（结构工程专业论文）航道工程软体排沉排的受力分析.pdf

武汉理1 ：人学硕士学伊论文 摘要 软体排是防水流冲刷的保护结构中最常用、最有效的构件之一。它是以土 工合成材料加压重材料制成的系结式的排体结构。在实际工程中，用专用的沉 排船将软体排沉放在预定的位置，覆盖于可能发生冲刷的河床或岸坡面上，使 河床或岸坡土体与水流隔离开来，免受冲刷。 软体排在防护工程中的应用日益广泛，但理论研究长期落后于工程实践的 现状一直存在。在软体沉排过程中，因为对排体的受力情况认识不足，有可能 发生船舶断缆、排布撕裂、卡排梁变形和裂痕等问题，从而严重威胁到施工人 员的安全。 软体排沉放过程中由于受水流、风浪等多种因素的影响，压载物对排体基 布及基布上的加筋带的作用比较复杂。同时在实际施工中，由于铺排方向可能 与水流方向呈任意角度，当软体排在垂直水流方向上的投影面积不为零时，在 动水压力的作用下，即使软体排的下放速度大于移船速度，软体排在水中也不 可能保持垂直状态。首先不考虑动水压力，计算软体排在静水中铺排时的受力 情况。在此基础上，分析动水压力对软体排的影响，并且能最终确定铺排方向 与水流方向呈任意角度时软体排的受力情况。 本文借助于理论公式的推导和强有力的有限元工具( 有限元分析软件 a n s y s ) ，考虑了软体排沉排过程中受力状态的变化，分析得到最不利的受力情况， 并提出计算简化条件；结合力学相关知识，对软体排在静水的受力进行分析， 准确推导出软体排在静水中的水上排体和水下排体的受力计算公式，计算在静 水中不同水深、不同移船相对位移下软体排的受力，并进行有限元模拟，将有 限元计算结果和理论计算结果进行比较分析；根据相关理论分析，运用平均流 速、伯努利方程计算动水压力，推导出软体排在动水中形状公式，并利用有限 元软件a n s y s 模拟计算出软体排在不同水流速度、不同水深、不同移船位移等 实际情况下所承受的拉力。 本文对软体排沉排进行由浅到深的分析，通过对分析结果的总结，为软体 排沉沉排施工工艺提供参考。 关键词：软体排，受力分析，有限元分析 a b s t r a c t f l e x i b l em a t t r e s si s o n eo fm em o s te f f e c t i v ec o m p o n e n tw h i c hu s e di n w a t e r p r o o fs t r e 锄锄s i o np r o t e c t i o ns 咖c t u r e s i ti s b a s e do np r e s s 研z e dh e a v y m a t e r i a i sa n dg e o s y n t h e t i c s i i lm ee n 舀n e 甜n gp r o j e c t ，t h es p e c i a lf l e x i b lm 纰e s s a l w a y sb eu s e dt od r o pt ot h ee x p e c t e dp l a c e t op r o t e c tt l l er i v e r b e dw 蚯c hw a sa l w a y s i e s t r o y e db ys 骶锄 f 1 e x i b l em a t t r e s sh a sb e e l lu s c dw i d e l ymp m t e c t i o np r o j e c t ，b u tt h et h e o r yi s d r o p b e h i n dt h ep r a c t i c ei i lal o n gt i l l l e i i ld r o p p i n gf l e x i b lm 批潞s ，b e c a u s eo fm e l a c ko fn i ek n o w l e d g ei ns 能s sa i l a l y s i s ，i ta l w a y so c c u r ss o m es 甜o l l sa c c i d e n t s w h i c hi m p e r i lp e o p l e s l i f e d u m gd r o p p i n gn e x i b lm a t t r e s s ，m 锄yf a c t o r s ，s u c h 嬲w a v e s ，s of l e x i b l m 撇e s sh a sc o m p l i c a t e ds t r e s s 锄a l y s i s w h i l ei i l t l l ee i l 百n e 嘶n gp r o j e c t ，m e s e f ；l c t o r sa r em o r ec o m p l i c a t e d b u ti fw ed o e s n t 廿l i l l l ( o f m eh y d r o d ) r l l 锄i c p r e s s u r e ，w ec 锄g e ta i le x a c tr e s u l t b a l s e d o nm i s ，w ec a i l 锄a 1 ) ，z eh o wc 觚m e h y d r o d y l l 锄i cp r e s s u r ea 疏c tf l e x i b lm a 仕r e s s 1 l l i st h e s i su s e sm et h e o r y 锄df e mt 0a n a l y z em es 仃镪si i ln e x i b lm a t t r e s s f 戤w ed o n tc o n s i d e rt h eh y d r o d y i l a m i cp r e s s u r ei ns 呻l es i t u a t i o i l ，锄dw eg e tm e e x a c tt e s u l t w r h e l lw et a l ( ei n t oh y d r o d y n 锄i cp r e s s u r e 廿1 ec o n c l u s i o nb a s c so n b e n l o u l l i ，se q u a t i o na n dm e c h a i l i c sk i l o w l e d g e ，w eg e tm ef e m r e s u l t si i ld i f f e r 饥t s i n l a t i 0 1 1 t h e nc o m p a r cm ee l i l 咖c a lf 0 册u l aw i m t l l ef e mr e s u n s ，t l l ec o n c l u s i o n i sg e t t e d i n “st h e s i s ，n e x i b l em a s sa r eb ea n a l ) ，z e 丘d ms i m p l et oc o m p l e xs i t u a t i o 璐 t h er e s u l t si su s e f h l i nt h ee n 西n e e r i n gp r 叫e c t k e yw o r d s ： n e x i b l em a t t r e s s ，f o r c ea 1 1 a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t 锄a i y s i s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 垒j 数日期：型q ：墨：近 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全都内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名) ：_ 寿钟期：细i 。支疗 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 选题的背景和意义 第l 章绪论 软体排是以土工合成材料加压重材料制成的系结式的排体结构。在排体上 按设定间距缝合纵向加筋带，在软体排上压以抛石、预制混凝土块或者联锁块 体等作为压重，以防止排体被水或水流漂起或移动，因此也可以把软体排称为 软体沉排【l j 。 软体排是防水流冲刷的保护结构中最常用、最有效的构件之一。依形式的 不同，软体排可分为单片排、双片排、护底排等，其中包括有充填物的和无充 填物的软体排等多种形式。其中最为常见的是系结压载软体排。系结压载软体 排是在土工织物上缝制加筋条，然后按一定间距布设系结条，排上压载物通过 系结条与排体连接成整体。在实际工程中，用专用的沉排船将软体排沉放在预 定的位置，覆盖于可能发生冲刷的河床或岸坡面上，使河床或岸坡土体与水流 隔离开来，免受冲刷【j 。 软体排沉放过程中由于受水流、风浪等多种因素的影响，压载物对排体基 布及基布上的加筋带的作用比较复杂。同时在实际施工中，由于铺排方向可能 与水流方向呈任意角度，当软体排在垂直水流方向上的投影面积不为零时，在 动水压力的作用下，即使软体排的下放速度大于移船速度，软体排在水中也不 可能保持垂直状态。首先不考虑动水压力，计算软体排在静水中铺排时的受力 情况。在此基础上，分析动水压力对软体排的影响。 软体排在防护工程中的应用日益广泛，但理论研究落后于工程实践的现状 一直长期存在，与国际上先进技术水平的差距非常明显。就目前情况看来，国 内相关研究比较少。另外，土工合成材料的产品种类不断增多，而产品制造技 术与工程应用又不能同步发展。在软体沉排过程中，因为对排体的受力情况认 识不足，有可能发生船舶断缆、排布撕裂、卡排梁变形和裂痕等问题，从而严 重威胁到施工人员的人身安全；同时，由于软体排沉排施工的难度比较大，现 有的施工船舶究竟能否满足施工工况还不是很清楚，更谈不上成熟的作业方法， 因此有必要对软体排沉排进行由浅到深的分析研究，既能保证施工人员的人身 安全，又可以对不同工况下的排体受力情况有一个清楚的认识。通过对分析结 武汉理t ，j 学硕士学位论文 果的总结，关于软体排的沉排施工工艺可以有一个比较规范的操作方法，因此 对软体排沉排的受力分析是非常必要的。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状分析 1 9 5 8 年r j b 黜t t 将聚氯乙烯织物铺放在美国福罗里达州的海岸块石护坡 下作保护挚层，一般认为是应用土工织物的开端。到6 0 年代，合成纤维土工织 物在美国、日本和欧洲逐渐推广应用于护岸防冲工程。1 9 6 8 年荷兰人获得专利， 研制成以双层土工织物，在一定距离处加以缝合，可在现场作为模板，往其中 充灌混凝土的产品，即现今所称的土工膜带。同年美国首先将其应用于高1 7 m 的a l l e 曲e n y 水库上做护坡。但是由于当时土工织物主要是机织型的，也就是通 常讲的有纺织物，价格较高，限制了它的发展【2 】。 无纺织物在6 0 年代末，开始应用于欧洲，给土工织物的应用带来了新的生 命。1 9 7 0 年法国v a c r o s 坝即采用了质量为3 0 0 9 ，1 2 的无纺土工织物作为土坝下 游的排水反滤层，用厚一些织物铺在上游乱石护面下作保护层。同年法国 i m o n e p o u l e n c 公司首创无纺土工织物，它大大拓展了土工织物的应用范围。国 际著名厂家生产了b i d i m 无纺土工织物系列。 “土工织物”( g e o t e x t i l e ) 是1 9 7 7 年j p g i r o u d 与j p 疵t t i 首先提出来的。 他们把透水的土工合成材料称为“土工织物”。 土工织物在我国的应用，起步较晚，但发展很快。1 9 7 6 年，在江苏省长江 沿岸的嘶马，以聚丙烯扁丝土工织物，结合聚氯乙烯绳网和压重混凝土块，构 成软体沉排，成功的保护江岸免受冲塌。 7 0 年代末江都长江芒稻河东岸西闸也用类似的软体排解决了其上、下游地 面防冲问题。具有研究意义的是，7 年之后，从原位采样检测，土工织物的拉 伸强度比初始的只下降了o 5 l 。 上海航道勘察设计研究院，自7 0 年代末开始就围绕着长江口地区整治建筑 物的主要结构部分，在护底及充填袋堤心进行大量现场科学试验工作。 1 9 8 8 年在浙江省海宁的钱塘江口的强涌潮区海塘护岸工程中成功应用了国 产的土工模袋( 在此之前应用的土工模袋，都是从同本引进的产品) 。施工期间， 测得最大流速曾达到8 3 朋s ，相应的水流压力为3 4 4 k p a 。在该工程中，为了防 止模袋下可能因淘刷而架空，导致刚性板块断裂，将整体模袋分隔成许多长方 形小块体，并将他们用高强锦纶绳相互连接，混凝土浇注厚形成铰链式混凝土 2 武汉理r t 大学硕十学位论文 块排。 此外，江苏南宫河航道整治工程、长江天兴洲护岸工程和辽河康平县兰家 段护岸工程等工程都是我国应用土工织物进行护岸工程的典范。 1 9 9 7 年在太仓中远国际城围堤吹填工程中应用了沙肋软体排施工工艺。 关于软体排的受力分析，我国学者也做了大量的研究工作。悬链线理论是 目前公认的软体排受力分析的基本理论，朱宪武【3 】利用这种理论对软体排在静水 中的受力进行分析，并推倒出软体排在静水中的受力公式。张景明，严之菲【4 】 通过试验，进一步分析软体排沉放过程中的受力机理。 国外关于软体排的应用很早，尤其是在英美等国家。美国国土的1 3 以上需 要堤防工程来保护，英国河道海岸整治中的护岸工程也是备受关注的。这些国 家为使护岸工程标准化和规范化，专门颁布过护岸工程的设计标准和手册，并 且这些技术文件随工程经验的积累不断地在结构形式、材料、施工工艺等各方 面有新的发展和创新。 尽管软体排在我国航道工程中应用的相对起步较晚，但发展很快。经过多 年来的试验及工程实践，已经初步摸索和总结了软体排在不同施工工艺下的应 用方法，但还不成熟，还需要进一步进行研究。 1 3 本文的研究内容和工作 计划利用以往所学关于力学的知识及有限元工具( 结构分析软件a n s y s ) ，对 软体排沉排进行受力分析，并将所得理论数据与有限元计算所得数据进行比较 分析，得出研究结论。 研究方法： ( 1 ) 在分析和借鉴现有的理论基础上，对软体排在静水中的受力进行分析。 ( 2 ) 在已有研究结果的基础上，对软体排沉排情况进行有限元模拟，与理 论值进行比较。 ( 3 ) 分析软体排在不同情况下的受力情况，即不同水流速度，移船速度等 实际情况对软体排受力进行分析。 ( 4 ) 对比理论结果、有限元的计算结果，提出能实际运用的软体排结构设 计和沉排计算的公式。 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章软体排的排体结构及技术要求 2 1 软体排的组成及分类 软体排主要由两部分组成，即土工织物垫和其上的压重。 2 1 1 土工织物 ( 1 ) 定义和类型 土工织物【2 】是一种具有透水性的土工合成材料，也是目前产量最大、工程 中应用最广的一种土工合成材料。它可以分为有纺织物和无纺织物两大类。 有纺织物是由长丝或者纤维纱按照定向排列的土工织物，可分为机织型和 针织型。机织型织物有两组平行细丝或纱按照一定的方式交织而成。两组细丝 是互相垂直的，也可以织成斜角方向的，沿机器方向的成为经纱，而横过机器 方向的成为纬纱。也有的有机型织物是压黏而成的。单丝与细条的土工织物一 般很薄，约为o 5 1 1 1 1 n ；而多丝、细纱、原纤维纱的机织型土工织物则较厚，约 为3 5 衄，有的甚至达到10 1 1 ：1 1 i l 。 针织型织物中典型的有经编土工织物，它具有较高的抗拉强度和较小的延 伸率，所以与机织型的织物有明显的不同。 有纺土工织物有三种基本的织造形式：平纹、斜纹和锻纹。平纹是最简单、 应用最多的一种织法。斜纹织法则是经线跳跃几根纬线，织物表面长经线呈对 角线形。而锻纹织法仅适用于衣料类织物。 无纺土工织物产品问世较晚，大约于2 0 世纪6 0 年代后期才在欧洲兴起。 这类材料的出现大大促进了土工合成材料的工程应用。依照粘合方法不同，无 纺土工织物分为热粘合、化学粘合、机械粘合土工织物三种。 无纺织物是由细丝或短纤维按照随机或定向排列制成蓬松纤网，经过机械 加固，把网丝相互连系起来，而制成的织物。有时候，为了改进产品的质量或 满足一些特殊的要求，也可以采用涂层、叠层或化学处理等方法进一步加工整 理。 机织土工布中的孔与孔之间极易产生变形，为此应及时采用无纺织物铺设 反滤层。由于无纺织物强度低、延伸率大，则可考虑用编织型聚丙烯排布。 4 武汉理 ：人学硕士学位论文 软体排的材料一般为编织型聚丙烯，软体排排体之上每隔一定距离系以聚 乙烯筋绳，以便于排体的施工和固定，同时，也是对排体的加固。这种排体的 优点是：具有良好的整体性；具有良好的柔性，能适应地面形状的变化，在上 面的压重下可以紧贴土面；软体排排体抗拉强度高、抗磨性好；耐久性好，使 用寿命长。 ( 2 ) 土工织物的一般性能 土工织物具有重量、整体性好、易于加工、抗拉强度好、耐腐蚀、孔隙直 径小、渗滤性好、质地柔软、施工方便、能与土很好的结合等许多优点。它的 性能可以随聚合物原材料、织物的变形和制造方法的不同，适应不同的工程的 需要，适应性很强。 表征土工织物产品性能的指标【5 】包括： 1 ) 产品形态：材质制造加工方法、宽度、每卷的直径及质量。 2 ) 物理性质：主要有单位面积质量、厚度、开孔尺寸( 等效孔径) 、均匀 性等。 3 ) 力学性质：主要包括抗拉强度、断裂时的延伸率、撕裂强度、冲穿强度、 顶破强度、蠕变性与岩土间的摩擦系数等。 4 ) 水力学性质：垂直向、水平向透水性。 5 ) 耐久性、抗老化能力。 土工织物的宽度和质量规格可以在很大的范围内变化，宽度1 1 8 m ，质量 1 0 0 1 0 0 0 咖2 。开孔尺寸从无纺织物的o 0 5 o 3 m m ，到机织织物的0 1 1 0 m m ， 甚至更大。 抗拉强度对大部分的无纺织物为1 啦3 0 k n m ，高强度的无纺织物为 3 肌1 0 0 k n m ，机织织物从一般的2 0 5 0 k n m 到高强度的5 肛1 0 0 k n m 。特高强 度的经编织物或带状织物甚至可达1 0 0 1 0 0 0 k n m 。 土工织物与所接触材料( 如岩土、混凝土等) 的力学相互作用以接触面的 抗剪强度( k p a ) 或用库仑定律的强度指标变现内聚力( k p a ) 与表观摩擦角度 表征。土工织物与土之间的接触面抗剪强度一般小于或等于土的抗剪强度，其 大小主要取决于土工织物的表面粗糙度等。 土工织物的渗透性，一般以渗透系数七来表示，土工织物的渗透系数般 为l o 一1 0 0 c m s 。 武汉理。1 ：大学硕十学伊论文 2 1 2 软体排的压重 软体排排体的压重材料主要有块石、沙枕、石笼等压载。 软体排排面的压重主要是为了保证软体排的稳定性，保证软体排在外力作 用下不会被破坏。排面压重除了应该保证排体稳定性的要求以外，它的自身尺 寸也应该有足够大小，避免在水流和风浪作用下失稳。一般河流中影响其稳定 的主要因素为流速，流速越大，要求的石块重量也越大。 根据工程经验，采用编织型土工织物垫并用块石压载，边坡不宜陡于l ：2 o ， 最好是1 ：2 5 或者更缓些。一般认为块石保护层厚度应不小于5 0 c m ，砾石保护 层厚度应不小于4 0 c m 。 2 1 3 软体排的分类 1 ) 单片土工织物排( 单片排) 。 利用选好的有纺土工织物拼接成大面积的垫片，尺寸大小可以根据保护区 的范围、周围环境和施工条件等确定。垫片的尺寸越大，整体性越好，越节省 材料，但相对的施工难度也会增加。一般采用挚长在5 肛1 0 0 m ，宽度不小于1 0 m 。 如图2 1 所示。两块大面积挚之问可采用搭接或其他连接方式拼合，搭接宽度根 据最大不均匀沉降时，块体间可错动的距离决定，一般不小于0 5 m 。 单片排重量轻，沉排时需要一边沉排，一边压重，且一般宜用于小型防护 工程。 缝纫莲接线 图2 1 编织土工织物挚连接平面示意图 6 武汉理1 = 大学硕十学位论文 2 ) 双片土工织物排( 双片排) 双片排是将两块单片排重叠后，按照一定间距和形式连接在一起，在两条 连接缝之间形成定的管状带或格状空间，其中填充透水性土料。它既能防冲， 又具有一定的自重，可以省去或减少外加的压重。 双片排主要用于重要工程和风大浪急、流速高的防护部位或重要的抛石护 脚的垫层。 3 ) 铰接联锁块软体排 铰接联锁块软体沉排，简称联锁块沉排，是由铰接的联锁压块，包括混凝 土块、枕袋、石笼等，和土工织物排垫联接一起构成的柔性整体排结构。联锁 压块是由混凝土块体并排嵌套契合，或者用钢筋或尼龙绳连接而成，对于混凝 土预制块体来说，它是刚性的，但联成联锁护块后，则具有一定的柔性，它可 适应地形的变化。这种护坡对于缺乏石料或者强调生态保护的地区，应用很广。 单个块体的平面尺寸在5 0 c m 以内，每个块体中央可以透空，以利植物的生长。 块体的厚度根据护坡稳定性要求而定，一般在2 0 c i i l 左右。联锁起来的块体按照 需要可以形成7 3 0 m 2 的整体块网或更大的网状结构。 排垫仍为整块的土工织物，压块与土工织物排垫连接起来，可以起到压重、 抗冲、抗浮和消浪等保护作用。压块与排垫之间可以连接得很牢，也可以采用 在排垫上散堆石块的做法，加强各块石之间的约束力和整体性，有助于防止单 个块石被水流冲走。 联锁块软体沉排【l i 】的优点是很明显的： ( 1 ) 压块单元可以在工厂生产，而且易于运输和安装。 ( 2 ) 尺寸可以做的很大，并在现场的船上整体旌工进行铺放和配装，具有 很强的适应性，而且不容易发生损坏。 ( 3 ) 每个单元可以任意弯曲，沉放入河床后可以根据地形紧贴土面。 ( 4 ) 可以长期使用。 因此，近年来在治理河道和防护工程中，混凝土联锁块软体沉排的应用非 常广泛，且发展迅速。 根据压重块体的不同，块体间可以采用的联接形式有铰链、缆索、土工织 物以及其他填缝材料等，来构成整体沉排。 ( 1 ) 铰链式联锁块沉排，铰链是由钢筋制作构件制成的，在浇筑压块时， 将铰链预制在压块侧端部，联锁的压块放置于土工织物之上。土工织物应该具 有足够的抗拉强度和耐久性，而且要具有定的反滤功能，以防沉排下面的土 7 武汉理丁人学硕十学位论文 体被冲蚀流失。 ( 2 ) 缆索联锁块体沉排，这种沉排是由抗磨蚀的缆绳以及它的联接器和土 工织物滤层等与块体连接构成，块体之间的空隙填以填缝材料，缆绳将各独立 的块联成一个整体，预制块有实体和空体之分，空体中可以填充细沙砾等。混 凝块可直接在底部土工织物上浇制。用4 根合成纤维绳系固与土工织物上， 各块体中间间距1 c m ，空隙中填充砾石。 2 2 软体排的沉排 2 2 1 水上沉排 1 ) 排垫铺放 对于单片排，常采用顺坡滚下的方式摊铺。土工织物挚摊铺后，应及时压 重块，以防止排体移动。 对于双片排，铺放是应作准确的位置测量，并应该考虑充填会出现的横向 收缩。双片垫充填后重量大，底部纤维可能会因过大的拉力而损坏，应该进行 事前的验算。充填方法有水力、压缩空气或溜槽充填等三种。充填材料有砂、 砾石、多孔混凝土或多孔沥青混合料等。如果没有反滤要求，也可以充填粘性 土、混凝土等弱透水材料。充填应达到规定的密实度和重量，但应该防止充填 时胀破。 施工时应注意：( 1 ) 对于水力充填法通常要排出大量的水，可能引起岸边 的浸蚀和冲刷，应采取保护措施；( 2 ) 当用压缩空气充填时，伴随有高速空气 流，出料管操作不慎，可能导致挟砂气流冲破土工织物，而且可能危及施工人 员的安全，应采取预防措施。 2 ) 块石压载施工 块石压载的铺放和平整作业，可以采用白卸卡车、吊车、挖土机或人力。 当采用机械施工时，土工织物上的覆盖层应该具有一定的厚度，否则应避免机 具直接或间接通过土工织物。必要的时候应该避免土工织物承受过大的荷载。 3 ) 预制块的铺设 预制块可以用起重机吊到规定位置铺放，小尺寸的也可以采用人工铺放。 武汉理t 大学硕十学位论文 2 2 2 单片排沉放 土工织物单片排垫重量轻，在水中会浮起，尤其是在有波浪和流速大的情 况下，它可能被揪起而难以到位，必须靠压载下沉。 当沉放护底排时，排一端与沉梁相连，另端与尾梁相连，两根梁均受到 浮力作用，并在沉放后才能分离。将排拖至预定位置后，在其上抛块石使其下 沉。为避免土工织物受损，应先抛砾石或小块石，单块最大重量1 0 6 0 k g ，待排 沉至水底，在按照设计规定抛足数量。 当沉放护岸排时，先将其顶端固定在堤顶上，另一端用梁或平底船拖到预 定位置处，然后沉放，作业方向从岸边向河心推进。对于海岸防护，还需要考 虑潮汐的影响，用吊车沉放和附加抛石应该有可靠的标绘系统或浮动支架，利 用抛石船或分格的块石平底船较好。 2 2 3 双片排沉放 双片排重量大，可以依靠自重下沉，但运输较困难，因此，排体的制作和 沉放适宜放在一条船上按顺序进行，与压载单片排的施工相比双片排的沉放多 了一道充填工序。 2 2 4 联锁块软体排沉放 联锁块软体排的沉放方法与双片排的沉放原则类似。目前国内常用的有三 种方法：水上投放法、吊入法和滑丝拖放法。 1 ) 水上投放法 狭窄的河流上可在两岸设桩控制，宽阔的河流上就需要在河中用趸船设定 位桩。将拼好的排体顺水流方向，分前后层叠于一岸。排头和排尾固定于沉梁， 排头沉梁上结扎数根牵引缆绳，缆绳一端连到对岸或河流中趸船上的卷扬机上， 排尾扣于起排岸定位桩上。上、下游两侧各用两根调位绳索，由上、下游侧各 两只抛锚船在排外控制，排边四周扣浮筒。放排时，几台卷扬机同步牵引缆绳， 排体慢慢展开并浮于水面。然后用仪器检查排位是否正确，如有偏差，用四根 控制绳索适当调整。解开四周浮筒，数台卷扬机同步启动松绳，让沉排在自重 作用下，慢慢下沉至设计位置。为防止排体沿岸坡产生位移或被水流冲动，用 绳索将排体绑扎在准备好的木桩上。 9 武汉理1 ：人学硕士学位论文 2 ) 吊入法( 用起重船沉放) 在沉排区河岸上先打系排桩，对沉排区进行水下检查清理。用吊机将驳船 上拼装好的排体组件吊至要求位置，将排头扎紧在岸坡排桩上，然后利用起吊 船前后的拉锚牵引作业驳船向江中移动，作业驳船上的排体随即在自重作用下 下沉。当沉放作业驳船上排体快用完时，再将运输船上的排体移到驳船上，将 它们与留在作业驳船上的沉排联接，重复上述步骤继续沉放。必要时可以由潜 水员下水检查质量。 3 ) 滑丝拖放法 在预定沉放的位置设置两根定位钢缆，两缆的一端锚定在深泓处，另一端 系于岸上，用绞车绞紧。两缆之间的距离与排宽相同，钢缆上事先穿上多个系 环，将岸边排块头尾装上钢管，排体两侧系好环扣，系上部分压重预制混凝土 块，然后在钢管上扣上拖绳，排尾缆绳拴在岸上，排头缆绳拴在固定好的趸船 卷扬机上。转动趸船上卷扬机，使排体随着拖动的缆绳向前移动，直至拖到预 定位置，然后让潜水员下水扣好全部预制块，割掉系环，解开钢管提出水面。 这时排体与定位缆全部脱离，最后起锚取走定位钢缆。 2 2 5 冰上沉排 在季节性冻区采用冰上沉排方法，定位放样准确，可以不用船舶等交通运 输工具，功效高，工时省，可以节约工程费用。冰上沉排的施工环节大部分与 水下沉排类似，这里不做赘述。 2 3 软体排的技术要求 软体排的铺设范围、高程等应根据防护的面积和位置确定。 软体排材料可选用1 3 0 咖2 以上的编织土工织物在正反面连以尼龙绳网成。 单片软体排可用于一般防护，双片排软体可用于重点防护。按软体排上压载方 式，砂肋排可用于淤积区，混凝土连锁排可用于冲刷区。 顺水流方向的排宽应为防护区的宽度、相邻排块缝接或搭接宽度和排体收 缩需预留宽度的总和，相邻排块缝接或搭接宽度不应小于l m 。 垂直水流方向的软体排长度应为水上部分软体排长度与水下部分软体排长 度之和。 水上部分软体排长度应为水上坡面长度和坡顶固定所需长度之和。水下部 l o 武汉理。1 j 人学硕十学位论文 分软体排长度应为与水上排衔接长度、水下坡长度( 含折皱和计入伸缩量所需 长度) 和预计冲刷所需预留长度之和。 软体排应进行下列验算：抗浮稳定；排体边缘抗冲刷稳定；抗滑稳定；软 体排需要的压载量。 软体排沉排施工应根据具体条件选用以下方法：人工或机械直接沉排；水 上船体或浮桥沉排；冰期沉排包括冰上沉排和冰下沉排。 综上所述，总结实际施工中软体排的技术要求如下： ( 1 ) 在实际施工过程中，施工单位应该根据排体尺度、航道水深、载荷情 况选择适合工程特点的沉排船。 ( 2 ) 沉排前需要对沉排区域进行测量或扫床，以便获得初始河床地形并确 认在沉排区域内是否存在突起的障碍物。如果发现影响施工的障碍物，应该采 取有效措施进行处理，以保证软体排不至于破坏。 ( 3 ) 软体排排头必须采取有效措施确保其牢固稳定，并预留适当的长度， 要注意排头的锚固和排布入水的精确位置，确保设计护底范围均有排体覆盖。 ( 4 ) 绑扎前应该清除破损的混凝土块。混凝土块应该在凹槽内用系结条系 紧，系结点应肉眼看不到孔隙，系结条和混凝土块的间隙要达到人手插不进的 程度。 ( 5 ) 沉排应采取系物、加肋条、牵引等有效措施保证沉排体紧贴床面。 ( 6 ) 沉放过程中，要重点控制排体铺放平整，压载均匀，沉排全过程必须 监测排体边缘入水的轨迹，沉排轨迹图的描绘必须与沉排施工同步，以便及时 纠正沉排偏位。 ( 7 ) 对暴露于日光下的排布，须在4 8 小时内进行覆盖，以免降低强度，否 则，应将其作废。 2 4 本章小结 本章详细介绍了软体排的构成、分类，对软体排的沉排方法也进行了详细 的叙述，另外提出了软体排在尺寸选择、施工条件、安全措施等多方面的技术 要求，在了解了关于软体排的基本知识的基础上，有利于下面工作的展开。 武汉理1 ：人学硕十学侮论文 第3 章软体排结构受力分析 3 1 软体排的基本受力状态 图3 1 软体排沉排示意图 软体排在沉排过程中，如图3 1 ，假设移船速度大于铺排速度，可以将软体 排的受力状态概括为： ( 1 ) 软体排入水后迅速沿船舷垂直向下滑动至河床，软体排排体受到的作 用力包括垂直向下的重力作用、动水压力作用以及卷排筒刹车时对滑动中的软 体排产生的一个附加动力载荷作用。 ( 2 ) 铺排船沿铺排方向向前移船时，由于移船速度大于铺排速度，在水下 的部分软体排在水中成半悬链线状态，此时船舷处拉力最大，当放排速度一定 时，移船速度越大，软体排所承受的拉力也越大，受力状态也最为不利。 图3 2 软体排铺设过程示意图 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 ( 3 ) 当卷筒上的排布剩下一定长度时，停止移船，卷排筒刹车停止软体排 下滑，剩下的排体仍呈半悬链线状态逐渐铺设于河底，将软体排逐步沉入水中， 此过程船体对软体排排体的拉力逐渐变下直至消失。( 如图3 2 所示) 3 2 受力计算条件假设 为了便于分析软体排排体的受力情况和计算排体受力，对软体排的计算条 件进行如下简化。 ( 1 ) 压载块按照均布载荷进行计算分析，且由于压载块的质量远大于聚丙 烯编织布加筋条和系结条的质量，因此聚丙烯编织布、加筋条和系结条的质量 忽略不计； ( 2 ) 排体材料始终处于弹性工作阶段，不考虑加筋条的弹性变形； ( 3 ) 由于加筋条直接缝制在基布上，因此软体排在沉放过程中，加筋条与 排体基布是共同受力的，而排体之间的连接处，因为只有纵向加筋条相连，所 以排体之间的连接处所有的拉力均由加筋条承受； ( 4 ) 排头不会随着船一起移动。 3 3 软体排受力计算 根据实际施工情况，软体排整个排体在如图3 2 所示的受力状态( 2 ) 的情 况最为不利，所承受拉力最大，所以本文重点讨论受力状态( 2 ) 时软体排的受 力情况。 根据顺水沉排施工工艺，排布最大受力点在排体将要脱离船舷处，所以在 受力状态( 2 ) 时排体主要受力有：排体船舷处所受船舶的拉力；处于水中的排 体重力；水面上排体重力；水中排体在河底处的锚力；水中整个排体所受的动 水压力。根据上文简化条件，首先选取宽b = 1 m 的软体排排体进行受力分析， 其受力示意图如图3 3 。 在实际施工中，由于铺排方向可能与水流方向呈任意角度，当软体排垂直 水流方向上的投影面积不为零时，在动水压力作用下，即使软体排的下方速度 大于移船速度时，软体排在水中也不可能保持垂直状态。如果不考虑动水压力 作用，即在静水中进行软体排的铺设，这时软体排在水下部分呈现规则的悬链 线状态，计算相对简单。因此，首先分析在静水中铺排时软体排的受力情况， 武汉理i ：人学硕十学位论文 然后再此基础上分析动水压力对软体排受力的影响。 t m t b 3 4 本章小结 图3 3 软体排排体受力示意图 本章通过分析软体排在沉排中的几种受力状态，提出简化受力计算的基本 假定条件，并且分析软体排受力的最不利状态，以此为基础进行研究分析。 1 4 武汉理【凡学硕十学忙论文 第4 章在静水中软体排结构受力分析 4 1 软体排排体水下部分的受力计算 船在静水中移动时，软体排在水下部分成半悬链线状卷，因此首先采用悬 链线理论来分析和计算软体排在水下部分的受力情况。 4 1 1 悬链线理论 当有一条均匀、柔软的绳索，两端固定，绳索仅受重力的作用而下垂，这 条绳索在平衡状态时的曲线形状就是一条悬链线l “1 如图4 - l 所示。园此，在移 船过程中，软体排呈现的形状币是半个悬链线。 图4 1 悬链线曲线 假设软体排横截面积为a 单位长度水下重量为昕，任意一点的拉力为l 且水平分力l = 而，垂直分力为疋，取任一微段出进行受力分析，如图4 2 所示。 中 图4 2 悬链线微段受力分析及计算简图 武汉理- 【：人学硕十学位论文 由图4 2 可知，选取的微段凼所受重力为彬凼，拉力分别为r 和升d r ，列 平衡方程有： 财缈= 彬出c o s 伊 d 丁= 啊凼s i n 缈 对微段丞还存在如下关系： 出= 凼c o s 仍 出= 出s i n 缈 凼= 出2 + 如2 = 出l + z t 2 同时由图4 2 可知： 皿：旦：彤凼 s 缈 由式( 4 3 ) 、( 4 4 ) 、( 4 6 ) 可得： z t = 鱼：墨：t 肌矽 出 2 ： z t 一华：土堕：堕尘 d 2 x 瓦出瓦出 将( 4 5 ) 式代入( 4 8 ) 式后积分，可以得到： 出幽( 孚力 o 令c2 詈作为悬链线的参数，对( 4 - 9 ) 式进行积分，可得： z = c 【s 办( 二) 一1 】 c 将( 4 8 ) 式代入( 4 5 ) 式，并变形后可得： s = z ( z + 2 c ) 则悬链线的拉力可由下式确定： 丁= 巧+ 乏= ( w l c ) 2 + ( w l s ) 2 = w l ( z + c ) 4 1 2 软体排水下部分受力 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) 对于软体排来说，其所受拉力与移船速度和软体排的下放速度有关，放排 速度一定时，移船速度越大，软体排所受拉力越大。 设移船速度为，船，放排速度为v 带，这里v 格卸带，则在任意时间f 时，相 对移船位移为缸= ，磨乒 ，咎f ，软体排悬起部分的长度为s ，它的水平投影长度为工， 1 6 武汉理t 大学硕+ 学位论文 铺排船据河底距离为办，则由图4 2 可建立如下关系式： 即 s = h + ( x 一血) 缸= h 一( s x ) 则根据式( 4 1 1 ) ，并令z = j i l ，变形可得： 缸， _ 。l 一 ，l 一三1 n 矗 1 c 。 l 十一十 五 ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) 利用式( 4 1 5 ) 则可计算出不同的出砌时对应的铂的值，结果列于下表4 - 1 。 表4 1 山砌c 肋关系数值 蚴0 0 2 50 0 5 0o 0 7 50 1 0 0o 1 2 5o 1 5 0o 1 7 5o 2 0 0 铂o 0 0 5 20 0 1 2 60 0 2 1 30 0 3 t 6o 0 4 3 90 0 5 7 50 0 7 2 9o 0 9 0 9 蝴0 2 2 5o 2 5 00 2 7 50 3 0 00 3 2 5o 3 5 0o 3 7 5o 4 0 0 铂o 1 1 0 5o 1 3 2 8o 1 5 7 8o 1 8 5 10 2 1 8 00 2 5 4 l0 2 9 5 10 3 4 1 7 蚴0 4 2 5o 4 5 0o 4 7 50 5 0 0o 5 2 5o 5 5 0o 5 7 5o 6 0 0 矾o 3 9 1 70 4 5 6 00 5 2 6 2 o 6 0 7 50 7 0 2 7o 8 1 4 3o 9 4 6 81 0 9 1 8 蝴o 6 2 5o 6 5 0o 6 7 50 7 0 00 7 2 5o 7 5 0o 7 7 5o 8 0 0 胡1 2 8 1 31 5 1 2 31 7 9 9 52 1 6 1 92 6 2 8 l3 2 4 1 24 0 6 9 85 2 2 9 0 由公式( 4 1 2 ) 产亿+ 砂，即可计算出静水中不同水深、不同移船距离缸 对应的软体排水下部分承受的拉力乃。 4 2 软体排排体水上部分的受力计算 由于软体排与船舷相切部分的拉力最大，因此必须考虑软体排水上部分的 受力情况。 4 2 1 软体排全部下水 如果软体排全部下水，也就是说如果水位达到b 点，则可利用公式( 4 1 2 ) 1 7 武汉理【人学硕士学位论文 计算出不同移船距离对应的软体排水下各处的拉力，即此时软体排受力为： n = r c + 埘 ( 4 一1 6 ) 式中；聃为软体排单位重量，单位 曲“ ： c 为系数，由袁4 - 1 计算查出： 为水深，单位为m 。 42 2 实际情况下软体排水上部分受力 图4 - 3 软体排水上部分受力简图 如图4 3 所示，河水水位位于a 点，水上部分为a b 段，对其进行受力分析， a b 段所承受的力有：水下部分拉力乃，船舷对软体捧排市的拉力而，以及a b 段软体捧自重。建立力学平衡方程： 7 h = 珏r ( 4 - 1 7 ) t k = n z 十啉 ( 4 _ 1 8 ) 式中n 矗z 、z i n 啦分别为a 点、b 点水平方向和竖直方向的分力。 为软体排水上部分重量，单位为堙加2 ：s 2 为a b 段软体排长度。 由第一部分的计算可以知道： 骄哪c ( 4 一1 9 ) n z = 昕5 ( 4 2 0 ) 式中5 ，为a c 段软体排长度，单位m 。 武汉理丁大学硕七学位论文 假设鱼：旦，则根据式( 4 1 7 ) ( 4 2 0 ) 可得： s 2 爿 t b = 撕甄= w ? c 2 + w l 撕万两+ w 2 譬坜万丽】2 ( 4 - 2 1 ) t b ：w 1 2 c 2 + 堕学( w l 五+ w 2 h ) ： ( 4 2 2 ) y仃 设移船速度为，詹，放排速度为，带，则在任意时间f 时，相对移船位移为缸= ， 詹卜y 捧f ，根据表4 - l 可查出对应的c 肋的值，即可求出c 值，由公式( 4 - 2 2 ) 即 可求出任意时刻软体排所受拉力乃。 4 3 静水中软体排受力计算结果 例1 顺水沉排的施工过程中水深j i l 范围在5 m 2 5 m ，船舶与着底排体的相 对位移缸取o 2 o 8 之间，铺排方向与水流方向完全一致( 9 = d ) ，单位面积水 下排体质量觋= 6 2 8 3 8 肋锄2 ，水上部分排体质量= 1 0 7 7 2 2 m 矿，水上排体高 胙2 肌，制动时附加动力系数七经试验确定为1 5 。计算参数表4 2 所示。 表4 2计算参数表 水深 ( m ) 51 0 1 5 2 02 53 0 相对移船位移山砌 0 2o 4o 6o 8 其他 所= 6 2 8 3 8 肋，= 1 0 7 7 2 2 m ，辟= 2 m ，妒= 0 ，扫1 5 4 3 1 理论公式计算结果 根据公式( 4 1 2 ) 及公式( 4 2 2 ) 分别计算软体排所受拉力，计算结果见表 4 3 。其中乃、分别为未制动时水下排体所受拉力和船舷处排体所受拉力，r 为制动时考虑附加动力系数船舷处排体所受拉力。 1 9 武汉理1 ：人学硕士学位论文 表4 3 不同水流和相对位移下软体排所受拉力 制动时z 水深1 l ( m )蝴 缸( ，1 )乃( 圳)( 埘) ( 圳) 5o 2l3 4 35 7 68 6 4 50 424 2 26 9 6l o 4 4 50 63 6 5 7 1 0 0 51 5 0 8 50 8 4 1 9 5 72 4 3 23 6 4 8 1 00 226 8 59 1 91 3 7 9 l o0 4 4 8 4 31 1 1 61 6 7 4 1 00 661 3 1 41 6 5 52 4 8 3 1 00 883 9 4 14 3 5 46 5 3 l 1 5o 231 0 2 81 2 6 21 8 9 3 1 50 461 2 6 41 5 3 72 3 0 6 1 50 6