督。

c.断面抛完后,按照设计要求及时将定位船移至下一个断面抛投。

d.抛投过程中,采用多波束仪器进行测量,检查块石抛投效果。

e.抛投结束后,施工人员及时准确地将抛投量绘在挡位图上,每天完成当天抛投量统计、汇总,认真收集施工记录、称重票据及视频录像,做好整理和存档,见图5～图7。

图5 水下抛石每日统计

图6 电子吊秤称重票据

图7 浮吊船水下抛石施工

2.4 质量控制要点

水下抛石工程隐蔽性强,受外部客观因素影响大,质量控制是关键。施工过程中,既要严格把好块石原材料关,更要从“抛准、抛足、抛匀”三个方面强化过程控制。

2.4.1 石料控制

所选块石要求质地坚硬,湿抗压强度大于50MPa,软化系数大于0.7;块石含泥量不得超过1%;比重不小于2.55t/m3;单块重量通常在20～90kg。杜绝尖角、条状、薄片等形状的块石及风化石、水解石、碎石等不合格的石料。为保证抛石整体具有良好的级配,块石粒径通常在0.3～0.6m,不宜过大或过小,不符合设计要求粒径的石料不超过5%～10%。石料进场前,三方共同派员查验石料;进场后,在监理工程师见证下取样,送有资质的检测公司检验,检测合格后方可使用[5]。

2.4.2 抛准控制

将抛投区域按15m×5m划分为若干个单元网格,沿顺水流方向长15m、垂直水流方向5m为一个挡位,精准定位抛投。施工单位测量员按设计给定的抛投区域坐标数据,通过GPS平面控制与浮吊船载RTK联测,建立船载RTK网格平面测控数据网[6]。监理工程师再利用GPS对浮吊船位置进行复测,并监督现场施工技术人员做好漂距测量,确保抛投位置准确;抛投过程中施工人员时刻关注浮吊船位置和方向,一旦发现GPS异常、监控画面偏移、定位船偏位等现象,立即暂停施工,及时报告,待查明原因排除故障后,调整复位,恢复作业。

2.4.3 抛足控制

足额抛投单元网格石料是衡量水下抛石质量的重要标准,只有做到抛石数量达到设计要求方量,工程质量才有保证。因此,施工中采取“以小格保大格”的方式,足额抛投每个单元网格石料。

a.石料抛投过程中,质检员通过电子吊秤机打小票实时累计抛投数量,确保每个挡位抛投数量达到设计要求。一个单元网络抛投结束后,通过视频回放,若发现夹杂不合格石料时,予以扣方,进行补抛,补抛量由三方共同确定。扣方量可参照所夹杂不合格料在整船中占比进行扣除,以保证每个网格实际抛投量必须大于或等于设计量。

b.为保证计量准确,施工单位投入使用的电子吊秤必须出具检定证书或产品合格证,且在有效期限内。监理部另配一台电子吊秤,不定期复核校验浮吊船使用的称重系统,若出现实际称重误差大于标定报告允许偏差值,要求所在浮吊船立即停止施工,复核及更换吊秤,合格后方可继续抛投作业。

2.4.4 抛匀控制

为保证抛投均匀度,根据浮吊船起重机旋转半径和吊臂长度,将15m×5m单元小区再等分成上、中、下3个抛区(5m×5m)。采取单斗分次铺开均匀抛投的方法,分层抛投,在一个抛区内抛石层不应少于2～3层,以保证河床上任何部位都能至少覆盖2层以上块石,防止河床遭受冲刷[7]。特别遇设计抛石厚度较小时,督促浮吊船操作员严格起吊操作规程,控制好吊臂旋转角度,精准定位抛投,严禁集中抛投。

如:按水下抛石厚度0.8m计算,一个单元网格方量为15×5×0.8=60m3。按照1.7系数换算成吨位即60×1.7=102t,分摊到5m×5m每个小格方量为102÷3=34t。按照每斗石料净重9～15t计,一个小格可按3～4斗控制。

除做好以上方面过程控制外,该工程采取全过程水下跟踪测量。单元施工前,三方采用多波束仪器对抛石区域水下原地形进行联合测量;施工完成后,施工单位及时进行自测,自验合格后,将测量成果上报监理部;监理部及时按平行检测频率进行复测。单元完成后,建设单位委托第三方竣工检测单位及时进行竣工复测,对工程所在测区跟踪进行地形图和断面图测量。若发现存在漏抛或欠抛现象,及时进行定位补抛,待达到设计要求后,方可通过验收。

2.5 安全管理措施

2.5.1 施工安全

a.本方法为水上吊装作业,水上工人作业必须戴安全帽、穿救生衣,配备救生船,派潜水员值班监护。工程所用浮吊船、运料船等水上作业船机须经船舶检验部门检查合格后方可投入使用[8]。

b.严格遵守吊装作业相关操作规定,起吊作业由专人指挥,起吊前挂钩人员仔细检查,保证挂钩牢靠,挂好料斗后及时撤离,避免提升后钢丝绳断裂或块石坠落发生安全事故。要经常性检查浮吊船起重机械钢丝绳、吊具设施等,消除设备安全隐患。施工期间,安排专人跟踪维修、保养,经常性开展安全检查,确保施工机械运行安全[9]。

c.当出现大风、大雾等恶劣天气不适合施工作业时,现场需停止施工并加强安全巡查,定位船及挂挡靠泊的石料船必须有专人24小时值班。

2.5.2 通航安全

a.由于工程施工区域位于长江主航道,浮吊船长期占用航道,工程所需石料船、交通船在航线上频繁穿梭,对过往的船舶航行也会产生一定影响,存在安全隐患。为此,工程开工前就向航道、海事部门报告,提前做好《通航安全保障方案》《专用航标设置方案》编制,并及时报请审查,办理通航水上水下施工作业许可。

b.作业水域范围经航道部门批准发布通告后,按要求在工程施工区域四周设置了多处警示标志(浮标)和防护设置,夜间保证有足够的照明和信号;并配置警示船在作业区上下游全天护航,防止过路通航船只进入施工区域。

3 抛投效果检测与分析

3.1 测绘方法与设备

采用RTK+海卓MS400多波束测深系统对抛石区进行水下地形扫测,扫测结果全数字化成图[10]。对抛前、抛后的水下地形资料进行对比,计算出典型断面的抛石厚度。该工程地形图测绘比例尺为1∶1000,基本等高距为1.0m。横断面测量间距:施工前测量为200m左右,施工后测量为40m左右,横断面图绘图比例尺为1∶500。

3.2 测绘成果

工程水下测量工作自2019年4月开始,至2021年8月结束。共完成1∶1000地形图测量合计23.5km2,1∶500河道横断面957条,合计断面线292.8km。通过施工前后断面对比分析,抛石区域水下地形明显增高,符合规范及设计要求。本工程共检测抛石厚度点数2895个,合格点数2216个,合格率76.55%。竣工验收测量成果报告数据显示,七标段水下抛石厚度测点合格率最高,可以看出抛石效果最好,见表1。

表1 抛石厚度测点统计

4 浮吊船料斗称重抛石法优势分析

4.1 抛投准度高

采用浮吊船作为定位船,通过GPS平面控制与浮吊船载RTK联测,有效解决了定位船的位移问题。加上浮吊船起重机的精确定位,提升了抛投的准确度,保证了抛投断面的成型质量。

4.2 计量精度高

水下抛石计量通常采用船上量方和吃水线法,两种方法都存在很大的人为因素影响[11]。浮吊船料斗称重抛投法借助浮吊船起重机吊钩下挂电子吊秤自动称重系统,采取“以单斗保单元,以单元保整体”的方式,做到了石料抛投数量控制精细化、规范化、透明化。

4.3 挂挡效率高

深舱自航驳船装载吨位大,远程运输成本低。运料船行驶到施工区域后直接靠泊定位船,三方验收合格后,即可进行挂挡抛投作业,不仅省去了石料船在码头二次倒运成本,又提高了工作效率。

4.4 安全系数高

平板船配合挖掘机抛石作业时,因偏离重心,使得挖掘装置自身与石料船缺乏稳定性,过挡期间很容易造成重心偏斜,导致挖掘机落水或运输船倾斜[12]。尤其在冬季温度较低的气候环境下,施工安全隐患多。若采用浮吊船自带起吊装置抛投,可避免挖掘机在甲板船上抛投作业,施工安全更有保障。

4.5 适用性能强

从实践效果看,浮吊船抛投在恶劣天气,特别是冬季低温雨雪、大雾等天气,以及水深、浪大等情况下,仍能表现出稳定性好、抗风浪能力强等特点。

4.6 通航影响小

采取深舱运输船直接靠泊浮吊船上挡,减少了抛投区域石料运输船的投入数量及出行频次(深舱船装载能力是平板船的好几倍),特别是七标段位于长江主航道小黄洲左汊,水深流急,过航船只多,只有有效控制施工作业船只的数量,才能减少施工作业对通航安全的影响。

5 结 语

实践证明,浮吊船料斗称重抛石法在长江马鞍山河段二期整治工程中的应用成效是显著的,做到了每船每斗石料都称重计量,每斗石料都精准定位抛投。施工过程中,建设、监理单位对抛投作业实行全过程监管,不定期复核查验施工单位电子吊秤准确性,确保石料计量真实、准确。工程进行全过程视频监控录像,做到了每船石料事后可溯源,每段施工过程可回看,创建了水下抛石数量控制标准化、精细化的管理典范,实际应用效果达到预期设想目标,可在今后类似工程中推广应用。