里運河南關(guān)壩壩體結(jié)構(gòu)及施工工藝考證

劉建軍，劉學應，楊衛(wèi)鋒

(1.安徽建筑大學 研究生院，安徽 合肥 230601;2.浙江水利水電學院 建筑工程學院，浙江 杭州 310018；3.高郵市水利局，江蘇 揚州 225600)

古堰壩有很多稱呼﹐如堰、壩、捻、楔、埭、堤、陂等,其中人們稱呼最多的是堰。古堰壩以灌溉農(nóng)田為主,解決了農(nóng)田旱災,消除了水患,保證了糧食生產(chǎn)。在古代基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、科學不發(fā)達的情況下,堰壩對我國農(nóng)村發(fā)展起到了重要作用[1]。根據(jù)筑造材料的不同，堰壩主要可以分為土壩、木壩、草木壩、灰壩、木籠填石壩等[2]。

清代初年，淮河水害日趨嚴重。為減少洪水對運河的沖擊，在里運河運堤上建立減水閘、減水壩等水利設(shè)施。康熙十九年(1680年)，將原有的五里閘和車邏港閘改建為減水壩，并增建了南關(guān)舊大壩、柏家墩壩、八里鋪壩、永平港壩等6座歸海壩，奠定了近代歸海壩的基礎(chǔ)，這也深刻影響了高郵灌區(qū)的常態(tài)發(fā)展[3]。歸海壩經(jīng)過多次改建，起到了泄洪排水的功效，這就是歷史上著名的“歸海五壩”[4]。南關(guān)壩為“歸海五壩”工藝中的典型代表。

1 南關(guān)壩概況

里運河南關(guān)壩建造于明永樂十二年(1414年)，壩體全長211 m，采用條石砌筑，條石之間用鐵錠連接，石灰糯米汁灌縫。清康熙二十年(1681年)，對南關(guān)壩進行改建，將原土壩改建成三合土壩(熟土、砂石和石灰攪拌而成)，改建后的南關(guān)壩為滾水壩面，滾水壩設(shè)定了一定高度，在保證漕運通暢情況下，讓多余的水盡早排出，以減輕運堤壓力。

南關(guān)壩的主體結(jié)構(gòu)為條石砌塊,條石之間用石灰糯米汁灌縫(圖1),鐵錠連接。壩面設(shè)定了一定高度，壩底的流線型設(shè)計，可以引導漫水，降低水的阻力，避免造成壩體的沖刷破壞。條石下用3～8 m排列密集的杉木樁作基礎(chǔ),杉木樁周圍采用三合土填充，整個壩體結(jié)構(gòu)嚴謹,堅固耐用。

圖1 南關(guān)壩壩體結(jié)構(gòu)

2 壩體的地基處理分析

南關(guān)壩將原土壩改建成三合土壩[5]。原土石壩壩身不能溢流，黏性土料的填筑受水流等條件影響較大，壩身需定期維護。改建后的南關(guān)壩，基地采用杉木樁處理，杉木樁周圍用三合土進行填充。

杉木樁地基處理時，先在下樁之處對砂土進行振動，孔隙水壓力部分被釋放出來，再夯擊木樁；將杉木樁改為5根一組的梅花樁形式打樁，夯筑過程中有序振動，使殘存孔隙水壓力同時釋放出來，防止地基塌陷而破壞樁基周圍的三合土，保證地基的穩(wěn)定性。

杉木樁作為地基的作用表現(xiàn)在兩個方面：

(1) 對軟弱土體的置換和擠壓。杉木樁的樁距較密，打入硬土層，對軟弱土體的置換和擠密作用較為明顯。這種作用機理與碎石樁、CFG樁等對軟土的置換和擠密的作用機理相似。加固土層的承載力特征值fspk為

fspk=3sv[1+m(n-1)]

(1)

式中：sv為樁間土的抗剪強度；m為面積置換率；n為樁土應力比，一般取2～4[6]。

由式(1)可知：當面積置換率為m=10%時，fspk可提高10%～30%，被加固的土層抗剪強度相應也提高10%～30%。

(2) 杉木樁自身的抗滑作用。南關(guān)壩中采用杉木樁為地基樁，選擇5根一組的梅花樁形式打樁(圖2)，打入硬土層的長度滿足錨固長度。杉木樁周邊為三合土，三合土能改善土體的摩擦角，增加抗剪強度，更重要的是使杉木樁形成一個整體，共同承擔下滑力。

圖2 杉木樁基礎(chǔ)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2017)，單個杉木樁豎向承載力特征值為

(2)

式中：Up為杉木樁的周長；n為樁氏范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為樁周第i層上的側(cè)阻力,kPa；lpi為第i層土的厚度,m；ap為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)；qp為樁端阻力特征值；Ap為樁的承載面積。

考慮杉木樁為摩擦型樁，由式(2)可知單個杉木樁豎向承載力為10.4 kPa，能夠有效地保證壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。杉木樁采用5根一組的梅花樁形式多排共同作用，更有利于受彎，有效提高了地基承載力。

3 壩面條石處理分析

3.1 條石的鋪設(shè)

南關(guān)壩寬211 m，壩面采用長2～3 m、寬0.2～0.35 m巨大的條石砌筑鋪設(shè)(圖3)。先鋪一層灰漿(第一層不用)，將灰漿抹平，鋪上條石，用挽釤鐵棒手撬動，使條石與條石相依平順，再用大木椎敲擊，進一步減少條石間縫隙[7]。若石縫間縫隙過大，或表面不整齊，用石灰糯米汁灌縫。

圖3 條石砌塊結(jié)構(gòu)

條石砌筑體屬于松散結(jié)構(gòu)，抗擾動性能需要其他工程措施彌補。在不斷的實踐過程中，承襲明代五縱五橫鋪設(shè)的基本思路，將塘身條石丁(向)、順(向)砌筑，參差壓縫，使條石間相互牽制，在迎水面的丁、順石間，鉆鑿簫筍，均用鐵錠、鐵鋦相連，進一步提升了壩身整體穩(wěn)定性。為防止灰漿被潮水吸出，條石層內(nèi)用膠灰砌筑，又在臨水側(cè)砌石，四周縫隙間用桐油石灰雜以苧麻筋嵌擠結(jié)實。壩身砌石收分，改良明代每兩層一收分(塘頂以下四層為一層一收分)為上下均一收分，由下而上收分逐漸減少形成變坡，以順應潮勢，減少潮浪對堰壩的沖擊力。

3.2 鐵錠扣連接

壩體均采用長約2～3 m、寬0.2～0.35 m、厚約0.31 m、重約350 kg的條石筑成，每兩塊條石之間用長0.16 m、寬0.11 m的“束腰生鐵錠扣榫”(圖4)相連鎖定[8]，連接成一體，一般以兩石的拼縫為中心線，按鐵錠扣的大小劃線鑿槽打入連接。在鐵錠與石材之間用白礬水或石灰漿填充，以此來加固壩體間的石塊，以及山石之間的水平聯(lián)系，增強整體性。南關(guān)壩壩面采用鐵錠鎖定，有效增強了抵御海潮的沖擊能力。

圖4 束腰生鐵錠扣榫

改建后的南關(guān)壩壩底采用流線型(圖5)，在湖面漫水時降低水的阻力，從而減小水流對壩體的沖刷破壞力。滾水壩面設(shè)定了一定高度，壩的建筑形狀略成弧形，弓背向著迎水面，增加了壩的預應力。為保證跌水坡與壩基的安全，又在壩的跌水面修了一道緩沖檻，水經(jīng)緩沖檻而緩速，減輕了對壩的沖擊力。

圖5 流線型壩面

4 結(jié) 語

通過對里運河南關(guān)壩實地探勘和文獻閱讀，從南關(guān)壩壩體結(jié)構(gòu)的施工工藝視角出發(fā)，對南關(guān)壩的建造工藝有了一定的認識。南關(guān)壩地基采用杉木樁，木樁周圍采用三合土填充，提高其地基承載力，保證了壩體地基的穩(wěn)定性；壩面采用條石鋪設(shè)，條石之間采用石灰糯米汁灌注，提高了壩身整體穩(wěn)定性；南關(guān)壩條石間采用鐵錠扣連接，用以加固條石之間的水平聯(lián)系，增強了壩體間的整體性，用腰鐵鎖定，有效增強了抵御海潮沖擊的能力；壩面型式為滾水壩，滾水壩設(shè)定了一定高度，壩的建筑形狀略成弧形，弓背向著迎水面，增加了壩的預應力。