扭王字塊在川江航道整治中的應(yīng)用

楊祥飛

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

長江是連接帶動沿江省市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的黃金紐帶，是綜合運(yùn)輸體系中的重要組成部分，在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人多次就長江航運(yùn)發(fā)展做出重要指示，要求高度重視長江航運(yùn)，充分利用長江黃金水道。大力發(fā)展現(xiàn)代長江航運(yùn)已經(jīng)成為國家現(xiàn)代化建設(shè)總體戰(zhàn)略布局的重要組成部分，長江航道迎來大建設(shè)大發(fā)展的歷史性機(jī)遇。與此同時(shí)，隨著我國西部地區(qū)地方經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對外貿(mào)易量迅速增加，對水路交通運(yùn)輸也提出了更高的要求。

長江干流宜賓至宜昌河段(俗稱“川江”)作為長江“黃金水道”的上游，對完善西部綜合交通運(yùn)輸體系至關(guān)重要。其中重慶以上河段為山區(qū)河流，存在“急、淺、險(xiǎn)”礙航特征的各類灘險(xiǎn)［1］，對航運(yùn)產(chǎn)生較大的危害，需通過整治來滿足航運(yùn)的需要。山區(qū)河流航道整治主要有疏浚、炸礁、筑壩等工程措施。其中，筑壩是最為重要的措施之一。在水流的長期沖刷下，壩體的整體穩(wěn)定性是發(fā)揮整治建筑物整治功能的重要保障。川江傳統(tǒng)的壩體主要采用散拋塊石結(jié)構(gòu)，由于塊石粒徑小，整體穩(wěn)定性差，受水流的長期沖蝕容易逐漸流失，進(jìn)而引起壩體的局部和整體毀壞。要保證壩體的整體穩(wěn)定，壩體結(jié)構(gòu)材料的選擇就顯得至關(guān)重要，有必要對川江敘瀘段航道建設(shè)工程成功應(yīng)用的扭王字塊新型壩體結(jié)構(gòu)材料的適用條件進(jìn)行研究，以切實(shí)提高山區(qū)河流整治建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

筆者通過分析川江水沙運(yùn)動特性、傳統(tǒng)整治建筑物結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用效果，綜合長江上游銅鼓灘實(shí)測資料、扭王字塊結(jié)構(gòu)選型、施工工藝、應(yīng)用效果等，對扭王字塊的適用要求、施工技術(shù)要點(diǎn)等進(jìn)行歸納，為山區(qū)河流整治建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 川江灘險(xiǎn)特性及傳統(tǒng)整治建筑物應(yīng)用情況分析

1.1 川江灘險(xiǎn)特性

川江為典型的山區(qū)河流，素以灘多、礁險(xiǎn)、流急、水亂著稱。川江水位變幅大，流速急、流態(tài)紊亂，比降較大，水面平均比降為0.25‰，水流流速一般河段約2.0 m/s，枯水期灘上流速大部分在3.0 m/s以下，個(gè)別灘險(xiǎn)達(dá)4.0 m/s左右［2］。水流流態(tài)也較為復(fù)雜，在灘險(xiǎn)河段，“斜流”、“滑梁水”、“泡漩水”等不良流態(tài)較為普遍。

川江的河床組成主要是卵石和巖石。在寬闊河段，江心洲和河漫邊灘較發(fā)育。在窄深型河段，河道兩岸和河床主要由巖石組成。對于寬谷河段，洪水期泥沙大量淤積，河床表面覆蓋較厚的沙卵石，但枯水期，水流基本能夠?qū)⒑樗谟俜e的泥沙帶走，河道總體呈“洪淤枯沖”規(guī)律。對于窄深河段，因?yàn)榭菟谒髁魉傩?，寬谷河段沖刷下來的泥沙一般淤積在該類河段，但因?yàn)檎詈佣魏樗诹魉俅?，又將枯水期淤積的泥沙沖走，呈“洪沖枯淤”狀態(tài)［3］。

川江礙航灘險(xiǎn)有淺灘、險(xiǎn)灘和急灘等。淺灘主要表現(xiàn)為枯期水深不足，多數(shù)灘險(xiǎn)泥沙淤積到一定程度后基本保持穩(wěn)定，但部分灘險(xiǎn)在個(gè)別年份出淺后經(jīng)過一個(gè)水文年也會出現(xiàn)沖刷，水深不足的礙航形態(tài)被自然消除。險(xiǎn)灘主要表現(xiàn)為水流紊亂、流態(tài)差，常有剪刀水、滑梁水以及泡漩水等不良流態(tài)出現(xiàn)，對船舶安全通行構(gòu)成較大威脅。急灘主要表現(xiàn)為流速大、比降陡，船舶難以自航上灘。

1.2 傳統(tǒng)整治建筑物結(jié)構(gòu)材料及應(yīng)用效果分析

針對川江的水沙運(yùn)動規(guī)律和灘險(xiǎn)特點(diǎn)，整治措施主要有疏浚、炸礁、筑壩等。筑壩的功能主要是束水沖刷淺區(qū)，保證疏浚區(qū)航槽穩(wěn)定，防止泥沙回淤，同時(shí)調(diào)整水流流速流態(tài)，改善航道條件。筑壩是山區(qū)河流重要的航道整治措施。川江河道流急水亂，對整治建筑物的沖擊力特別大，整治建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，是發(fā)揮整治功能的重要保證。

川江傳統(tǒng)整治建筑物主要有丁壩、順壩、鎖壩、潛壩。90年代以前，整治建筑物主要采用堆石結(jié)構(gòu)與干砌塊石壩面結(jié)構(gòu)。漂浮物及卵石推移質(zhì)的沖擊磨損、高速水流的滲透、中小塊石不緊密等因素影響下，整治建筑物損毀嚴(yán)重。90年代以后，整治建筑物面層逐漸采用漿砌條石，穩(wěn)定性得到提高，毀壞現(xiàn)象減少，但受水流長期頂沖的位置，常常出現(xiàn)毀壞現(xiàn)象。調(diào)查顯示，川江目前建有46座整治建筑物，其中有39座破損，含13座嚴(yán)重破壞，26座為面層局部破壞。由于整治建筑物在河道中受力的不同，丁壩損毀最嚴(yán)重，順壩次之。

分析整治建筑物毀壞的影響因素，主要有水沙運(yùn)動特點(diǎn)、建筑物結(jié)構(gòu)、維護(hù)情況、人為破壞等。整治建筑物在這些影響因素的相互作用下逐步毀壞。這其中整治建筑物所在位置的水沙運(yùn)動是整治建筑物毀壞的重要原因。毀壞的方式主要有：

1)水流翻壩后對壩體背水坡河床淘刷、順壩沿堤流淘刷、水流常年對整治建筑物壩頭和壩根等位置沖刷淘蝕等，引起基礎(chǔ)不穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致整治建筑物整體或局部坍塌破壞。

2)在漂浮物(流木)和高速水流的頂沖下，壩體塊石從面層開始逐步滑落，最終形成壩體潰缺。

3)大流速水流帶來大量卵石推移質(zhì)與整治建筑物彼此摩擦，特別是卵石輸移帶上的整治建筑物，磨損更加劇烈，常常引起壩面損壞，進(jìn)而破壞壩體。

2 銅鼓灘概況及整治方案

2.1 銅鼓灘概況

銅鼓灘地處長江宜昌以上996.0 km，宜賓市南溪縣，是長江上游宜賓至重慶河段著名灘險(xiǎn)，譽(yù)為“川江灘王”，長期制約著長江上游航運(yùn)的發(fā)展。該灘為枯水期兼有“彎、淺、險(xiǎn)”礙航特征的復(fù)雜灘險(xiǎn)。曾經(jīng)多次治理，效果不佳。該灘在河勢上位于兩反向河灣的過渡段，上段彎道進(jìn)口有右岸董磧壩和左岸九龍灘束窄河道，河寬約300 m;中段放寬，但江中迎賓格磧壩伸入江中，在河中形成潛磧，將河道分為左右兩汊，左汊順直寬闊，但枯水期水淺，右汊彎曲狹窄，為枯水期航槽;下段水流受銅鼓灘巖盤挑流影響，流急水亂。上段銅鼓子一帶枯水期航槽水深時(shí)有不足，中段航道狹窄彎曲，下段流急水亂，航行危險(xiǎn)，“上淺、中彎、下險(xiǎn)”是該灘主要礙航特征［4］。

2.2 銅鼓灘整治方案

針對灘段的礙航特征，整治方案(圖1)為：新開左槽，同時(shí)拋筑整治建筑物維持左槽(新槽)的穩(wěn)定。開槽順應(yīng)左槽既有河道地形，平面上采取微彎形布置。左槽開挖深度為設(shè)計(jì)最低通航水位下3.5 m，開挖寬度上段為80 m，下段逐漸加寬到95 m。為維持左槽的穩(wěn)定，在江心迎賓格潛磧上建1道順壩和3道齒丁壩，在右槽建1道潛壩，共同調(diào)整左右兩汊的分流比，增大新開左槽的流量，達(dá)到穩(wěn)定新槽的目的［5］。

圖1 銅鼓灘整治方案示意Fig.1 Tonggutan regulation scheme

2.3 壩體結(jié)構(gòu)比選

整治建筑物拋筑江中，起著調(diào)整左右兩槽分流比，穩(wěn)定新開航槽的作用。順壩和齒丁壩正處江心兩槽分流點(diǎn)位置，長期受水流頂沖，水流流速大，枯水期流速一般達(dá)到3.5 m/s。其結(jié)構(gòu)能否保持穩(wěn)定是工程成敗的關(guān)鍵［6］。

考慮到順壩和丁壩所在位置水流急，尤其對整治建筑物壩頭的頂沖力量大，為使壩頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進(jìn)行了兩種壩體結(jié)構(gòu)方案的論證比選：①常用的鋼絲石籠拋筑壩頭+混凝土鉸鏈排護(hù)面;②首次在長江提出鋼絲石籠拋筑壩頭+扭王字塊護(hù)面。一般情況下川江流速較穩(wěn)，但在漲、退水時(shí)，流速變化大，水流對壩頭沖擊力強(qiáng)。扭王字塊在水下的抗沖能力強(qiáng)，作為海港防波提的主要結(jié)構(gòu)材料，能夠經(jīng)受住海浪的沖擊，通過計(jì)算，該結(jié)構(gòu)也能夠在川江中保持穩(wěn)定。對于鋼絲石籠壩體+混凝土鉸鏈排護(hù)面的壩頭結(jié)構(gòu)，有一個(gè)重要的缺陷。鉸鏈排一般是順?biāo)鞣较蜾佋O(shè)才能較好的維持自身和覆蓋物的穩(wěn)定。但是壩頭位置特殊，鉸鏈排只能垂直水流鋪設(shè)，很容易被水流從側(cè)面掀翻破壞。

通過對比，最終采用鋼絲石籠拋筑壩頭段的壩體，然后對壩頭的迎背水坡、壩頭坡以及壩面采用一層0.8 t規(guī)格的扭王字塊進(jìn)行護(hù)面［7］。

3 扭王字塊施工工藝及相關(guān)要求

該工程設(shè)計(jì)的扭王字塊安裝數(shù)量為1.56萬塊，采用船舶從預(yù)制場運(yùn)至拋放現(xiàn)場，用吊車進(jìn)行拋放。

3.1 施工工藝及方法

安放扭王字塊最主要的質(zhì)量要求是單位面積內(nèi)安放數(shù)量，即安放密度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求［8］。安放時(shí)塊體在壩體坡面上可斜向放置，塊體的一半桿件與墊層接觸，但相鄰塊體擺向不宜相同，不能大量相接及平行擺放。塊體應(yīng)定點(diǎn)安放。假定壩頭坡面為一網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)密度滿足設(shè)計(jì)要求，就可根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，即每塊扭王字塊的安放位置，從而確保塊體的安放密度。具體步驟如下：

1)布置扭王字塊安放網(wǎng)格。扭王字塊安放網(wǎng)格主要根據(jù)安放密度和壩頭外形尺寸進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法為：面積/密度=排距×間距。

2)扭王字塊安放方法。扭王字塊采用極坐標(biāo)法進(jìn)行安放，這需要確定3個(gè)安放參數(shù)：吊車的位置坐標(biāo)、扭王字塊放置的距離和水平夾角。吊車進(jìn)行塊體安放作業(yè)的位置主要根據(jù)吊車的最大吊幅，壩頭的坡面尺寸來確定。吊車的選擇主要根據(jù)扭王字塊的重量以及吊車吊放的最遠(yuǎn)距離來確定，選定吊車的吊幅作為分段安裝扭王字塊的段長，每段扭王字塊安裝的外形為規(guī)則的菱形，吊車停放在菱形上邊線內(nèi)角較大的一個(gè)角點(diǎn)上。最后是扭王字塊安放水平夾角的確定。應(yīng)先確定方向，一般以扭王字塊安放的前進(jìn)方向作為正方向;然后由已經(jīng)確定的菱形邊長以及扭王字塊的排距和間距，計(jì)算出每段的排數(shù)和每排的塊數(shù);最后，每個(gè)塊體的位置由水平夾角和水平距離確定。水平夾角則通過三角函數(shù)計(jì)算。

3)塊體安放次序。扭王字塊安放時(shí)，應(yīng)先找到初始位置，確定機(jī)位。1#機(jī)位采用倒三角形從下向上安放，2#機(jī)位采用菱形接著1#機(jī)位三角形邊線安放，詳見圖2。

圖2 扭王字塊安放順序Fig.2 The installment order of accropodes

4)塊體安裝記錄。扭王字塊的3個(gè)安放參數(shù)一般采用微機(jī)編程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果(每個(gè)扭王字塊相對吊車的仰角和轉(zhuǎn)角)作為施工依據(jù)。安放作業(yè)人員根據(jù)計(jì)算結(jié)果，編排序號，每安放一個(gè)塊體，就在序號前予以標(biāo)識，并作好記錄，既可保證塊體安放密度，又能追查每個(gè)工段的安放質(zhì)量情況。

3.2 塊體安放質(zhì)量控制

扭王字塊應(yīng)從下向上安放，應(yīng)與水下塊石墊層接觸緊密。扭王字塊的安放量要滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，安裝一段，檢查一段，若不合格，立即整改。

安放扭王字塊前，應(yīng)對壩體坡面進(jìn)行檢查，若達(dá)不到設(shè)計(jì)要求應(yīng)先進(jìn)行修整。扭王字塊安放時(shí)的混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到要求。塊體安放位置應(yīng)控制在設(shè)計(jì)位置的±25 cm以內(nèi)。塊體吊放時(shí)應(yīng)使用泡沫板等襯墊，防止扭王字塊棱角被損壞。

扭王字塊安放后應(yīng)檢測：①扭王字塊安放方式是否滿足設(shè)計(jì)要求，不能有漏放或過大隆起;②扭王字塊安放數(shù)量偏差應(yīng)控制在5%以內(nèi)。

4 扭王字塊取得的實(shí)際效果

4.1 扭王字塊取得的效果

銅鼓灘順壩壩頭和齒丁壩壩頭等受水流頂沖的部位采用扭王字塊進(jìn)行護(hù)面［9］，有效的保證了順壩和齒丁壩的整體穩(wěn)定。目前銅鼓灘整治工程已完工并經(jīng)歷兩屆洪水期，整治建筑物完全保持著穩(wěn)定，特別是長期受水流頂沖的重點(diǎn)部位，由于有扭王字塊護(hù)面，這些部位基本沒有受到損壞。從圖3可以清楚看出銅鼓灘1#丁壩壩頭在扭王字塊的保護(hù)下，非常穩(wěn)定，并且有大量泥沙淤積在扭王字塊的縫隙中，使整個(gè)壩體成為一個(gè)整體，進(jìn)一步保證了壩體的整體穩(wěn)定性。

圖3 銅鼓灘1#丁壩工程效果Fig.3 1#dike engineering effect of Tonggutan

4.2 扭王字塊取得良好效果的原因

銅鼓灘順壩壩頭和齒丁壩位置水流流速急，沖擊力大，若按照傳統(tǒng)方法，單純拋筑大塊石，由于塊石之間相對獨(dú)立松散，不能有效抵御水流的沖擊淘刷。扭王字塊單塊質(zhì)量大，拋筑后彼此咬和，能夠有效抵御水流的沖擊。加上扭王字塊之間屬于柔性連接，能夠很好的適應(yīng)河床的沉降變形。此外，扭王字塊彼此咬和后，具有很強(qiáng)的消能促淤作用，泥沙在塊體之間的縫隙中容易淤積，使得整個(gè)壩頭成為一個(gè)整體，進(jìn)一步保證了壩頭的整體穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1)使用扭王字塊進(jìn)行整治建筑物壩頭護(hù)面的效果很好，對維持整治建筑物的穩(wěn)定有重要作用。在類似川江這種大流量大流速的大型山區(qū)河流中拋筑整治建筑物，抵御水流的強(qiáng)大沖擊力，采用扭王字塊進(jìn)行護(hù)面是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

2)安放扭王字塊最重要的質(zhì)量要求是單位面積內(nèi)安裝塊數(shù)要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。安放時(shí)塊體在壩面上可斜向放置，并使一半桿件與墊層接觸，但相鄰塊體擺向不宜相同，不宜大面相接及平行擺放。

［1］長江航道局.川江航道整治［M］.北京：人民交通出版社，1997：133-139.Waterway Bureau of Yangtze River.Chuanjiang River Waterway Regulation［M］.Beijing：China Communications Press，1997：133-139

［2］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)二期工程可行性研究報(bào)告［R］.重慶：長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2006：14-29.Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River.Feasibility Study Report on the Second-Phase Waterway Construction in the Main Route of Yangtze River，from Hejiangmen，Yibin to Naxi，Luzhou［R］.Chongqing：Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River，2006：14-29.

［3］重慶交通大學(xué).長江上游銅鼓灘航道整治數(shù)值模型研究報(bào)告［R］.重慶：重慶交通大學(xué)，2005：33-37.Chongqing Jiaotong University.Research Report on Numerical Model of Waterway Regulation of Tonggutan，the Upper Reaches of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2005：33-37

［4］重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所.長江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治定床模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶：重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2006：36-39.Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute.Research Report on Fixed-Bed Model Test of Waterway Regulation of Tonggutan，the Xu-Lu Section of the Main Route of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute，2006：36-39.

［5］重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所.長江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治動床模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶：重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2006：18-20.Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute.Research Report on Mobile-Bed Model Test of Waterway Regulation of Tonggutan，the Xu-Lu Section of the Main Route of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute，2006：18-20.

［6］重慶交通大學(xué).長江敘渝段典型卵石淺險(xiǎn)灘的整治技術(shù)研究報(bào)告［R］.重慶：重慶交通大學(xué)，2007：81.Chongqing Jiaotong University.Technical Research Report on the Regulation of the Typical Pebbly Dangerous Shoal，the Xu-Yu Section of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2007：81.

［7］楊祥飛.長江上游銅鼓灘治理措施研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29(1)：133-136.Yang Xiangfei.Upstream Yangtze River bronze drum beach government measure research［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2010，29(1)：133-136.

［8］JTJ 312—2003航道整治工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2003.JTJ 312—2003 Engineering Technical Standard of Waterway Regulation［S］.Beijing：China Communications Press，2003.

［9］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，2007：10-49.Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River.Preliminary Design on the Second-Phase Waterway Construction in the Main Route of Yangtze River，from Hejiangmen，Yibin to Naxi，Luzhou.［R］.Chongqing：Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River，2007：10-49.