長(zhǎng)江上游航道整治建筑物損毀原因及維修探討

董堰川，于南洋，葉兵

（長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 400011）

1 工程概況

長(zhǎng)江上游航道甑柄磧丁順壩位于甑柄磧?yōu)?，甑柄磧?yōu)┪挥谏嫌魏降览锍?45.8km，系枯水淺灘。該灘枯水河寬250～560m，洪水河寬1400m，汛期泥沙落淤，在彎道環(huán)流作用下，左岸淤成甑柄磧邊灘，右側(cè)凹岸有突出江中100～200m 的小灘子與龍門(mén)石兩道石梁，相距450m，形似兩道天然丁壩，與左岸突出的甑柄磧卵石邊灘對(duì)峙，航槽甚為彎曲，卵石邊灘伸向江中的磧翅，枯水水深在2.3m 及以上。而凹岸兩處石梁頭部在掃彎水的沖擊下，形成深度20～30m 的兩大深潭，枯水期便會(huì)在兩石梁頭部產(chǎn)生較強(qiáng)橫流與泡漩；船舶駕駛不慎，便會(huì)在右岸石梁觸礁或在左岸邊灘擱淺，航行十分困難。

2 建筑物損毀原因

結(jié)合調(diào)查分析，造成長(zhǎng)江上游航道整治建筑物損毀的原因只要包括水流泥沙動(dòng)力作用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能、施工工藝、養(yǎng)護(hù)管理等方面，可以說(shuō)在以上原因中，除水流泥沙動(dòng)力作用外，其余均為可控原因，完全能通過(guò)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化、施工過(guò)程的監(jiān)管、加強(qiáng)維修養(yǎng)護(hù)等方式予以解決。為此，本文僅分析水流泥沙動(dòng)力作用這個(gè)不可控原因。

2.1 壩體外側(cè)沖坑原因

航道建筑物外側(cè)沖坑通常出現(xiàn)在背水坡壩頭外側(cè)和壩根處，長(zhǎng)江上游航道建筑物基礎(chǔ)河床質(zhì)以砂卵石為主，由于水流湍急、流速大等原因，筑壩后會(huì)使河勢(shì)條件發(fā)生局部性改變，引發(fā)壩體四周河床沖刷[1]。本文主要依托《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》所推薦公式進(jìn)行沖坑深度計(jì)算：

式中：hp—沖坑最大水深，m；h—丁壩壩頭沖刷前水深，m；L—丁壩在過(guò)水?dāng)嗝娴耐队伴L(zhǎng)度，m；V—丁壩壩頭水流流速均值，m/s；Vc—非粘性土沖刷速度，m/s；—泥沙顆粒沉降速度，m/s，根據(jù)表1 取值；Km—丁壩壩頭關(guān)系系數(shù)，根據(jù)表2 取值；Ka—丁壩軸線和水流流向夾角系數(shù)；d—泥沙粒徑，mm；a—丁壩軸線和水流軸線夾角，°。

表1 泥沙顆粒沉降速度和泥沙粒徑關(guān)系

表2 丁壩壩頭關(guān)系系數(shù)取值

將式（2）和（3）代入式（1）便可得出沖刷深度與水流流速的關(guān)系：

由式（4）可知，沖坑深度與水流流速為正比例關(guān)系，結(jié)合長(zhǎng)江上游航道甑柄磧整治建筑物壩體實(shí)測(cè)資料，便可根據(jù)式以上公式計(jì)算出頂板沖坑深度，當(dāng)水流流速位于2.0～5.0m/s 范圍時(shí)丁壩沖坑深度為7.0m 左右。結(jié)合實(shí)測(cè)資料，長(zhǎng)江上游航道甑柄磧丁順壩2019 年實(shí)際坑坑深度為6.7m，與計(jì)算結(jié)果十分接近。

2.2 筑壩塊石剝落

本文采用基于起動(dòng)流速的塊石穩(wěn)定性分析方法，Isbash 公式適用于水流流速大、水位低的情況下塊石起動(dòng)流速的確定[2]。由于中外河流在諸多方面存在差異，故結(jié)合長(zhǎng)江上游航道整治建筑物損毀實(shí)際，對(duì)不考慮水深因素的Isbash 公式進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的公式表示如下：

式中：Vc—塊石起動(dòng)流速，m/s；K—塊石運(yùn)動(dòng)形態(tài)系數(shù)，塊石滑動(dòng)時(shí)取0.86，滾動(dòng)時(shí)取1.2；s—塊石容重，kg/m3；—水容重，kg/m3；D—塊石粒徑，mm；m—修正系數(shù)；W—塊石重量，kg；A—塊石體積系數(shù)。

將式（6）代入式（5）后便可得出塊石重量和塊石起動(dòng)流速之間的關(guān)系：

由上式可以看出，塊石流速小幅度的改變會(huì)對(duì)其穩(wěn)定重量產(chǎn)生較大影響。此外，塊石起動(dòng)流速與塊石重量的1/6 次方成正比，待流速達(dá)到既定量值后，僅憑塊石重量的增大以達(dá)到筑壩塊石穩(wěn)定性提高的做法實(shí)屬不經(jīng)濟(jì)。這也很好地解釋了長(zhǎng)江上游航道內(nèi)早期修建的拋石壩等整治建筑物為什么經(jīng)常損毀。為此，必須在整治建筑物損毀處理及壩體維修時(shí)，通過(guò)增強(qiáng)壩體表面材料強(qiáng)度，而非單純?cè)龃蟛牧现亓?，以降低壩體損毀的可能性。

結(jié)合實(shí)測(cè)資料，長(zhǎng)江上游航道筑壩險(xiǎn)灘水流流速一般達(dá)到2.0～3.0m/s，局部險(xiǎn)灘水流流速甚至超出4.0m/s，按照改進(jìn)后的Isbash 公式結(jié)論，整治建筑物壩體維修的塊石重量理論上必須達(dá)到1000kg 以上，粒徑理論上必須達(dá)到6.0m，如此規(guī)模的塊石在開(kāi)采、運(yùn)輸、拋填施工等過(guò)程中顯然存在很大難度。所以，憑借增大筑壩塊石粒徑和重量以達(dá)到維修長(zhǎng)江上游航道整治建筑物損壞的做法并不可取，故只就壩體外側(cè)沖坑出現(xiàn)的原因提出維修策略。

3 維修方法

長(zhǎng)江上游航道各類(lèi)壩體中壩面損毀現(xiàn)象較為常見(jiàn)，通過(guò)比較各種壩面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，水流湍急的長(zhǎng)江河流上插筋混凝土壩面抗沖耐磨效果最為顯著，但其造價(jià)高，僅對(duì)壩體小范圍易損壞壩面維修適用。

3.1 壩體坡面維修思路

甑柄磧?yōu)┱谓ㄖ飰晤^位于水流頂沖部位，在壩頭流態(tài)紊亂時(shí)損毀的可能性非常大，當(dāng)使用鉸鏈片狀護(hù)面結(jié)構(gòu)時(shí)，很容易被水流沖翻，喪失保護(hù)[3]。扭王字塊是海港工程中常見(jiàn)的防浪堤護(hù)面結(jié)構(gòu)形式，防護(hù)效果優(yōu)良，故可以將其應(yīng)用于長(zhǎng)江上游航道整治建筑物防護(hù)。

按照《航道整治工程施工規(guī)范JTS224-2016》中所規(guī)定的公式進(jìn)行扭王字塊穩(wěn)定性估算，其中為塊石質(zhì)量，為塊石等容粒徑。磧?yōu)┰诤樗趦?nèi)水流流速最大達(dá)到3.5～4.3m/s，根據(jù)該式，當(dāng)壩體拋填塊石的等容粒徑在0.49～0.74m 之間時(shí)，塊石質(zhì)量應(yīng)在150～420kg之間；由于甑柄磧?yōu)┧髦新咽苿?dòng)會(huì)對(duì)整治建筑物造成一定程度磨損，結(jié)合類(lèi)似工程處治經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)將單個(gè)扭王字塊塊體穩(wěn)定質(zhì)量控制在500kg 及以上。最終將長(zhǎng)江上游航道甑柄磧?yōu)┱谓ㄖ飺p毀維修的扭王字塊質(zhì)量確定為單塊0.8t，高1094mm，護(hù)面厚度為0.99mm，詳見(jiàn)圖1。

圖1 扭王字塊結(jié)構(gòu)（單位：mm）

甑柄磧?yōu)┮黄诠こ陶绞┕で斑M(jìn)行了扭王字塊壩體護(hù)面試驗(yàn)。在甑柄磧?yōu)┒№槈螇晤^20m 內(nèi)的壩面、迎水坡、背水坡等處均設(shè)置扭王字塊護(hù)面。迎水坡和背水坡邊坡坡度分別為1:1.5 和1:2.0，壩頭10m 內(nèi)壩頂加寬至5.0m。壩心填筑塊石，在迎水坡和背水坡、壩頂均設(shè)置一層扭王字塊護(hù)面（圖2），采用C30 混凝土。

圖2 扭王字塊護(hù)面壩體斷面

3.2 扭王字塊施工工藝

甑柄磧?yōu)┒螇晤^壩體護(hù)面扭王字塊在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，并待混凝土實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%后拆模，集中碼放；通過(guò)吊車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)輸船，運(yùn)至拋放現(xiàn)場(chǎng)后通過(guò)吊車(chē)拋投。拋投網(wǎng)點(diǎn)間距和排距均為0.85m，拋放時(shí)相鄰排之間必須錯(cuò)位0.45m，達(dá)到消能的效果。將扭王字塊護(hù)面從壩體坡腳拋放至壩頂后按照《航道整治工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)JTJ 314-2004》進(jìn)行施工效果檢驗(yàn)。

3.3 維修加固效果

為進(jìn)行甑柄磧?yōu)┱谓ㄖ锞S修加固效果檢驗(yàn)，在整體施工結(jié)束后，于2019 年7 月、2020 年1 月和2020年12 月分別對(duì)甑柄磧?yōu)┱谓ㄖ锱ね踝謮K護(hù)面進(jìn)行了原型觀測(cè)。①壩頂高程：2019 年7 月觀測(cè)結(jié)果顯示，丁順壩壩頭、壩根高程分別為255.47m 和256.36m；此后進(jìn)行的兩次觀測(cè)顯示的壩頭和壩根高程均分別為255.4m 和256.3m。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，丁壩壩頭和壩根處最大沉降為6cm 和10cm，均出現(xiàn)在2019 年汛期后。②壩體邊坡坡比：2019 年所測(cè)量得丁壩迎水坡、背水坡和壩頭坡比分別為1:1.46、1:2.01、1:2.91；此后兩次觀測(cè)結(jié)果顯示，迎水坡、背水坡和壩頭坡比分別為1:1.5、1:2.0 和1:3.0。丁壩壩體河床穩(wěn)定，不存在較大沖刷坑和淤積。③河床地形：丁壩壩頭前河床地形無(wú)明顯沖刷，而壩頭下游27.5m 處存在深度近2.0m 的沖坑，但不影響壩頭安全。丁壩壩根處河床也無(wú)明顯沖刷，且無(wú)較大沖坑，壩體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

通過(guò)以上觀測(cè)結(jié)果及分析，甑柄磧?yōu)┱谓ㄖ锝?jīng)過(guò)扭王字塊護(hù)面加固處理后歷經(jīng)3 個(gè)水文年后運(yùn)行良好，雖然丁壩背水坡腳處部分區(qū)域遭到水流淘蝕，壩體局部區(qū)域塊石受水流的裹挾后出現(xiàn)運(yùn)移，形成較小空隙，但是均不影響航道整治建筑物整體運(yùn)行效果，只需及時(shí)處治局部淘蝕和空隙即可。

4 結(jié)論

綜上所述，扭王字塊在長(zhǎng)江上游航道整治建筑物壩體損毀維修方面具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可用作護(hù)岸、防波堤、導(dǎo)流堤、攔砂堤等航道整治建筑物的護(hù)面結(jié)構(gòu)，發(fā)揮消浪、護(hù)面加固作用，維修加固效果較為理想。但是扭王字塊結(jié)構(gòu)存在脫模困難、吊裝施工期間邊棱很容易遭到破壞，連接鋼筋易腐蝕等問(wèn)題，對(duì)塊體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性均存在較大影響。為此，必須積極借鑒國(guó)內(nèi)外較為成功的經(jīng)驗(yàn)，嘗試維修效果較好的新材料和新結(jié)構(gòu)，減少維修次數(shù)，降低維修成本。