朱 昊，王茂枚，婁 丹，羅 青，劉曉兵

(1.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2.南京國環(huán)科技股份有限公司，江蘇 南京 210004；3.如皋市新瀠水利市政工程有限公司，江蘇 如皋 226500)

人類活動、自然變遷和強厄爾尼諾現象的綜合作用，導致長江水沙條件的變化，江水對堤岸沖刷加劇，甚至造成江堤崩塌險情[1]。近年來長江下游實施了多項大型綜合整治工程，水下拋投護岸無一例外都是這些工程的重要環(huán)節(jié)[2-3]。

在整個拋投施工過程中，將塊石拋投到指定的位置，確保拋落的石塊下落至指定范圍是影響拋投施工質量與效率的關鍵。采用經驗公式進行拋投漂距的計算是目前較為常用的手段，較多學者提出各自的理論公式[4-6]。由于以往缺乏先進的監(jiān)測方法和技術，通過現場原位試驗確定拋投測定漂距技術難度較大[7-8]，廣泛應用的拋投漂距經驗公式大多是由室內水槽試驗推導得出的。然而，現場測定結果顯示實際測量值與理論計算值的誤差較大[9]。此外，隨著環(huán)境保護等諸多因素，亟需探尋新的拋投材料以及防護工藝[10]，袋裝沙枕工藝便應運而生[11]。

因此，本文針對新型拋投材料通過漂移距理論公式推導以及現場拋投試驗相結合的方法探求更加科學及可靠的漂移距公式，所得成果可為節(jié)約塊石資源、解決天然河流拋投距離相關理論提供依據。

1 拋投現場試驗概況

1.1 材料準備

采用黃家洲邊灘采沙區(qū)為袋裝沙枕的充填沙源。對指定的采沙區(qū)河床進行取樣，測定篩分析、含泥量、泥塊含量、堆積密度、表觀密度。袋裝沙土枕土工布等效孔徑O95≤0.5d85(d85為袋裝沙土枕充填料的特征粒徑)。

現場設備有：1艘拋枕船、1艘定位船、1艘吸沙船、2艘運輸船、1艘交通船、1艘警戒船、3套充沙設備、 2臺定位儀、2套南方自由行軟件、1臺測深儀、1臺流速儀等。

1.2 拋投施工流程

首先在試驗區(qū)進行區(qū)域網格劃分，把整個試驗區(qū)劃分成每個小區(qū)域，進行定位船精準定位，然后把沙枕平鋪在拋投船上，對沙枕充沙，而后沙枕拋投。在一次拋投結束后，移動定位船并重新定位，再次對沙枕充沙，最后在拋投前、結束拋投后進行多波束水下地形測量。

1.3 試驗場地選取

施工原則按照從上游向下游、從遠岸向近岸、從深泓到淺灘、從底部到頂部的順序進行，拋枕施工時必須劃分小區(qū)，準確定位、定量拋投。先對深槽坑坎處理是便于后期施工陡坡的關鍵。深槽坑坎拋填是沙枕拋填的基礎，試驗數據更具有適用性和代表性，更具有指導施工的意義。

工程所在區(qū)域八卦洲洲頭水流情況復雜多變，漂距的大小與流速、流向等因素有關，確定的水流流場、調整定位方向可將漂距誤差最大限度降低，保證沙枕拋填準確性。經綜合考慮以沙枕拋填分部工程一單元(高程-16～-15 m)作為本次拋投試驗區(qū)。試驗段符合施工規(guī)范要求的拋投順序從上游到下游、從底部到頂部的施工原則。

1.4 多波束水下測量

多波束測深系統(tǒng)是用于測量水下地形、地貌的大型測繪設備組合。它使用水下傳感器，發(fā)射扇波束并接收從海底反射回來的回波信號。本試驗采用Sonic2024型超高分辨率多波束測深系統(tǒng)、美國天寶公司R7GPS、OCTANS光纖羅經和運動傳感器、Atlas雙頻測深儀、全站儀、miniSVP聲速剖面儀等。

在吸收和借鑒國內外先進的多波束軟件設計思想和開發(fā)技術的基礎上，本文將多波束測深數據按以下順序處理：1)將多波束系統(tǒng)設置并安裝好，在拋投前、后進行現場地形地貌的測量，讀取初始地形數據；2)將原始數據導入caris軟件中進行定位編輯，存儲數據；3)建立聲速文件，進行數據修正；4)導入潮位數據并進行修正；5)進行線檢查等其他數據檢查，然后準備成圖。

整個數據處理過程是以提供海洋環(huán)境可視化產品為最終目的，多波束系統(tǒng)采集的所有地形數據進行后處理，建立較為完善的原始數據與結果數據接口，實現水深數據的映射。

2 沙枕漂移距影響因素分析

沙枕漂移距離(簡稱漂距)是指沙枕從入水至著床的過程中，在水流作用下所產生的水平距離，其受水流速度及流態(tài)、河水深度等因子影響，既有一定的規(guī)律性，又呈現出一定的隨機性。

水流的沖擊作用是拋投產生水平漂移的主要原因[12]，沖擊力大小與水流流速有關，分析沙枕漂移影響因子本身屬性特征，研究水流速度、河水深度、沙枕質量、水流流速垂向分布對拋投漂移的作用效果和作用機理是解決天然河流環(huán)境特定條件下拋投落點準確性的關鍵。

2.1 水深、流速、沙枕質量的影響

為了考察沙枕落點距離與水深、流速、質量的影響，分別進行4組控制變量試驗。水深為32 m，保證水深和沙枕本身質量不變，流速分別為0.677、0.820、1.000、1.200 m/s的漂距計算值與試驗值比較見圖1a)；流速為1.000 m/s，保證流速和沙枕本身質量不變，水深分別為30、33、35、40 m的漂距計算值與試驗值比較見圖1b)；水深為32 m，流速為1.000 m/s，保證水深和流速不變，沙枕質量分別為12.72、12.76、12.80、12.96 t下的漂距計算值與試驗值比較見圖1c)?？梢钥闯觯b沙枕漂距隨水深的增加而增大，反之則減??；隨流速的增加而增大，反之則減??；隨沙枕本身質量的增加而減小，反之隨沙枕本身質量的減小而增大。不同水深、流速的漂距均值和均方差非常接近，遠大于沙枕質量。可見水深、流速是主要因素，而沙枕質量對漂距影響居次要地位。

圖1 控制變量下漂距計算值與試驗值比較

2.2 垂線流速分布對漂距的影響

根據水流速度數據的垂直分布試驗結果[13]，在沙枕下沉過程中，水流流速垂向呈指數型分布，對沙枕漂距的影響主要取決于最大流速(水面流速)。為了考察流速垂線分布對沙枕漂距的影響，分別取流速分布指數n為1/12、1/8、1/4進行計算分析，s1/12-s1/8和s1/12-s1/4為不同垂線流速分布指數時塊石漂距的差值。由圖2可看出，各差值隨水深的增大而減小，隨水深的減小而增大，隨水面流速的增大而增大。因此，在大水深或大流速的情況下，應該多考慮水流實際流速在垂線方向上分布的影響。

圖2 不同流速垂線分布時的塊石漂距差值

2.3 沙枕充填時間與充填度之間的關系

本次沙枕的充填度不小于70%，研究施工時如何能在最短的時間內充填達到設計要求是沙枕充填試驗的目的，試驗步驟為：

1)單位時間充填完成的沙袋稱質量(m)，并進行編號記錄。

2)對已稱質量的沙袋測定含水率，并進行現場試驗。

①稱量干燥容器的質量(m1)。

②取沙袋上、中、下3層各約500 g的樣品，充分混合。樣品以已知質量放入干燥容器中，記錄每個樣品和容器的總質量(m2)。

③容器和樣品置于鼓風爐中，干燥溫度在105 ℃左右，烘干至質量恒定。

④將烘干后的樣品與容器稱質量，并記錄總質量(m3)。

⑤按下式計算含水率：

w=(m2-m3)/(m3-m1)

(1)

填充時間8 min時的充盈率試驗數據見表1，可見不同質量不同含水率的沙枕充盈率基本滿足設計要求的70%。

表1 充盈率試驗數據

3 拋體漂距公式的推導

沙枕下沉時的有效重力：

(2)

式中：ρs為袋裝沙枕的密度，它與袋裝沙枕的充填物質、充填壓實程度等因素有關；ρ為長江中清水的密度；d1、d2分別為沙枕的寬度、高度；k1為折算系數，計算整個袋裝沙枕為橢圓形的折減系數。假設袋裝沙枕的長度為l1，橫截面積的長軸為d1、短軸為d2橢圓。

實際試驗區(qū)長江水流流速較高，雷諾數較大，袋裝沙枕在沉降過程中能夠引起四周水體的擾動，屬于紊動沉降狀態(tài)，根據泥沙沉速的研究成果，沙枕在水流中受到的繞流阻力可表示為：

(3)

式中：CD為袋裝沙枕沉降過程中受到的繞流阻力系數；A為袋裝沙枕下沉過程中形成的繞流阻力面積，其值為d1l1；ω為袋裝沙枕在水體中下降的沉速。

考慮袋裝沙枕長江水體運動時受到垂直向上的力和其在水中的運動情況，根據牛頓第二定律得：

W-F=m′a

(4)

式中：m′為袋裝沙枕本身的質量；a為袋裝沙枕在長江中下沉中的加速度。將式(2)(3)、m′及a代入式(4)可得：

(5)

解式(5)可得：

(6)

(7)

(8)

式中：t為沙枕落水時間；p1為反映與長江水流與袋裝沙枕的物理特性有關的因子；p2為反映與袋裝沙枕的尺寸、形狀、充填物等有關的影響因子；c為常數，在水面的初始條件下，將t=0，ω=0代入式(6)，可得出c=0，則式(6)可以寫為：

(9)

(10)

式中：K為系數，與水體中水流流速垂向繞流阻力系數、袋裝沙枕在水中下沉狀態(tài)等有關。

將式(9)結合式(10)，可得：

(11)

在已知袋裝沙枕在水中的下沉速度時，可以推算出袋裝沙枕沉降到不同水流深度所需要時間，即：

(12)

式中：y為沙枕距離水面的垂直距離；c1為常數，根據式(11)和初始狀態(tài)的t=0、y=0代入式(12)可得：

(13)

將式(13)代入式(12)可得：

(14)

當y=H時，由式(14)可得：

(15)

沙枕水平作用力只有水流對沙枕的力，根據牛頓第二定律得：

(16)

式中：CD2為沙枕受到的水平繞流阻力系數；u為袋裝沙枕拋投出的水流運動速度；v為沙枕在水中下落過程中的水平方向的運動速度；l1為沙枕長軸順水流方向擺放的在水中的投影；α1為修正系數，考慮到對長江天然河道水流流速垂向分布式(14)，并由初始條件t=0、v=0確定常數后，可得沙枕水平運動速度：

(17)

式中：u′為沙枕在水中的速度；Kt為沉降時間t的函數，當t→0時Kt→0有v→0，當t→+∞時Kt→1有v→u′。

(18)

式中：α2為與沙枕形狀、大小、密度等有關的綜合系數。對于給定位置的河水深度，可以由式(14)求得沙枕在下沉過程中的沉降時間t0(即t-Δt)，再將t0代入式(18)，即可得到沙枕漂距的計算公式。

4 漂距公式現場驗證

4.1 拋投試驗方法

由于沙枕落水后至河床的漂距受多重因素相互影響，難以用經驗公式進行準確計算。因此，沙枕的漂距主要還是依靠現場實際情況確定，施工時采用多波束實時測量沙枕落地位置，通過落地位置與目標位置之間的關系，調整定位船位置，同時修正漂距公式中的K值，最終通過不斷調整，達到能通過漂距公式準確算出漂距，為大規(guī)模施工提供數據支持。試拋沙枕漂距的測定方法如圖3所示。

圖3 沙枕漂距測定

表2 沙枕漂距拋投試驗工況

4.2 現場拋投試驗結果

驗證資料采用長江中下游南京八卦洲試驗河段沙枕拋投的資料，根據袋裝沙枕的設計尺寸l1=8.5 m、d1=1.6 m、d2=0.5 m計算出沙枕沉速隨K值變化曲線，由圖4可看出，當時間t≤1 s時，ω/ω0隨K值的減小而增大；當t為1.0、1.5、2.0、2.5 s時，ω/ω0隨K值的變化見表3，當t=2.0 s時，5條曲線趨于穩(wěn)定；當K=0.8時，ω/ω0已達到0.999，可以認為基本達到勻速沉降。

圖4 不同K值情況下沙枕沉速與時間關系

根據長江中下游南京八卦洲試驗河段實測水深、流速等資料，采用以上動力學方法計算沙枕漂距，試驗數據與計算數據及相對誤差見表3?？梢钥闯?，上述推導出的袋裝沙枕漂移距計算公式與實際拋投試驗值誤差在20%以內，表明本文所述方法能夠較好地計算漂距。

表3 拋距試驗值與計算值對比

5 結語

1)袋裝沙枕漂距隨水深的增加而增大，隨流速的增加而增大，隨沙枕本身質量的增加而減小。水深、流速是主要因素，在大水深或大流速的情況下，應多考慮水流流速在垂線上分布的影響。

2)本文基于水力學推導的漂距公式，在通過現場試驗獲得參數后可較好地預測袋裝沙枕的漂移距離，可以運用到長江其他河段的拋投施工中，為長江河道整治工程的順利實施提供參考依據。

3)現有拋距計算公式是將水流流速沿水深方向的分布假定為指數分布，當工程區(qū)靠近河口受潮汐影響時，在流向轉變時刻表層流速與底層流速可能出現反轉，須針對轉流時刻流速分布規(guī)律對拋距公式進行改良，以減少誤差。