新型透空式六面体在南汇东滩促淤二期工程中的应用

    张静

    摘 要：基于已有的研究数据，为降低海岸工程对天然材料的依赖度，寻找可替代的人工材料，同时降低工程成本。将大体积新型六面体应用在南汇东滩促淤二期工程中，构筑透空潜堤，代替以往以抛石为代表的实心潜堤，同样能起到消浪促淤的效果。

    關键词：六面体；促淤；应用

    中图分类号：U654 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）06-0066-02

    在港口海岸工程中常修筑潜堤来达到促淤、护岸、防浪、导流等目的。潜堤的结构形式较多，有矩形、半圆形、梯形、槽形、斜坡形等。无论是哪种形式的潜堤，目前大多采用的是实心结构。随着各大港口规模的发展壮大，保滩促淤需求不断增多，若依然采用传统的抛石等实心结构，则对天然材料需求将不断增大，工程造价将居高不下。为了节约工程成本，在工程建设中减少对天然材料的依赖，新型材料——六面体应运而生。

    2014年冯卫兵已经研究证明实心堤与六面体构筑的透空式潜堤并无很大差异，透空式潜堤一样能满足消浪要求，能对潜堤后方水域起到很好的保护作用，透空式潜堤相对于实心潜堤而言，不仅可以节省原材料、降低工程造价，还可以保证海域水质，这进一步说明了透空式潜堤的实用性。

    就本工程而言，上海地区可供开采的矿山较少，块石、砂土等材料供应紧张，如果采用远距离供应块石等材料，必将大大增加工程造价。同时，工程区域属于软土地基，潜堤建成后极易产生较大沉降，尤其是不均匀沉降，影响堤身结构的稳定性。因此，人工替代材料以及修建在软基上的建筑物应最大限度地减轻堤身自重，同时有利于促淤保滩。

    1 工程概况

    1.1 工程简介

    南汇东滩促淤二期工程位于浦东机场外侧促淤区以南的没冒沙水域，以及大治河延伸段以南的-2～-3m 高程（吴淞零点为基准，下同）以上的南汇东滩滩地，南侧边界以临港新城大堤与原南汇东滩四期大堤交汇点为界。六面体堤身段的形成为本工程的主要施工内容。

    1.2 工程内容及结构形式

    六面体为1.8×1.8×1.8m的中间镂空的方型块体，单重约为10.0吨，组成材料为素混凝土，强度为C30，单个实体体积4.32m3，六面体数量共计21345。

    六面体结构见图1，六面体堤身段结构见图2，六面体堤三维视图见图3。

    2 主要技术难点

    2.1 堤身高度不确定

    由堤身的设计断面图可以看出，六面体直接安放在护底软体排上，护底软体排随河势高低起伏，故堤身高度因河势的起伏为一变值。

    六面体为固定尺寸的大型预制构件，很难通过增加六面体的安放数量及层数来调节堤身高度。特别是堤身高度发生较小变化时，增加一层块体顶标高则太高，且会增加成本，而减少一层块体顶标高则太低，不满足设计要求。通过何种手段来调节高度以达到既满足设计要求又节约工程成本是本工程需要解决的技术难点之一。

    2.2 块体水下定位困难

    六面体斜坡堤的堤身底部护底软体排的标高一般在-1.4m～-2.9m之间，施工区域的潮位介于+0.5m～+4.5m之间，因此有2～3层的块体始终处于水下，施工过程中块体入水后就无法观测到块体的具体位置。而六面体的安放原则是为“质心定点、姿态随机”，即要求底层六面体的位置基本准确，其余几层的块体质心应基本准确，不能有较大偏差，但水下六面体的位置人工无法观测到。如何使六面体准确定位成为本工程的技术难点之二。

    3 技术难点的解决

    对于以上两个难点，只有考虑通过调整透六面体质心间距来调整堤身空隙率和高度。六面体安放原则为分层安放，层与层之间呈梅花型摆放，上一层块体始终放在下一层四个块体中央。这样使其块体之间孔隙率达到最大值，然后通过调整最底层块体的纵横中心间距，使上层块体下卧于下一层块体的嵌入深度发生变化，从而使方块层高发生变化来达到堤身高度发生变化而后保证堤顶高程值的目的。

    3.1 室内模型试验

    3.1.1 实验目的

    通过模型试验，验证设计堤身所达到的孔隙率。为保证所建造堤身顶部标高均匀一致，确定不同滩底标高断面最底层六面体抛放的质心间距。

    3.1.2 模型建立

    （1）模型比例为1：20，六面体为7.5×7.5×7.5cm方钢结构；沙盘为1.0×0.8m，将1.0m确定为堤身宽度，相当于20m。将0.8m方向确定为堤身纵向长度，相当于16m。

    （2）断面建立为在横断面的模型玻璃上1：20比例缩放，标注尺寸并在堤顶预留沉降标高0.3m（顶高为4.0m，设计顶高为3.7m）。

    3.1.3 试验内容

    第一层预制块模型为规则摆放，块体间距暂按11cm（在试验底标高情况下，每个断面均匀布设7块，块体间距约为11cm，二层以上部分按“梅花”形式摆放，且根据实际空隙调整块体的摆放位置，将整个断面摆放至饱满状态，具体见图4。

    3.1.4 试验结论

    本阶段经过20次模型块体摆放试验，试验断面层数对应块体数量详情见表1：

    通过调整底层块体的行、列间距，使相邻层块体间的嵌入深度有所变化，已调节堤身孔隙率和堤身总高度。根据不同区段、不同滩底高程对应试验模块纵、横向距离、断面层数及计算坝体孔隙率，详情见表2：

    3.1.5 试验结论分析

    根据设计给出的的56%孔隙率反推其摆放预制块数量为73块；有规则摆放为74块；从摆放结论上得出本次模型试验与设计的给出的结果吻合。

    3.2 通过典型施工验证施工参数

    3.2.1 典型施工计划

    设置50米典型施工段，对室内模型试验的参数进行验证和调整，同时对安装工艺进行必要的检验，为大规模安装提供合理参数、优化施工工艺，保障工程顺利实施。

    3.2.2 典型施工

    本工程先进行典型施工，边摸索边施工，安装期间出现底部滑移现象，顶面高程不能一次性加高至计划高程，在两侧抛石棱体完成后，继续加高至4.2～4.8米高程，预计将安装970只塊体。

    成型断面能保证顶层块体不少于3个，相邻块体高差能够控制在50cm以内。

    施工期间基本能够保证底层块体安装位置准确、分布均匀，未发现排布破坏现象；二层块体斜插嵌套，露出水面部分基本都是斜面嵌套，很少出现块体水平放置。

    测量检查：人工摸索登上块体，为了在有限的时间内全面测量，每个块体测量对角两个点，以一点定位、一点定向的方式确定块体的位置和方位，成图后与理论块体位置形成对比，便于直观地反映现场情况。

    根据测量数据绘制块体位置图，采用模型进行室内复原，将现场的安装情况在室内再现。块体中心间距横向最大值为2.60m，最小值为2.20m；纵向最大值为2.37m，最小值为2.02m；两侧块体的边角均超出理论边线范围，平均超出0.21m。块体实际安放中心位置最大偏移0.26m，最小偏移0.01m。

    3.2.3 典型施工对后期施工的指导意义

    （1）在典型施工中，发现块体加高过程中出现底层滑移现象，所以对施工流程做调整：

    施工工艺流程：a、砼连锁排铺设；b、水平安放底层块体；c、抛投两侧抛石棱体；d、进行二层及以上块体加高。

    （2）通过本次试验可以确定现有施工工艺能够满足设计要求。

    （3）安装完成的部分块体已经长出青苔，给人工攀登带来更大困难，后期整修应以增加补充为主，不宜对已安放块体重新起吊。

    （4）安放完成的底层块体不能露出水面，设置的警示标志难以阻挡船舶进入，存在很大安全隐患，施工组织上要尽量减小流水步距，降低安全风险。

    3.3 采用3GPS定位系统进行定点安装

    定位船选用平板吊机船，利用船载双GPS导航系统对船舶的位置和方向进行准确定位，保证船舶在风浪中的平面摇摆幅度不大于30cm，风浪过大时暂停施工。

    定位吊机船吊机臂顶部安装一台GPS接收机，用无线传输方式与吊机驾驶室的电脑相连，通过电脑显示屏确定吊钩所在位置，到达计划抛投区域时进行定点准确抛投。

    运输船舶选用1000吨级左右的平板驳船，在高潮位时靠档定位船，抛投时，分区定位抛沉。底层每块六面体按室内试验分段划分网格，并对网格进行编号，吊机逐格进行抛投，一个区域完成后，由定位船松紧锚缆进行移位，再进行下一个区域进行抛投。

    4 施工方法

    4.1 施工工艺流程

    施工工艺流程：开工前测量、扫海清基→底层通长冲砂管袋铺设（同步底层透空里面提预制）→混凝土联锁块软体排铺设→底层六面体安装→堤角抛石棱体抛理→二层及以上六面体安装。

    4.2 安装方法

    六面体底层全部水平放置（采用双吊点），质心位置根据每标准段的滩地高程计算确定，现场采用GPS控制。第二层开始块体采用定点随机安放，块体角插入相邻块体中，但同时应确保块体角不直插至底层排体，以免损坏已铺设的排体。

    4.2.1 底层六面体的安放

    底层六面体采用水平吊装，吊起后偷空六面体呈水平状态，以保证安装后六面体呈水平状态安装间距由模型试验的结果确定；吊装船顺堤轴线停，根据GPS显示数据移船位；按模拟试验所确定的纵、横向间距，将参数输入电脑，完成程序设置；吊起六面体，按电脑屏幕显示的六面体理论位置和实际位置，移动吊臂，安放方块，安放时尽量确保块体能水平着底。图5为六面体底层安放斜视图，图6为吊机操作室电脑界面。

    4.2.2 第二层及其上各层六面体的安放

    第二层及其以上的六面体采用单点吊，吊起后块体呈倾斜状态；第二层及其以上的六面体的安放步骤与第一层相同，但横向安放行数为：若第一层为n行，则第二层为n+1行，第三层为n行，其后每增加一层行数减少一排；相邻两层的六面体从平面看呈梅花型布置，即上层块体均安放在其下层块体的空档处。图7为第二层以上吊装示意图。

    4.2.3 水面附近及以上六面体的安放

    安装水面以上六面体时，除按间距控制外，还需结合实际情况，将块体安放在下层块体的空隙处，以确保上层块体的稳定性。六面体斜坡堤的堤顶满足顶宽及安放三块块体的要求。

    在吊放过程中应保证构件的均匀受力，要求轻吊轻放，采取防撞措施，避免碰坏构件棱角。

    由于大部分区域需要在高潮时安装，安装面处于水下，只能进行随机安装。最下面一排块体坡脚位置利用GPS根据模型试验确定的纵横间距准备定位，其它坡面上，从下向上依次安装，顶部安装时尽量利用露出的时间，保证顶面每个断面有三块六面体。

    六面体内部随机抛投，表面根据设计断面进行精确安装，保证坝体外形与设计相符，安装后的效果如图8所示。

    5 工程效应

    大体积透空式六面体在南汇东滩促淤二期工程中的应用，进一步证实新材料、新工艺在促淤保滩工程中的重大意义。通过两期工程的实施，对材料及工艺的不断调整，将最大限度的发挥新材料的作用。透空式六面体的应用，降低了对天然材料的依赖程度，使今后缺乏天然材料地区的促淤工程不再受天然石料限制，为城市港口海岸建设作出重要贡献。南汇东滩促淤二期工程的顺利实施，将完成促淤面积约6.6万亩，为后期的圈围造地工程奠定基础。透空式六面体的实际应用证明透空式潜在缺乏天然石料的城市港口建设中，将发挥巨大的作用，为其他区域促淤工程的实施提供基础数据的积累及宝贵的经验。

    参考文献：

    [1] 冯卫兵，厉佳卉，曹海锦，张俞.一种新型透空式潜堤消浪促淤特性试验研究[J]. 水运工程，2014（1）.

    [2] 郑荣平，李建军.块体斜坡地施工技术[J]. 水运工程，2006（S2）.

    [3] 李杰.南汇东滩促淤工程南区设计波浪要素研究[J]. 水道港口，2012（3）.