長江中游界牌河段新淤洲魚嘴中灘沙枕護(hù)坡防老化措施研究

仲偉斌

（長江航道局航道行政管理處 武漢 430010）

0 引 言

長江中游界牌河段航道整治工程是長江中下游第一個(gè)大型航道治理工程，包括右岸丁壩群、護(hù)岸、新淤洲魚嘴等工程.在整治建筑物運(yùn)行過程中，新淤洲魚嘴中灘灘面在主流轉(zhuǎn)換過程中受強(qiáng)烈沖刷，又因右側(cè)高灘部分挑流作用，中灘灘面的沖刷進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致中灘灘面出現(xiàn)水凼并不斷發(fā)展，嚴(yán)重威脅著中灘魚嘴的安全.

為了保障整治建筑物的穩(wěn)定及其功能的有效發(fā)揮，實(shí)施了新淤洲魚嘴中灘灘面守護(hù)工程，主要采取沙枕護(hù)坡方式.從效果看，沙枕在界牌河段新淤洲中灘魚嘴守護(hù)中發(fā)揮了巨大的作用，但由于枯水期出露沙枕的使用壽命有限，面層沙枕老化問題十分突出，一些早期實(shí)施的，如水凼中高灘結(jié)合處護(hù)坡沙枕已存在沙枕布破損、袋裝沙出露等現(xiàn)象，見圖1.一旦沙枕袋老化破裂，袋裝沙不斷流失，護(hù)坡沙枕將不復(fù)存在，岸坡重新受到強(qiáng)烈淘刷，中灘魚嘴的安全必將受到嚴(yán)重威脅，進(jìn)而影響到界牌河段航道整治工程的效果［1］.

圖1 界牌中灘魚嘴水凼沙枕護(hù)坡現(xiàn)狀

1 防老化措施結(jié)構(gòu)研究

目前土工織物的防老化措施主要有2 種類型，一種是改性土工織物，即在土工織物加工過程中直接添加防老化材料來提高其抗紫外線的能力；另一種為面層阻斷型［2］，即通過面層覆蓋阻斷紫外線的直接照射.

從沙枕防老化措施現(xiàn)狀來看，改性土工織物方面目前很難突破，因此防老化措施研究主要放在面層阻斷型方面，面層阻斷型將從覆蓋型與噴涂型兩方面進(jìn)行研究.一方面噴涂型措施受力主要表現(xiàn)在面層的附著力上，而附著力與噴涂材料性能存在密切關(guān)系，故重在噴涂型材料的選擇；另一方面覆蓋型措施需進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，然后再進(jìn)行材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3］.

1.1 試驗(yàn)環(huán)境條件

選取界牌新淤洲魚嘴水凼中、高灘結(jié)合部護(hù)坡沙枕作為本次防老化措施試驗(yàn)區(qū)：（1）此處設(shè)計(jì)水位為黃海高程14.02m，枯水期水凼內(nèi)水位一般在黃海高程15m 左右；（2）水凼面積約6萬m2，水凼上游側(cè)岸坡靠近大江（右汊），坡頂高程在黃海高程23m 左右；水凼左側(cè)岸坡靠近新堤夾（左汊），坡頂高程在黃海高程22m 左右；水凼右側(cè)岸坡靠近高灘，上游段為現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)，坡頂高程在黃海高程25 m 左右；（3）護(hù)坡沙枕位于中灘魚嘴水凼內(nèi)，枯水期四面為岸坡及灘地，常規(guī)施工船舶很難進(jìn)入；（4）護(hù)坡沙枕至少暴露過一個(gè)枯水期，沙枕已有一定老化，其中高灘沙枕老化比較嚴(yán)重，采取的防老化措施施工時(shí)應(yīng)盡量減少施工時(shí)的破壞；（5）岸坡坡度為1∶2.5，沙枕鋪設(shè)呈階梯狀；（6）水流剛漫過中灘灘面時(shí)翻壩水水流力較大.

1.2 受力分析

主要是考慮通過在沙枕面層覆蓋無紡布并對(duì)其進(jìn)行固定等措施（即覆蓋體）進(jìn)行防老化方案的受力分析，見圖2、圖3.

圖2 覆蓋體示意圖

圖3 覆蓋體受力示意圖

由圖2得到單位覆蓋體A 的拉力：

式中：ρ為水的密度；m排為覆蓋體單位面積質(zhì)量；h為坡頂至坡底的垂直距離；θ為邊坡與地面的夾角；Δh為漫過覆蓋體水流的垂直深度；v 為漫過覆蓋體水流的流速；fm為覆蓋體與坡面的摩擦系數(shù)；g 為重力加速度.

根據(jù)現(xiàn)場表面流速實(shí)測資料，并考慮覆蓋體漫流的較不利情況，漫過覆蓋體水流的流速v 取3m／s，漫過覆蓋體水流的垂直深度Δh＝1m，坡頂至水凼內(nèi)水面的垂直距離h＝3m（主要是考慮到水凼內(nèi)水位相對(duì)較低），坡比為1∶2.5，覆蓋體單位面積質(zhì)量m排＝56.5kg／m2，覆蓋體與坡面的摩擦系數(shù)fm取0.5，水的密度103kg／m3，重力加速度g＝9.8N／kg.代入上式計(jì)算可得覆蓋體坡頂位置A 點(diǎn)受到單寬拉力TA約為26.0kN.

1.3 防老化材料選擇

1）覆蓋型 根據(jù)現(xiàn)場工況，主要考慮輕型覆蓋結(jié)構(gòu)：（1）可以防止覆蓋體本身加重已部分老化沙枕的破壞程度；（2）僅需對(duì)枯水位以上沙枕進(jìn)行覆蓋.

工程中普遍使用的無紡布，是一種不需要紡紗織布而形成的織物.參考目前的軟體排結(jié)構(gòu)形式，主要有砂肋排與系砼塊軟體排兩種形式，砂肋排壓載具有較好性能，可將其沙肋筒置于編織布?jí)|層下面，再在編織布上面縫制無紡布，以致形成復(fù)合沙肋排結(jié)構(gòu).見圖4.

當(dāng)前航道整治工程中大量使用的系砼塊軟體排，其壓載體砼塊本身有防老化功能，為便于系接和防老化，壓載塊體選用D形混凝土塊.系接材料可采用鋼絲網(wǎng)石籠墊結(jié)構(gòu)中的系接鋼絲，固定用墊體則可采用單層鋼絲網(wǎng).從而形成無紡布＋鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu).

圖4 四種材料實(shí)物參考圖

2）噴涂型 據(jù)調(diào)查，在大壩混凝土表面防老化方面有種名為CW－S的新型的防老化材料，可將CW－S抗老化材料噴涂或刷涂在沙枕表面，從而阻止沙枕受到陽光照射達(dá)到防止沙枕老化的目的［4］.目前，CW－S抗老化材料已在三峽大壩下游右岸壩面進(jìn)行了現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)，獲得了一致好評(píng)，具體情況見圖5.

圖5 三峽大壩下游右岸壩面涂刷CW－S抗老化材料前后的對(duì)比圖

1.4 試驗(yàn)區(qū)域選取［5－6］

試驗(yàn)區(qū)安排在界牌新淤洲魚嘴水凼中、高灘結(jié)合部沙枕實(shí)施時(shí)間比較早、沙枕老化比較嚴(yán)重處，試驗(yàn)區(qū)域長約42m（＃3～＃4斷面）.為便于檢驗(yàn)各種防老化材料的性能，按三種覆蓋型防老化措施試驗(yàn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為3個(gè)試驗(yàn)區(qū)：第一試驗(yàn)區(qū)，復(fù)合沙肋排方案；第二試驗(yàn)區(qū)，無紡布＋鋼絲網(wǎng)方案；第三試驗(yàn)區(qū)，無紡布＋鋼塑土工格柵方案；第四試驗(yàn)區(qū)（＃9～＃12斷面間局部區(qū)域），噴涂CW－S抗老化材料方案.

1.5 試驗(yàn)區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）蓋型結(jié)構(gòu) 覆蓋型結(jié)構(gòu)包括復(fù)合沙肋排、無紡布＋鋼絲網(wǎng)、無紡布＋鋼塑土工格柵3種.

（1）合沙肋排防老化覆蓋型結(jié)構(gòu) 復(fù)合沙肋排由兩層排墊組成，面層為無紡布，底層為聚丙烯編織布，排墊下沿排體縱、橫向每隔2 m 設(shè)置一道7cm 寬的加筋條，縱向加筋條下系結(jié)沙肋筒，且每隔2m 設(shè)一個(gè)加筋圈，加筋圈直徑為20cm.沙肋筒直徑20cm，由聚丙烯編織布做成.沙肋排單塊排體寬16m，設(shè)有縱向沙肋筒9條，長度可根據(jù)施工需要進(jìn)行調(diào)整.上端固定則采取坡頂鋪石壓載方式，具體為：在水凼坡頂邊線5 m 外側(cè)開挖一道寬2m、深0.5m 的基槽，將沙肋排排頭鋪放在槽底，上面鋪石1m 厚進(jìn)行壓載，再在坡頂邊線5m 內(nèi)鋪石0.5m 厚.

（2）無紡布＋鋼絲網(wǎng)防老化覆蓋型結(jié)構(gòu) 無紡布＋鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)底層為400g／m2的無紡布，表層為鋼絲網(wǎng).無紡布單幅寬6 m，縱向搭接1 m，采用雙線縫接；鋼絲網(wǎng)為絞合六邊鋼絲網(wǎng)，單寬6m，網(wǎng)格規(guī)格為6cm×8cm，鋼絲為鍍高爾凡鋼絲、直徑2.7mm，抗張強(qiáng)度應(yīng)大于350N／mm2，延伸率不能低于10%.絞合鋼絲網(wǎng)單寬抗拉強(qiáng)度可達(dá)49kN，大于26kN，可滿足試驗(yàn)強(qiáng)度要求.上端固定同樣采取坡頂鋪石壓載方式，

（3）無紡布＋鋼塑土工格柵防老化覆蓋型結(jié)構(gòu) 無紡布＋鋼塑土工格柵底層為400g／m2的無紡布，表層為鋼塑土工格柵.無紡布單幅寬6 m，縱向搭接1 m，采用雙線縫接；鋼塑土工格柵由縱橫向肋條編織成網(wǎng)，縱橫向肋條內(nèi)層為高強(qiáng)鋼絲，外層包裹一次成型的塑料層.上端固定同樣采取坡頂鋪石壓載方式.

2）噴涂型結(jié)構(gòu) CW－S抗老化材料采用毛刷涂敷或用機(jī)器噴涂，但涂敷或噴涂前需對(duì)沙枕面進(jìn)行清理，同時(shí)應(yīng)注意施工溫度及施工后保養(yǎng)等.

2 試驗(yàn)實(shí)施安排

2.1 復(fù)合沙肋排

在坡頂邊線5m 外側(cè)開挖一道寬2m，深0.5 m 的基槽；然后將沙肋排排布從坡頂向坡下鋪開，沙肋排排頭鋪放在槽底，上面鋪石1 m 厚進(jìn)行壓載，再在坡頂邊線5 m 內(nèi)鋪石0.5 m 厚，沙肋排底部控制在設(shè)計(jì)水位下2 m，可留出一定富余長度，以便排體與原坡面之間盡量減少空隙，排布攤開后應(yīng)盡量與坡面吻合，將其完全覆蓋；最后對(duì)沙肋筒進(jìn)行充沙，充滿后對(duì)沙肋排下游側(cè)邊緣綁系小砼塊進(jìn)行壓載，排尾采用沙枕進(jìn)行壓載.

2.2 無紡布＋鋼絲網(wǎng)

在坡頂邊線5 m 外側(cè)開挖一道寬2 m、深0.5m的基槽；然后將單幅無紡布從坡頂向坡下展鋪（坡頂預(yù)留一定的長度），將無紡布及鋼絲網(wǎng)頭部鋪放在槽底，上面覆蓋厚度1m 的鋪石進(jìn)行壓載，再在坡頂邊線5m 內(nèi)鋪石0.5 m 厚，無紡布＋鋼絲網(wǎng)底部控制在設(shè)計(jì)水位下2 m，并留一定富余長度，以使無紡布攤開后與坡面吻合；再將鋼絲網(wǎng)鋪開放置在無紡布上相同位置.

布設(shè)完畢后，在鋼絲網(wǎng)面上縱橫向每隔0.5m設(shè)置D 形混凝土塊進(jìn)行壓載.D 形混凝土塊用鋼絲綁系在鋼絲網(wǎng)面上.鋼絲網(wǎng)之間的銜接：采用鋼絲系結(jié).與復(fù)合沙肋排的銜接：縱向搭接2 m，無紡布與鋼絲網(wǎng)壓在復(fù)合沙肋排上，并綁系砼塊壓載.

2.3 無紡布＋鋼塑土工格柵

先在坡頂邊線5m 外側(cè)開挖一道寬2m，深0.5m 的基槽；然后將單幅無紡布從坡頂向坡下展鋪（坡頂預(yù)留一定的長度），將無紡布及鋼塑土工格柵頭部鋪放在槽底，上面覆蓋厚度1m 的鋪石進(jìn)行壓載，再在坡頂邊線5 m 內(nèi)鋪石0.5 m厚，無紡布＋鋼塑土工格柵底部控制在設(shè)計(jì)水位下2m，并留一定富余長度，以使無紡布攤開后與坡面吻合；再將鋼塑土工格柵鋪開放置在無紡布上相同位置.

布設(shè)完畢后，在鋼塑土工格柵面上縱橫向每隔0.5m 設(shè)置D 形混凝土 塊進(jìn)行壓載.D 形混凝土塊用鋼絲綁系在鋼塑土工格柵面上.鋼塑土工格柵之間的銜接：采用鋼絲系結(jié).與鋼絲網(wǎng)的銜接：縱向采用鋼絲系結(jié)，并綁系砼塊壓載.

2.4 涂敷CW－S抗老化材料

將CW－S抗老化材料A，B 組分按一定比例混合、攪拌均勻，在表面刷涂、滾涂或噴涂，當(dāng)作業(yè)環(huán)境溫度低于0 ℃、高于50 ℃，或是表干前可能下雨、風(fēng)力大于5級(jí)以上時(shí)，不能施工.使用前修補(bǔ)好表面明顯的破損，不得有空鼓、疏松等現(xiàn)象.施工前應(yīng)清除表面存在的灰塵、污漬等，然后用高壓水槍沖洗，使其表面清潔.如采用噴涂作業(yè)，普通的高壓無氣噴涂設(shè)備即可.CW－S抗老化材料表面觸干后自然養(yǎng)護(hù)，7d后即可投入使用.

試驗(yàn)檢測包括試驗(yàn)現(xiàn)場檢測與室內(nèi)檢測試驗(yàn).從現(xiàn)場查勘情況來看，三種覆蓋型防老化結(jié)構(gòu)效果均較好；CW－S新型防老化涂層也沒有出現(xiàn)起殼、脫落等現(xiàn)象，附著性能較好，實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比結(jié)果見圖6.

圖6 涂刷CW－S抗老化材料前后的對(duì)比圖

3 結(jié)束語

針對(duì)長江中游界牌河段新淤洲魚嘴中灘沙枕護(hù)坡防老化措施進(jìn)行分析、研究、實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)比.經(jīng)比較，無紡布＋鋼塑土工格柵覆蓋型優(yōu)勢相對(duì)明顯，覆蓋體比較輕盈、覆蓋效果好、施工簡單，造價(jià)較低，是一種比較好的護(hù)坡沙枕防老化措施；涂覆了CW－S噴涂型材料后，沙枕的抗老化能力也具有明顯提升，且其防老化能力要高于無紡布.試驗(yàn)成果在今后航道整治工程及維護(hù)工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

［1］鄧良愛，曾慶云.航道整治工程沙枕防老化技術(shù)研究［J］.水道港口，2010，31（5）：520－524.

［2］謝鳳章.土工織物在某航道整治工程中的應(yīng)用［J］.沿海企業(yè)與科技，2010（4）：109－110.

［3］賈 曉，伍文俊，吳華林，等.長江中下游洲灘守護(hù)工程概化模型試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2012（2）：123－127.

［4］杜 科，韓 煒，李 珍，等.護(hù)坡沙枕防老化涂層材料耐老化性能試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2011，28（1）：58－60.

［5］李松濱，李延春.關(guān)于松花江航道整治工程施工質(zhì)量控制和降低工程造價(jià)的幾點(diǎn)體會(huì)［J］.水利工程，2011（1）：246－247.

［6］王愛軍，趙維啟.土工織物在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用［J］.公路交通科技，1998（15）：22－24.