王茂枚，姜 果，趙 鋼，徐 毅，蔡 軍

(1. 江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

長江下游干流河道水深流急，近年來受上游來水來沙減少等的影響，部分河段河床沖深加劇，水下岸坡坡度變陡，河道的崩岸頻度和強(qiáng)度明顯加劇，并且由于河岸地質(zhì)構(gòu)造多是二元結(jié)構(gòu)，河岸抗沖性較差、崩岸強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響防洪安全和沿江國民經(jīng)濟(jì)設(shè)施的安全運(yùn)行[1]。水下拋石護(hù)岸取材便利、施工工藝簡單便捷，在長江下游河道整治工程中被廣泛應(yīng)用，但受深水區(qū)水深大、流速快、水動力條件復(fù)雜的影響，拋石施工控制難度較大[2-3]。由于拋石護(hù)岸主要是通過塊石覆蓋床面，保護(hù)河床泥沙不被沖刷，因此在拋石施工過程中，要求床面的拋石盡可能均勻。但是在實(shí)際的拋石施工中，因拋石船定位不準(zhǔn)、水流作用等原因，常常出現(xiàn)部分區(qū)域拋石過于集中、部分區(qū)域拋石較少的情況。根據(jù)泥沙顆粒的隱暴特性，泥沙顆粒隱蔽系數(shù)越小則暴露系數(shù)越大、越容易起動[4]，因此拋石的均勻度可能會影響塊石的起動概率，尤其對散拋石而言，拋石均勻度低可能會導(dǎo)致塊石更容易流失。因此水下拋石質(zhì)量評定不但應(yīng)關(guān)注拋石范圍和拋區(qū)增厚指標(biāo)是否滿足要求，而且應(yīng)關(guān)注拋投是否均勻。

為使水下拋石工程達(dá)到“拋?zhàn)恪仠?zhǔn)、拋勻”的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，拋石施工工藝不斷改進(jìn)，目前長江下游護(hù)岸工程中較多采用網(wǎng)兜散拋石和沉箱式拋石等改進(jìn)的施工工藝。與傳統(tǒng)的拋石工藝相比，改進(jìn)后的施工工藝在施工安全性方面有較大提高，但少有對這兩種工藝施工效果的對比研究。目前常用的拋石效果評價指標(biāo)為拋石區(qū)測點(diǎn)增厚及斷面增厚[5]，缺少拋石均勻度的定量評價指標(biāo)。均勻度指標(biāo)種類較多，在各個領(lǐng)域均應(yīng)用非常廣泛[6]，本文嘗試引入離差系數(shù)和克里斯琴森均勻系數(shù)作為均勻度評價指標(biāo)，以長江澄通河段老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程深水區(qū)拋石為例，針對網(wǎng)兜散拋石和沉箱式拋石兩種工藝的拋石效果，從拋石增厚和拋石均勻度兩個方面進(jìn)行對比分析，以期為施工質(zhì)量評價提供依據(jù)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 工程區(qū)概況

長江澄通河段老海壩段位于瀏海沙水道，歷史上演變劇烈，受漲落潮影響和長江主流頂沖，水沙運(yùn)動復(fù)雜，水下岸坡陡峭、地形變化劇烈，是長江下游重點(diǎn)防護(hù)岸段[7]。1)研究區(qū)1位于張家港海力8號碼頭前沿，長約390 m，寬約100 m，區(qū)域內(nèi)河床沖刷嚴(yán)重，最大水深約65 m，近岸平均寬約60 m的范圍內(nèi)采用沉箱式拋石施工，單元工程用WD表示，設(shè)計(jì)拋石厚度2.5 m。沉箱式拋石區(qū)向外約40 m的范圍內(nèi)采用網(wǎng)兜散拋石施工，單元工程用FB表示，設(shè)計(jì)拋石厚度2.0 m。2)研究區(qū)2位于研究區(qū)1下游約3.9 km，張家港海力1號碼頭前沿，長約500 m，寬約150 m，近年來河勢變化劇烈，水下岸坡坡度較陡，近岸平均寬約55 m的范圍內(nèi)采用沉箱式拋石施工，沉箱式拋石區(qū)向外約95 m的范圍內(nèi)采用網(wǎng)兜散拋石施工，單元工程表示及設(shè)計(jì)增厚同研究區(qū)1。研究區(qū)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置及監(jiān)測斷面布置

1.2 施工工藝

網(wǎng)兜散拋石工藝是采用深艙駁運(yùn)輸塊石，浮吊船進(jìn)行拋投的施工工藝，預(yù)先將網(wǎng)兜鋪設(shè)在深艙駁貨艙底，然后裝運(yùn)塊石并靠泊浮吊船，采用GPS精確校準(zhǔn)浮吊船船位，吊機(jī)提升網(wǎng)兜的同時塊石自動滾落在網(wǎng)兜上，將網(wǎng)兜吊至目標(biāo)區(qū)域水面上方，打開網(wǎng)兜，塊石自水面落水，再回收網(wǎng)兜。沉箱式拋石施工工藝是集定位、裝箱、投放為一體的拋投工藝，通過專用沉箱船自帶的GPS定位系統(tǒng)作精準(zhǔn)定位，將塊石裝入沉箱內(nèi)，通過鏈輪傳送將裝有塊石的箱體下放到接近河床面后，打開底門結(jié)構(gòu)裝置，將塊石全部拋投至河床，再將箱體提升至船體內(nèi)。

1.3 研究方案

采用Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)獲取拋石前后拋石區(qū)水下地形，通過在各單元工程內(nèi)布設(shè)監(jiān)測斷面和選取監(jiān)測點(diǎn)，獲取拋石前后各監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測斷面的高程。各單元工程內(nèi)至少布置3條監(jiān)測斷面，各斷面每5 m布置1個監(jiān)測點(diǎn)，研究區(qū)1共布置了19個監(jiān)測斷面，研究區(qū)2共布置了15個監(jiān)測斷面，見圖1。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測斷面高程變化，計(jì)算沉箱式拋石區(qū)和網(wǎng)兜散拋石區(qū)的拋石增厚值和拋石均勻度，作為評價拋石效果的定量分析指標(biāo)，分別對比同一研究區(qū)內(nèi)兩種不同工藝以及同種工藝不同研究區(qū)的拋石增厚值和拋石均勻度，分析兩種工藝在深水區(qū)拋石中的應(yīng)用效果。

2 拋石效果評價指標(biāo)及計(jì)算方法

2.1 拋石增厚

拋石增厚是拋石效果評價的一項(xiàng)重要評價指標(biāo)，在目前拋石質(zhì)量檢測及效果分析中被廣泛采用，分為測點(diǎn)增厚和斷面增厚。測點(diǎn)增厚值計(jì)算公式為：

d=H2-H1

(1)

式中：d為測點(diǎn)增厚值(m)；H2為拋石后測點(diǎn)高程(m)；H1為拋石前測點(diǎn)高程(m)。

斷面平均增厚即為斷面所有測點(diǎn)增厚的平均值，計(jì)算公式為：

(2)

式中：D為斷面平均增厚(m)；di為斷面測點(diǎn)增厚值(m)；n為斷面測點(diǎn)總數(shù)。

由于水流條件、岸坡條件及防護(hù)等級不同，不同拋石單元工程的設(shè)計(jì)增厚也往往存在差異，因此可以采用斷面相對增厚率對比不同拋石區(qū)的拋石效果，計(jì)算公式為：

(3)

式中：r為斷面相對增厚率：D為斷面平均增厚(m)；D0為設(shè)計(jì)增厚值(m)。

2.2 拋石均勻度

由于水下拋石為隱蔽工程施工，無法直觀獲取拋石的位置，并且無法進(jìn)行整平，因此拋厚往往是不均勻的。衡量空間分布不均勻性的變異指標(biāo)通常有極差、平均差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等。但極差、平均差、標(biāo)準(zhǔn)差都是用絕對量來顯示標(biāo)志值的變異程度，而水深測量由于測量誤差的存在，采用絕對量可能會帶來較高的誤導(dǎo)性。采用相對量表示的均勻性指標(biāo)可以克服以上指標(biāo)的缺點(diǎn)。常用的衡量均勻度的相對指標(biāo)有離差系數(shù)CV、基尼系數(shù)Gini、集中指數(shù)CI、赫氏指數(shù)HHI、克里斯琴森均勻系數(shù)CU等。不同均勻度評價指標(biāo)所采用的原理不盡相同，由上文可知，拋石監(jiān)測點(diǎn)采用抽樣的方法進(jìn)行選取，因此基尼系數(shù)Gini不適合用來分析拋石均勻度；另外不同拋石區(qū)因面積不同，監(jiān)測點(diǎn)選取的數(shù)量也有所不同，導(dǎo)致集中指數(shù)CI和赫氏指數(shù)HHI均不具有可比性，但對離差系數(shù)CV和克里斯琴森均勻系數(shù)CU沒有影響。因此本文嘗試引入離差系數(shù)CV和克里斯琴森均勻系數(shù)CU作為拋石均勻度衡量指標(biāo)。

2.2.1離差系數(shù)

離差系數(shù)又稱變差系數(shù)，為拋石測點(diǎn)增厚值均方差與均值的比值，可表示不同均值系列的離散程度。CV越接近于1，離散程度越大，拋投越不均勻；CV越接近于0，離散程度越小，拋投越均勻。其計(jì)算公式為：

(4)

2.2.2克里斯琴森均勻系數(shù)

(5)

本文將克里斯琴森均勻系數(shù)引入到拋石均勻度評價中，用該指標(biāo)衡量拋投是否均勻，KCU越大表明拋投越均勻，反之則拋投越不均勻。

(6)

3 拋石效果分析

研究區(qū)1的3#、10#、15#監(jiān)測斷面和研究區(qū)2的1#、7#、13#監(jiān)測斷面拋前、拋后斷面變化見圖2?？梢钥闯?，施工區(qū)河床深槽水深普遍較深，最深處河床高程接近-75 m，其中研究區(qū)1沉箱式拋石區(qū)整體地形較為平緩，平均水深約50 m，但WD1、WD2所在區(qū)域存在一個非常明顯的沖刷坑，沖刷坑一側(cè)岸坡較陡，最大坡比約1:2。研究區(qū)2沉箱式拋石區(qū)岸坡坡比基本在1:3左右，水深變化范圍為15～50 m，與研究區(qū)1相比，平均水深相對較淺。研究區(qū)1網(wǎng)兜散拋石區(qū)平均水深約46 m，地形平緩；研究區(qū)2網(wǎng)兜散拋石區(qū)平均水深約58 m，坡比約1:5，岸坡也較為平緩。拋石后各斷面線總的趨勢與拋前基本一致，但岸坡相對變緩，有利于岸坡穩(wěn)定。

圖2 拋石前后研究區(qū)監(jiān)測斷面變化

3.1 拋石增厚效果分析

在河勢急劇變化區(qū)拋石，施工質(zhì)量受水流和岸坡的影響較大，質(zhì)量控制難度非常大。根據(jù)江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DB32T 2334.2—2013《水利工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評定規(guī)范》(簡稱規(guī)范)[9]，由于研究區(qū)均位于沖淤急劇變化區(qū)，設(shè)計(jì)要求測點(diǎn)增厚值和斷面增厚值達(dá)到1 m即為合格，增厚值統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 測點(diǎn)及斷面合格率統(tǒng)計(jì)

由表1可知，沉箱式拋石區(qū)和網(wǎng)兜散拋石區(qū)測點(diǎn)合格率均達(dá)到70%以上，斷面合格率均為100%，兩種拋石工藝的拋石質(zhì)量等級均為合格，但沉箱式拋石區(qū)的測點(diǎn)合格率要高于網(wǎng)兜散拋石區(qū)。研究區(qū)1沉箱式拋石斷面平均增厚為1.77 m，研究區(qū)2沉箱式拋石斷面平均增厚為2.13 m，斷面平均增厚均高于網(wǎng)兜散拋石區(qū)。研究區(qū)1沉箱式拋石區(qū)和網(wǎng)兜散拋石區(qū)的斷面相對增厚率分別為0.89、0.56，研究區(qū)2沉箱式拋石區(qū)和網(wǎng)兜散拋石區(qū)的斷面相對增厚率分別為1.07、0.67，沉箱式拋石工藝下的斷面相對增厚率均高于網(wǎng)兜散拋石工藝，由此可見在深水區(qū)拋石增厚控制方面，沉箱式拋石工藝表現(xiàn)較好。

根據(jù)不同研究區(qū)的拋石增厚效果對比可知，研究區(qū)2沉箱式拋石增厚效果較好，測點(diǎn)合格率和斷面平均增厚均高于研究區(qū)1。結(jié)合不同研究區(qū)水深情況可知，對于沉箱式拋石工藝，水深較淺時拋石增厚效果相對較好。研究區(qū)2網(wǎng)兜散拋石區(qū)平均水深大于研究區(qū)1，但研究區(qū)2網(wǎng)兜散拋石的測點(diǎn)合格率和斷面平均增厚均高于研究區(qū)1，由此可見網(wǎng)兜散拋石增厚效果不僅與水深有關(guān)，而且也受施工時的水流條件、施工船只定位等其他因素影響。

3.2 拋石均勻度分析

沉箱式拋石區(qū)和網(wǎng)兜散拋石區(qū)的拋石均勻度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。沉箱式拋石區(qū)離差系數(shù)CV均小于0.4，克里斯琴森均勻系數(shù)KCU均高于70%，拋石均勻度較高。研究區(qū)1網(wǎng)兜散拋石CV達(dá)到0.647，相對較高，KCU僅為52%，相對較低，拋石均勻度較低。與研究區(qū)1相比，研究區(qū)2網(wǎng)兜散拋石均勻度相對較高。綜合來看，沉箱式拋石CV均低于網(wǎng)兜散拋石，KCU均高于網(wǎng)兜散拋石，兩項(xiàng)均勻度指標(biāo)的評價結(jié)果一致表明沉箱式拋石工藝的拋石均勻度高于網(wǎng)兜散拋石工藝。此外，通過兩個研究區(qū)之間的對比也可以看出研究區(qū)2兩種工藝下的拋石均勻度均高于研究區(qū)1，表明同種工藝不同區(qū)域之間的拋石均勻度仍存在差異。其中研究區(qū)1和研究區(qū)2沉箱式拋石的均勻度相差僅0.3%，不同研究區(qū)之間拋石均勻度相差較小，而不同研究區(qū)網(wǎng)兜散拋石的均勻度相差達(dá)17.7%，因此可以認(rèn)為沉箱式拋石工藝在拋石效果穩(wěn)定性控制方面優(yōu)于網(wǎng)兜散拋石工藝。

表2 拋石均勻度

根據(jù)拋石均勻度的計(jì)算公式可知，拋石均勻度直接受測點(diǎn)增厚和斷面平均增厚影響，本文采用靈敏度分析方法初步分析拋石均勻度對斷面平均增厚變化的敏感程度，靈敏度用拋石均勻度指標(biāo)的變化率與斷面平均增厚變化率比值的絕對值表示，計(jì)算結(jié)果見表3。可以看出，CV的靈敏度值較大，KCU的靈敏度值較小，表明CV對斷面平均增厚變化更敏感，因此在對比斷面平均增厚相差不大的拋石區(qū)的均勻度時CV的評價效果會較好，指標(biāo)的適應(yīng)性較強(qiáng)。

表3 拋石均勻度指標(biāo)靈敏度

3.3 施工工效與成本分析

沉箱式拋石因集定位、裝箱、投放為一體，工效保證率高，減少了拋投的倒運(yùn)次數(shù)。并且由于一次拋投塊石量大，能夠快速在河床上形成連續(xù)的防沖護(hù)底，更有利于減少河床沖刷。沉箱在接近河床過程中受流速影響較小，可連續(xù)、準(zhǔn)確投放，而且可以減少小粒徑塊石的流失，保證了有效拋投量，降低損耗，減少補(bǔ)拋工序。另外，沉箱式拋石可施工作業(yè)時間長，特別是在水深、流急條件時拋投效果更突出。網(wǎng)兜散拋石工藝受潮汐、流速等影響較大，當(dāng)流速大于1.5 ms時通常要暫停施工，并且小粒徑塊石損耗較大，需采取補(bǔ)拋措施。根據(jù)同等條件下的工程直接費(fèi)用分析(表4)，每拋投1 m3的塊石，沉箱式拋石工藝直接費(fèi)用比網(wǎng)兜散拋石增加約18%，但可以縮短工期，節(jié)約塊石資源，綜合效益相對較好。

表4沉箱式拋石和網(wǎng)兜散拋石工程直接費(fèi)用對比

元m3

元m3

施工工藝人工費(fèi)塊石費(fèi)機(jī)械費(fèi)損耗費(fèi)合計(jì)沉箱式拋石48.011917.03.68187.68網(wǎng)兜散拋石5.11198.526.52159.12

4 結(jié)論

1)沉箱式拋石工藝雖然工程直接費(fèi)用相對較高，但拋石測點(diǎn)合格率、斷面平均增厚和斷面相對增厚率均高于網(wǎng)兜散拋石工藝，綜合效益較好。在深水區(qū)拋石增厚控制方面，沉箱式拋石工藝表現(xiàn)較好，并且水深較淺時沉箱式拋石工藝拋石增厚效果更好。

2)選取離差系數(shù)CV和克里斯琴森均勻系數(shù)KCU作為拋石均勻度衡量指標(biāo)，沉箱式拋石CV均低于網(wǎng)兜散拋石，KCU均高于網(wǎng)兜散拋石，表明沉箱式拋石工藝的拋石均勻度高于網(wǎng)兜散拋石工藝。不同研究區(qū)同種工藝拋石均勻度也存在差異，沉箱式拋石工藝區(qū)域間的拋石均勻度相差較小，在拋石效果穩(wěn)定性控制方面優(yōu)于網(wǎng)兜散拋石工藝。

3)離差系數(shù)CV和克里斯琴森均勻系數(shù)KCU的評價結(jié)果一致，均可用于拋石均勻度評價中，通過兩項(xiàng)指標(biāo)對斷面平均增厚變化的靈敏度對比可知，CV對斷面平均增厚變化的靈敏度高于KCU，指標(biāo)的適應(yīng)性較強(qiáng)。