贺 威， 聂 晶， 唐亚俊， 李小超， 汪 威， 常留红， 周 磊

(1. 长航监理有限公司(武汉)， 湖北 武汉430013； 2. 长沙理工大学 水利工程学院， 湖南 长沙410114)

软体排是利用高强度土工织物整体缝接成排布， 排布上根据不同水流情况选择压载物进行压载的一种防冲刷结构， 整体性和耐久性较好， 对不同、 多变的水下地形适应性强， 且价格较为低廉， 施工过程也比较简便[1-2]。 目前长江航道整治工程护底施工中， 多采用D 形软体排结构形式[3]。在软体排铺设施工中， 根据水深的不同， 其施工方法可分为铺排船铺设、 对拉船铺设和人工干地施工3 种[4]。 然而， 在水深和流速较大的工况下进行铺排施工可能会产生铺排船走锚、 横向控制不住船位等问题， 因而对铺排施工船舶性能、 布锚方式等方面要求极高， 铺排施工工艺的选择与方案的制定也至关重要。

1 工程概况

长江干线武汉—安庆段6 m 水深航道整治工程(Ⅳ标段)马当左槽中段潜坝工程采用D 形联锁片软体排(图1)进行护底， 排上抛石压载， 上、下游抛投透水框架促淤。

图1 D 形联锁片(单位: mm)

马当河段上游小叽山江面宽度约640 m， 下游马当矶江面宽度约660 m， 中间河段宽度约为2 200 m， 整个河段呈两头窄中间宽， 再加上棉外洲的影响， 马当左槽河段水流流态较为紊乱， 流速较大； 受2018 年底当地持续降雨和三峡生态调度的影响， 2018 年枯季水位一直维持在高水位， 采用ADCP 分层流速仪进行测量， 施工区内流速峰值集中在中上部水层， 上游最大流速2.771 m∕s， 位于离右岸760 m 处， 流向北偏东59°； 下游最大流速2.976 m∕s， 位于右岸730 m 处， 流向北偏东69°。同一点上下水层水流流速相差0.3～0.5 m∕s， 水深越大水流流速差值越明显， 上、 下水层水流流向变化最大达10°。

马当左槽D 形排施工时水深5～20 m， 当水深达到14 m 时， 施工时出现了铺排船走锚、 铺排船前50 m 横向控制不住船位等现象， 采取增加上游锚缆长度、 增加锚的抓地力、 下连环锚等一系列措施， 仍然未能彻底解决问题。

2 方案比选

长江流量呈上升趋势， 根据工程河段系统治理需要及总体工期安排， 必须尽快完成施工。 因此采取措施增加排布的抗拉强度， 加筋条由单根加强为双根， 另外根据项目现有的设备拟定以下船舶锚固方案。

方案1: 用2 条铺排船(天铺1 号和天铺2 号)同时铺1 张排， 天铺2 号作为主要施工船舶， 天铺1 号辅助施工船舶， 天铺1 号两口尾锚与天铺2 号相连， 增加天铺2 号顺水流锚泊能力。 天铺2 号穿心锚负责控制船舶左右的方向。 方案1 的布锚方式如图2 所示， 总共布置12 根锚缆， 天铺1 号与天铺2 号通过7#和8#锚缆相连。

图2 方案1 布锚方式

方案2: 用1 条铺排船进行施工， 把设计的排头梁换成2 片12 cm 厚的联锁片进行排头锚固，利用排头的水下摩擦力增加整个排体的水下抗冲击能力， 从而提高排布和铺排船的整体稳定性。

3 船舶锚泊力分析

3.1 方案1 受力分析

方案1 中天铺1 号和天铺2 号铺排船均会受到水流的作用， 天铺2 号位于天铺1 号的下游，因此天铺2 号容易受到天铺1 号尾流的影响， 作用在天铺2 号上的水流比作用在天铺1 号上的水流紊动强度更大， 其所受水流力相对较大(与拖带船队中驳船阻力增加原理相似)。 从整体上看， 天铺2 号的部分水流力通过7#和8#锚缆传递给天铺1 号， 如果将天铺1 号和天铺2 号铺排船视为一个整体， 水流方向上的船舶受力主要由1#～6#锚缆共同承担。 从单艘船舶的受力看， 由于天铺2 号的部分水流力通过7#和8#锚缆传递给天铺1 号， 天铺1 号的1#～4#锚缆的锚泊力必然增加； 天铺2 号的水流力主要由5#～8#锚缆承担， 由于7#和8#锚缆的布置基本与河面平行， 其锚泊力与斜插入河底的锚泊方式相比， 锚泊力会减少， 有利于天铺2 号顺水流锚泊稳定。

综合以上分析， 由于7#和8#锚缆布置方式的改变， 其锚泊力会有所减小， 但由于天铺1 号的存在使水流紊动强度增大， 水流力会有所增大，因而天铺2 号锚泊力的增强会不明显。

3.2 方案2 受力分析

对于方案2， 排头梁沉入河床底部， 铺排过程中排头梁与河床发生摩擦， 对软体排排头进行锚固， 可以对铺排船起到锚泊稳定的作用。 如图3所示， 排头梁相当于锚， 软体排相当于锚链，H为水深，T0为水面处排体张力，f为排头梁与河床之间的摩擦力，Gp为排头梁水下自重，w为单位长度软体排水下自重，N为河床对排体梁的支撑力， 水面处软体排与水面所呈夹角为α，L为软体排水平投影长度。

图3 方案2 排头梁及软体排受力

不考虑水流对软体排的动水压力作用， 软体排的锚泊力可采用悬链线理论进行分析[5-6]。 软体排静力平衡方程[7-8]为:

式中:S为水面处至软体排着地点的悬链曲线长度。

由(1)式可得:

软体排张力在水平方向上的分力不变[9]， 因此软体排提供的锚泊力Tm为:

由式(4)可知， 软体排的锚泊力大小就是排头梁与河床之间的摩擦力大小。 由竖直方向上的受力平衡[10]， 有:

由式(6)可以求解得到水面处软体排与水面之间的夹角α。

软体排的上端与滚筒相连， 软体排与滚筒相接处的拉力沿水平方向， 天铺2 号滚筒必须要有足够的刚度以承受软体排拉力的作用。 令翻板与水面之间的夹角为γ(图4)， 以翻板上软体排为研究对象， 忽略翻板以及船舶表面与软体排的摩擦作用， 翻板上软体排下部受到拉力T0的作用， 上部受到拉力Tj的作用， 此外翻板对软体排有一个支撑力Nf。 对软体排进行受力分析， 可得:

式中:Tj为软体排对滚筒的总拉力。

图4 翻板上软体排受力

令天铺2 号滚筒允许应力为σmax， 强度条件(不考虑剪应力)为:

式中:Mmax为最大弯矩，W为滚筒截面的抗弯系数。 软体排对滚筒的作用力按均匀分布进行计算，其对应的分布荷载为:

式中:Lg为滚筒长度。 软体排作用力产生的最大弯矩出现在滚筒中部， 其值为:

将式(10)和(11)代入式(9)， 可得软体排对滚筒的总拉力Tj应满足的强度要求为:

4 现场试验

排布按方案1 入水后， 天铺1 号和天铺2 号之间水流明显变得紊乱， 排布着床后， 7#、 8#缆受力绷紧， 铺排至20 m 时， 天铺1 号往南侧移动，7#缆基本不受力， 8#缆受力增加。 调整天铺1 号的锚缆稳住天铺1 号排至35 m 时， 天铺1 号开始往北侧移动， 7#缆受力， 8#缆基本不受力。 在调整天铺1 号锚缆的过程中， 天铺1 号上游锚分别走锚，铺排被迫终止。 分析原因如下: 1)天铺1 号加入后， 尾流使紊流加剧， 增加了铺排难度； 2)天铺1、 2 号之间为柔性连接， 在紊流的作用下， 并不能当成一个整体， 当连接缆受力不均时， 天铺1、2 号整体在南北方向控制力减弱； 3)上游钢丝缆受力方向的变化使锚的抓地力变弱， 这是上游走锚的原因。

按方案2 进行施工， 综合考虑水深和水流飘移作用的影响后提前下排体梁， 天铺2 号提前3 m下排头， 在排头着床时， 天铺2 号往下游移动1 m后稳定， 而后铺排一直正常， 通过实时声呐检测铺排搭接宽度满足设计要求。 分析如下: 1)排布着床时， 船舶下移， 原因是水下排体梁的连接绳受力不均匀， 是一个调整的过程， 当连接绳都张紧后， 开始发挥锚的作用； 同时排布着床过程类似于船闸闸门关闭， 水流流态急剧改变， 排体受力加大。 2)利用排头作为辅助锚增加铺排船的稳定性是可行的， 但应考虑排体梁的水下摩擦力和排布(加筋条)的受力和滚筒刚度的匹配。

综上所述， 按方案2 施工是可行的。

5 结语

1)经方案对比， 按方案2 施工是可行的。 施工过程中可将软体排视为1 根锚缆， 利用排头梁及软体排与河床之间的摩擦力为铺排船提供锚泊力， 从而达到增强铺排船泊稳的目的。

2)采用该方案进行铺排时， 排头梁或其他类似压重块着床后有一个调整过程， 当排头梁的所有连接绳都张紧后， 其锚固作用才能完全发挥。

3)该方案的实施对软体排滚筒刚度有一定的要求， 施工前须做滚筒强度校核。