長江上游宜賓至重慶河段整治建筑物新結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

朱俊鳳

（長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶401147）

長江上游宜賓至重慶河段（簡稱敘渝段）內(nèi)灘險(xiǎn)眾多，水流條件復(fù)雜，交通部先后按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)對敘渝段進(jìn)行了整治，航運(yùn)條件得到較好改善。但整治建筑物水毀、維護(hù)滯后、河道無序采砂等多種原因?qū)е略摵佣尾糠趾降阑赜伲鳁l件惡化。本文對敘渝段航道整治建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，以尋求更適合長江上游河床及水流特點(diǎn)的整治建筑物新結(jié)構(gòu)。

1 整治建筑物現(xiàn)狀及破壞因素

敘渝段的整治建筑物主要有丁壩、順壩、鎖壩、潛壩，其中丁壩數(shù)量最多［1］。20世紀(jì)90年代以前，敘渝段整治建筑物的壩面主要為拋石結(jié)構(gòu)和干砌條石結(jié)構(gòu)，由于漂木的撞擊、水流的滲透、大塊石下部填塞的中小石塊不夠緊密等原因，壩體水毀十分嚴(yán)重。20世紀(jì)90年代以后，壩面結(jié)構(gòu)開始采用漿砌條石，整治建筑物水毀現(xiàn)象明顯減少，但在流速較大、受水流頂沖集中沖刷的整治建筑物，其水毀現(xiàn)象還是比較常見。通過調(diào)查和觀測，敘渝段航道灘險(xiǎn)中所建的46座各類建筑物，有39座不同程度的毀壞，占總數(shù)的85%。其中壩體被嚴(yán)重?fù)p毀（壩體沖有缺口）的有13座，占總數(shù)的28%，壩體、壩面局部損毀的有26座，占總數(shù)的57%，壩體整體基本保持完好的有7座，占總數(shù)的15%。水毀最為嚴(yán)重的是丁壩，其次是順壩，鎖壩和潛壩總體情況較好。

造成整治建筑物水毀的因素主要包括水流泥沙動(dòng)力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及人為破壞等，這些因素之間相互影響，相互作用，使整治建筑物受到不同程度的破壞，其中水流泥沙動(dòng)力因素是導(dǎo)致整治建筑物水毀的重要原因［2］。其水毀形式表現(xiàn)為：（1）建筑物壩頭、壩根等部位的基礎(chǔ)常年受水流沖刷和侵蝕作用，基礎(chǔ)淘空，在建筑物自身重力作用下失去支撐，建筑物局部或整體崩陷塌落；（2）建筑物與固體顆粒（卵石輸移帶）相互磨擦，尤其是處在卵石輸移帶上的建筑物，磨損尤為劇烈；（3）在水流和漂浮物的沖擊下，石塊常以滑動(dòng)和滾動(dòng)的形式脫離原位，被推移到下游河灘堆積，壩體從頂層開始逐層剝落，最終潰缺。

此外，整個(gè)建筑物的崩毀，往往是多種水毀現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)。

2 整治建筑物新結(jié)構(gòu)方案研究

為進(jìn)一步增強(qiáng)長江上游航道整治建筑物的穩(wěn)定性、牢固性和耐久性，維持整治效果，針對上述整治建筑物的破壞原因，提出4種整治建筑物新結(jié)構(gòu)［3］。

2.1 鋼筋砼空心箱體壩面結(jié)構(gòu)

根據(jù)前述的水毀原因，當(dāng)水位淹沒壩頂2～3 m時(shí)，水流的最大垂線流速在壩體表面，對壩面的沖刷作用最強(qiáng)；當(dāng)水位更高時(shí)，水流挾帶的泥沙明顯增多，此時(shí)懸移質(zhì)或推移質(zhì)對建筑物的沖擊、磨損較嚴(yán)重，其作用部位主要是壩面，因而加強(qiáng)壩面的強(qiáng)度和整體性尤其重要，為此采用鋼筋砼箱體壩面結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)壩面的強(qiáng)度和整體性。

壩體部分仍采用散拋塊石，迎水坡坡度為1：1.5，背水坡坡度為1：2［4］。待壩體拋筑至距壩面頂高1 m時(shí)，采用預(yù)制箱體澆筑。箱體為中空、無蓋、有底的鋼筋砼空心結(jié)構(gòu)，長3 m，寬1.5 m，高1 m，壁厚150 mm。箱體澆筑完畢后再回填砂卵石，然后在箱體頂部現(xiàn)澆150 mm厚C20砼封頂。

該結(jié)構(gòu)施工主要包括壩體下部拋石、整平、箱體預(yù)制（或現(xiàn)澆）、箱體安裝、填料、封頂?shù)?。其中施工難度較大的是壩體的整平和箱體安裝，其他工序施工經(jīng)驗(yàn)已成熟可靠。壩體可以采用人工整平，在壩體露出水面后進(jìn)行。鋼筋砼箱體的重量約為2.5 t，箱內(nèi)填料約為1.5 m3，采用預(yù)制安裝時(shí)則需要協(xié)作施工，若采用現(xiàn)澆則需在水位低于壩面頂高程1 m以下時(shí)施工，該方案的施工有一定難度，需要精心組織。

2.2 鋼絲石籠壩體結(jié)構(gòu)

組成壩體的塊石粒徑大小通常要求有合理級(jí)配，迎水坡和背水坡坡面要求使用粒徑較大的塊石。但水下拋石往往難以控制，若背水坡的塊石級(jí)配達(dá)不到要求，容易發(fā)生滑移，可能導(dǎo)致整個(gè)壩體毀壞。為增強(qiáng)壩體的整體性，可增大單個(gè)塊體的重量，因此擬采用鋼絲石籠作為壩體拋筑材料，同時(shí)可以解決某些河段采石較難的問題。

用合金鋼絲編織成籠，壓頂籠的尺寸為 2 m×1 m×0.5 m（長×寬×高），壩體籠則采用袋狀塊石籠拋筑，鋼絲籠直徑0.95 m，長2 m。網(wǎng)格型號(hào)為 8×10，網(wǎng)格鋼絲直徑為3.0 mm，邊部鋼絲直徑為3.9 mm（圖1），絞邊鋼絲直徑為2.2 mm，鋼絲外鍍高爾凡。鋼絲籠裝卵石作拋筑壩體材料，條形石籠進(jìn)行錯(cuò)縫平鋪。卵石直徑要求大于10 cm。鋼絲的抗拉強(qiáng)度大于472 MPa，伸長率大于10%。

砌筑壩面最上一層石籠時(shí)，先用土工布?jí)|底，然后用M10水泥砂漿灌縫，讓籠中塊石形成一個(gè)整體，其目的是增強(qiáng)壩面的平整和美觀，同時(shí)增加壩體的整體穩(wěn)定性。石籠的制作在工廠內(nèi)集中進(jìn)行，運(yùn)抵現(xiàn)場再裝卵石，然后封裝、船運(yùn)、拋筑等，拋砌需用起重機(jī)械，大的石籠重約3.7 t。所用施工工具包括駁船和起重機(jī)。

圖1 鋼絲籠大樣圖Fig.1 Enlarged detail drawing of wire basket

2.3 混凝土與漿砌條石組合壩面結(jié)構(gòu)

當(dāng)水位淹沒壩面時(shí)，分析水流對壩體的沖刷作用，由于壩面總高為1 m，該部分結(jié)構(gòu)承受了主要的水流沖擊力，其中迎水坡的壩面承受了較大的沖擊力；背水坡主要承受水流淘刷作用力。本著經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則，本方案的主要特點(diǎn)是在壩面迎水坡采用混凝土結(jié)構(gòu)，背水坡采用漿砌條石結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)壩面的強(qiáng)度和整體性。

該壩型的壩體采用重量、級(jí)配符合設(shè)計(jì)要求的塊石，但在距壩頂設(shè)計(jì)高程1.0 m范圍的壩面，以壩軸線為界，迎水坡受水流頂沖部位采用現(xiàn)澆C20砼制作，其余部位采用漿砌條石，背水坡全部采用漿砌條石。該結(jié)構(gòu)水泥砂漿的強(qiáng)度等級(jí)為M10，條石的強(qiáng)度為Mu30，塊石尺寸不得小于0.8 m×0.25 m×0.25 m（長×寬×高），漿砌高度為3～4層條石，漿砌時(shí)應(yīng)錯(cuò)縫。

壩面施工前應(yīng)整平壩體，大的縫隙應(yīng)用小塊石或片石墊平，防止混凝土澆筑時(shí)漏漿。宜先進(jìn)行背水坡漿砌條石的施工，再澆迎水坡的砼壩面。壩面每20 m留1個(gè)30 mm寬的沉降縫。條石砌筑時(shí)應(yīng)錯(cuò)縫，表面應(yīng)平整。本結(jié)構(gòu)壩面施工時(shí)受水位的影響較大。

2.4 扭王字塊護(hù)面結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)壩心仍采用塊石，在迎、背水坡及壩頂約1m厚的壩面，拋一層扭王字塊進(jìn)行護(hù)面，扭王字塊的高度為1.094 m，單塊重0.8 t，砼的標(biāo)號(hào)為C30（圖2）。該結(jié)構(gòu)主要用在丁壩壩頭20 m長范圍內(nèi)的壩體護(hù)面。

扭王字塊可從壩體坡腳至壩面隨機(jī)拋放，拋放網(wǎng)點(diǎn)排距和間距為0.85 m，但排與排間應(yīng)按0.42 m錯(cuò)位拋放。其預(yù)制、堆放、安裝施工均為成熟工藝。

圖2 扭王字塊立面、側(cè)視、俯視圖Fig.2 Front view，side view and vertical view of accropode

3 整治建筑物新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

在整治建筑物結(jié)構(gòu)方案研究過程中，針對不同壩體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行壩體新結(jié)構(gòu)應(yīng)用試驗(yàn)，既可單獨(dú)使用，也可組合使用。為了檢驗(yàn)新結(jié)構(gòu)在航道整治中的應(yīng)用效果，在敘渝段航道建設(shè)工程中，采用4組典型組合進(jìn)行應(yīng)用性試驗(yàn)。小南海采用組合結(jié)構(gòu)Ⅰ，即鋼絲石籠壩體+塊石壩體+塊石砼壩面結(jié)構(gòu)（圖3）；關(guān)刀磧采用組合結(jié)構(gòu)Ⅱ，即鋼絲石籠壩體+拋石壩體＋鋼筋砼空心箱體壩面結(jié)構(gòu)（圖4）；金鐘磧、小米灘等多處灘險(xiǎn)采用組合結(jié)構(gòu)Ⅲ，即拋石壩體＋混凝土與漿砌條石組合的壩面結(jié)構(gòu)［5］（圖5）；銅鼓灘采用組合結(jié)構(gòu)Ⅳ，即扭王字塊護(hù)面＋拋石壩體結(jié)構(gòu)［6］（圖 6）。

圖3 組合結(jié)構(gòu)Ⅰ示意圖Fig.3 Sketch of composite structure No.Ⅰ

圖4 組合結(jié)構(gòu)Ⅱ示意圖Fig.4 Sketch of composite structure No.Ⅱ

圖5 組合結(jié)構(gòu)Ⅲ示意圖Fig.5 Sketch of composite structure No.Ⅲ

圖6 組合結(jié)構(gòu)Ⅳ示意圖Fig.6 Sketch of composite structure No.Ⅳ

經(jīng)過1個(gè)洪水期后，從整治建筑物現(xiàn)場查看，4種組合壩體結(jié)構(gòu)沒被破壞，整體保持完好。

4 應(yīng)用成果及優(yōu)化思路

經(jīng)過工程實(shí)際應(yīng)用，得到主要研究成果及優(yōu)化思路：（1）鋼筋砼空心箱體能較好保證壩面的穩(wěn)定，其強(qiáng)度也能得到保證。但是矩形箱體后的漿砌塊石及背水坡塊石易被淘刷，今后的工程中可考慮將矩形斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化為梯形斷面結(jié)構(gòu)，以保證與壩體下部平順連接，使水流更趨平順，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。該種結(jié)構(gòu)可以改進(jìn)后適當(dāng)推廣，應(yīng)根據(jù)水位、交通條件、施工設(shè)備、工程投資效益等綜合確定；（2）鋼絲石籠在水下的穩(wěn)定性和耐久性較好，山區(qū)河流中可以在潛壩或丁壩的下部推廣應(yīng)用。由于試驗(yàn)研究階段未大規(guī)模應(yīng)用，主要采用人工裝籠和拋筑，工效較低，今后可采用一些工程措施提高工效，如鋼筋自制篩網(wǎng)與挖泥船（或挖掘機(jī)）配合進(jìn)行卵石篩選，用簡單的起重設(shè)備或開底泥駁進(jìn)行拋筑，可以大大提高效率，降低成本；（3）現(xiàn)澆砼與漿砌條石結(jié)構(gòu)的施工較方便，應(yīng)用較廣，也是對以前川江各種壩面結(jié)構(gòu)的總結(jié)與提高，其穩(wěn)定性與耐久性有了較大程度的提高，但壩面施工受水位影響較大。隨著沿江條石的開采逐漸會(huì)受到限制，可考慮用塊石砼壩面結(jié)構(gòu)來替代砼與漿砌條石組合壩面結(jié)構(gòu)；（4）扭王字塊護(hù)面結(jié)構(gòu)對壩體及河床的變形適應(yīng)性較好，同時(shí)塊體單塊質(zhì)量大，能夠抵抗水流的沖擊，有效維護(hù)壩體的穩(wěn)定，該結(jié)構(gòu)采用預(yù)制安裝方式，不受當(dāng)?shù)夭牧舷拗?，同時(shí)受水位的影響相對較小，但造價(jià)相對高一些。

5 結(jié)語

整治建筑物新結(jié)構(gòu)在長江宜賓至重慶河段航道建設(shè)工程中得到應(yīng)用，對提高山區(qū)航道整治建筑物的穩(wěn)定性、牢固性和耐久性起到了顯著作用，不僅為決策部門提供了重要依據(jù)，也為長江干線航道整治工程的維護(hù)及水毀修復(fù)工程提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

［1］長江航道局.川江航道整治［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］長江航道局.航道工程手冊［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院.長江干線瀘州納溪至重慶婁溪溝航道建設(shè)工程整治建筑物新材料、新結(jié)構(gòu)研究［R］.重慶：長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2008.

［4］JTJ312-2003，航道整治工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院.長江上游瀘州納溪至重慶婁溪溝航道建設(shè)工程施工圖設(shè)計(jì)［R］.重慶：長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2005.

［6］長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院.長江干線宜賓合江門至瀘州納溪航道建設(shè)二期工程初步設(shè)計(jì)［R］.重慶：長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2007.