“X”型水下软体排的受力分析与计算在输水渠道工程中的应用

刘 江，赵旺锋

（中国水电建设集团十五工程局有限公司,陕西 西安 710068）

1 工程概况

引江济淮工程起点派河口泵站枢纽,终点金寨路桥,总长14.98 km,河宽60 m～80 m,地面高程6 m～10 m。本工程输水渠道系利用现有派河河道扩挖疏浚而成,输水渠道系利用现有派河河道扩挖疏浚而成,沿线弯道迎流顶冲凹岸众多,加上通航要求Ⅱ级,在船行波和引水流速的长期共同作用下,渠道边坡易形成浪坎,并最终威胁渠道边坡的稳定安全。为了防止渠道冲刷破坏、保护坡面不直接受水冲刷及船行波对坡面冲击,提高渠道水利用系数,减少糙率,加大流速,确保岸坡安全,对一级平台以下边坡采用12 cm 厚C25 水下联锁式软体排铺设护岸。

2 排体结构与材料对比选择

“X”型水下软体排压载块体采用 C25 混凝土预制块,块体长宽均为 46 cm,厚度为 12 cm, 四周边缘采用 3 cm×3 cm 倒角,单块材料用量为0.024 m3,重量约 57.48 kg,单块之间连接采用 Φ14 的丙纶绳连接[1],单块之间净距为 5 cm,孔隙率约19.6%,考虑到排布为聚丙烯材料,为防止紫外线照射,导致排布质量降低,在水位变幅区内,预制块之间采用 16 mm～31.5 mm 碎石回填[2]。

2.1 排布材料选择与强度分析

（1）考虑到排布为聚丙烯材料,为防止紫外线照射,导致排布质量降低,在水位变幅区 6.1 m～8.6 m 高程范围内,预制块之间采用16 mm～31.5 mm 碎石回填,主要目的是促淤防晒,保护土工布。

（2）排布采用 380 g/m2丙纶复合布（230 g/m2长丝机织布和 150 g/m2无纺布的复合布）[1],其纵横向断裂强度≥50 kN/m,经向断裂伸长率≤35%,纬向断裂伸长率≤ 30%,等效孔径0.07 mm～0.2 mm,垂直渗透系数为K×（10-1～10-3）cm/s（其中K=1.0～9.9）,顶破强力≥5 kN,纵横向撕破强力≥0.9 kN。加筋带规格及抗拉强度应考虑施工荷载,通过计算确定。Φ14丙纶绳破断拉力≥14.5 kN。

2.2 排体结构

排布长度与铺排长度相同,排布垂直水流向布置 7 cm 宽丙纶加筋带,加筋带中心距为 51 cm,即每条加筋带布置在预制块中间部位,排布与加筋带重量略大于 500 g/m2,达到原设计土工布单位面积总量。每一条加筋带上,垂直水流向间隔2 块预制块布置一条长 50 cm 丙纶带,用于排布与块体之间绑扎连接。预制块采用丙纶绳连接,可根据需要预制成成品矩阵, 初拟矩阵为 10 块×8 块（可根据实际排体长度调整）,单次铺设顺水流向长度根据铺排船实际情况确定。排体设计搭接长度不小于 2.0 m[2]。其排体平面图见图1。

图1 排体平面布置图

2.3 分段部位方案优化选择

（1）北岸J3+240～16+870 段,现在大部分无滩地或者滩地较窄,无系排桩施工作业面,因此取消原系排桩设计,软体排排头采用挖地沟型式,将排头埋置于一级坡坡顶或者滩地部位,地沟采用梯形断面,底宽0.6 m,深0.9 m,两侧边坡坡比1∶0.5,确保地沟内每次预埋3 块预制块。地沟采用C25 等腰梯形预制砼块,长度2 m,底宽0.58 m,顶宽1.36 m,深 0.78 m,上部设置2 道钢筋吊环,方便吊装。

（2）北岸J16+870～18+220、南岸J3+240～18+220 段软体排维持原设计方案,将排头系接在坡顶压顶梁上,坡顶梁每隔0.51m 设置一道钢筋拉环,排头丙纶绳系入拉环内。

3 结构及稳定分析

为了保证预制连锁片护坡设计选取的材料规格是否满足施工安全,通过对软体排设计结构及稳定计算分析,分析内容包括丙纶绳强度计算、加筋带强度计算、软体排压载稳定分析[1]、软体排抗滑稳定分析等强度验算进行分析计算,确保“X”型水下软体排施工顺利进行。

3.1 丙纶绳的强度分析

预制块之间采用丙纶绳连接组成矩阵单元,初拟矩阵为10 块×8 块,根据实际施工情况,单个预制块矩阵单元在吊运过程中丙纶绳受力最大,起吊时的荷载主要是构件的自重,另外还要考虑构件底面和地坪（或底模）之间的附着力（包括粘结力和真空吸附力）,以及起吊时的动力作用,并且假定附着力和动冲击力不同时发生,设计时取其大者进行验算。

考虑动力作用受力计算公式：

考虑附着力作用受力计算公式：

式中：T为丙纶绳的最大强度；m取1.3；Q取5 kN/ m2；A=0.46×0.46×80=16.93 m2；F为单个连锁块软体排单元重量,取5.0 t；n为根据以往工程经验取n=10。

根据选取参数经计算,丙纶绳最大强度为13.17 kN,本次设计采用Φ14 的丙纶绳其断裂强度不小于14.5 kN,大于丙纶绳受力计算分析需要最大强度13.17kN,经受力分析设计选用的丙纶绳规格是满足设计要求,通过现场软体排施工吊装试验,吊装铺排过程中未出现丙纶绳断裂现象,确保了施工安全,验证了丙纶绳设计选取参数的合理性。

3.2 加筋带的强度分析

根据《水运工程土工合成材料应用技术规范》（JTS/T 148-2020）可计算排体极限抗拉强度时,缝制加筋带方向仅按加筋带受力计算,所以拟通过选用加筋带的强度来推求软体排施工期抗拉安全系数是否达到规范的要求,从而复核加筋带规格选用是否合理,抗拉安全系数公式如下：

式中：Ksm取 2～3；Tsm为排体极限抗拉强度,缝制加筋带,设计选用7 cm 宽丙纶加筋带（间距0.51 m）,拉伸负荷不小于25 kN,接缝强度取70%,经计算得排体极限抗拉强度34.3 kN/m；Fsm为软体排纵向和横向承受的荷载,施工期经计算最大荷载为14.98 kN；G1为滑板上排体的重量,根据本项目同类型河道铺排试验情况计算取 13.82 kN/m；G2为悬空部分排体的重量,根据本项目同类型河道铺排试验情况计算取8.9 kN/m；α为施工时铺排船滑板的水平倾角,根据本项目同类型河道铺排试验情况取 30°；PW为施工时排体受到的水流力,此次铺排方向为垂直水流方向,排体迎水面面积很小,可忽略不计。

考虑在巢湖常水位条件下铺排施工,经计算得软体排施工期时纵向抗拉系数为2.29,本工程施工期水深、流速不大,软体排抗拉系数取在规范合理取值范围之内,并且通过现场沉排试验,加筋带沉排过程中未出现断裂现象,设计选取参数合理,满足施工安全。

3.3 混凝土连锁块软体排压载稳定分析

根据（JTS/T 148-2020）附录A 公式计算：选取河底宽度最小为60 m 的J9+923.8 断面作为计算断面,流量取派河百年一遇设计流量1268 m3/s,相应水位取11.281 m,采用曼宁公式计算得岸坡坡顶、坡脚断面垂线平均流速为 0.64 m/s、1.49 m/s ；计算公式各类取值参数按照最大值选取。

软体排边缘,岸坡坡顶、坡脚部位临界失稳垂线平均流速为2.113 m/s、1.509 m/s,设计失稳垂线平均流速为 1.767 m/s、1.509 m/s,通过计算分析混凝土连锁块软体排压载稳定失稳流速均大于设计垂线平均流速,设计结构稳定性满足规范要求；对软体排搭接部位, 岸坡坡顶、坡脚部位临界失稳垂线平均流速为1.938 m/s、1.655 m/s；设计失稳垂线平均流速为1.621 m/s、1.384 m/s,均大于设计垂线平均流速,满足规范要求；中间部位设计失稳垂线平均流速为1.851 m/s,大于设计垂线平均流速,满足规范要求。混凝土连锁块软体排压载施工后经过水流冲刷,未出现失稳情况,因此充分验证了混凝土连锁块软体排压载护坡结构的合理性。

根据天科院试验,最低通航水位下,船行波波高最大为0.7m,按规范验算船行波作用下凝土连锁块软体排压载稳定。作用在压载块上波浪正向惯性力的最大值（N）Imax=4.932 N 小于压载块的自重力的标准值（N）635.9 N,波浪作用下凝土连锁块软体排压载稳定满足规范要求,设计结构满足施工及相关规范要求。

3.4 软体排的抗滑稳定分析

软体排抗滑稳定计算可按下式计算：

式中：γm'为软体排的浮重度,取值：5 kN/m3；tm为软体排等效厚度,取0.096 m；α为坡脚,取140；Δh为软体排上下水头差（m）,不考虑软体排上下水头差；γω为水体重度,取 10 kN/m3；fsg为软体排与坡面的摩擦系数,用水下值,由试验确定,取0.3；Km为软体排抗滑稳定安全系数,取1.1～1.3。

软体排与坡面的水下摩擦系数取0.3,不考虑软体排上下水头差,软体排抗滑稳定安全系数1.2。当考虑排布淤堵因素,波浪作用后排体受顶托的稳定如下考虑：假设波浪打击区范围排体与土体无摩擦,下滑力通过块间丙纶绳传递至浪击区以上块体。常水位（7.0 m）下,波浪高度取0.7 m,经计算浪击区下滑力为 1182 N/m,上部稳定块体富余阻滑力为1987 N/m ,该设计护坡结构满足该工程通航工况下抗滑稳定满足要求。

4 结论

通过“X”型水下软体排软体排结构及稳定计算内容包括丙纶绳强度计算、加筋带强度计算、软体排压载稳定分析、软体排抗滑稳定分析,本项目设计的“X”型水下软体排压载块体采用 C25 混凝土预制块,块体长宽均为 46 cm,厚度为 12 cm,单块之间连接采用 Φ14 的丙纶绳连接,排布采用 380 g/m2丙纶复合布（230 g/m2长丝机织布和 150 g/m2无纺布的复合布）,加筋带规格及抗拉强度等通过计算分析,均满足规范及相关要求。

通过现场沉排施工,未出现单元排丙纶绳断裂及排布撕裂工况,沉排后排体坡面稳定,且该排体施工机械化程度高,能提高施工工效和质量,缩短工期,减少劳动力投入,具有施工效率高、施工工期短等特点,进一步验证该排体设计结构合理,施工效果好,可为类似抗冲刷防护工程尤其是坡面及河底冲刷严重的护坡及护底工程提供参考依据。