长江上游宜宾至重庆河段整治建筑物新结构研究与应用

2010-07-16朱俊凤

水道港口 2010年5期

朱俊凤

（长江重庆航运工程勘察设计院，重庆401147）

长江上游宜宾至重庆河段（简称叙渝段）内滩险众多，水流条件复杂，交通部先后按Ⅲ级航道标准对叙渝段进行了整治，航运条件得到较好改善。但整治建筑物水毁、维护滞后、河道无序采砂等多种原因导致该河段部分航道回淤，水流条件恶化。本文对叙渝段航道整治建筑物的结构进行了研究，以寻求更适合长江上游河床及水流特点的整治建筑物新结构。

1 整治建筑物现状及破坏因素

叙渝段的整治建筑物主要有丁坝、顺坝、锁坝、潜坝，其中丁坝数量最多［1］。20世纪90年代以前，叙渝段整治建筑物的坝面主要为抛石结构和干砌条石结构，由于漂木的撞击、水流的渗透、大块石下部填塞的中小石块不够紧密等原因，坝体水毁十分严重。20世纪90年代以后，坝面结构开始采用浆砌条石，整治建筑物水毁现象明显减少，但在流速较大、受水流顶冲集中冲刷的整治建筑物，其水毁现象还是比较常见。通过调查和观测，叙渝段航道滩险中所建的46座各类建筑物，有39座不同程度的毁坏，占总数的85%。其中坝体被严重损毁（坝体冲有缺口）的有13座，占总数的28%，坝体、坝面局部损毁的有26座，占总数的57%，坝体整体基本保持完好的有7座，占总数的15%。水毁最为严重的是丁坝，其次是顺坝，锁坝和潜坝总体情况较好。

造成整治建筑物水毁的因素主要包括水流泥沙动力、结构设计及人为破坏等，这些因素之间相互影响，相互作用，使整治建筑物受到不同程度的破坏，其中水流泥沙动力因素是导致整治建筑物水毁的重要原因［2］。其水毁形式表现为：（1）建筑物坝头、坝根等部位的基础常年受水流冲刷和侵蚀作用，基础淘空，在建筑物自身重力作用下失去支撑，建筑物局部或整体崩陷塌落；（2）建筑物与固体颗粒（卵石输移带）相互磨擦，尤其是处在卵石输移带上的建筑物，磨损尤为剧烈；（3）在水流和漂浮物的冲击下，石块常以滑动和滚动的形式脱离原位，被推移到下游河滩堆积，坝体从顶层开始逐层剥落，最终溃缺。

此外，整个建筑物的崩毁，往往是多种水毁现象同时出现。

2 整治建筑物新结构方案研究

为进一步增强长江上游航道整治建筑物的稳定性、牢固性和耐久性，维持整治效果，针对上述整治建筑物的破坏原因，提出4种整治建筑物新结构［3］。

2.1 钢筋砼空心箱体坝面结构

根据前述的水毁原因，当水位淹没坝顶2～3 m时，水流的最大垂线流速在坝体表面，对坝面的冲刷作用最强；当水位更高时，水流挟带的泥沙明显增多，此时悬移质或推移质对建筑物的冲击、磨损较严重，其作用部位主要是坝面，因而加强坝面的强度和整体性尤其重要，为此采用钢筋砼箱体坝面结构以加强坝面的强度和整体性。

坝体部分仍采用散抛块石，迎水坡坡度为1：1.5，背水坡坡度为1：2［4］。待坝体抛筑至距坝面顶高1 m时，采用预制箱体浇筑。箱体为中空、无盖、有底的钢筋砼空心结构，长3 m，宽1.5 m，高1 m，壁厚150 mm。箱体浇筑完毕后再回填砂卵石，然后在箱体顶部现浇150 mm厚C20砼封顶。

该结构施工主要包括坝体下部抛石、整平、箱体预制（或现浇）、箱体安装、填料、封顶等。其中施工难度较大的是坝体的整平和箱体安装，其他工序施工经验已成熟可靠。坝体可以采用人工整平，在坝体露出水面后进行。钢筋砼箱体的重量约为2.5 t，箱内填料约为1.5 m3，采用预制安装时则需要协作施工，若采用现浇则需在水位低于坝面顶高程1 m以下时施工，该方案的施工有一定难度，需要精心组织。

2.2 钢丝石笼坝体结构

组成坝体的块石粒径大小通常要求有合理级配，迎水坡和背水坡坡面要求使用粒径较大的块石。但水下抛石往往难以控制，若背水坡的块石级配达不到要求，容易发生滑移，可能导致整个坝体毁坏。为增强坝体的整体性，可增大单个块体的重量，因此拟采用钢丝石笼作为坝体抛筑材料，同时可以解决某些河段采石较难的问题。

用合金钢丝编织成笼，压顶笼的尺寸为 2 m×1 m×0.5 m（长×宽×高），坝体笼则采用袋状块石笼抛筑，钢丝笼直径0.95 m，长2 m。网格型号为 8×10，网格钢丝直径为3.0 mm，边部钢丝直径为3.9 mm（图1），绞边钢丝直径为2.2 mm，钢丝外镀高尔凡。钢丝笼装卵石作抛筑坝体材料，条形石笼进行错缝平铺。卵石直径要求大于10 cm。钢丝的抗拉强度大于472 MPa，伸长率大于10%。

砌筑坝面最上一层石笼时，先用土工布垫底，然后用M10水泥砂浆灌缝，让笼中块石形成一个整体，其目的是增强坝面的平整和美观，同时增加坝体的整体稳定性。石笼的制作在工厂内集中进行，运抵现场再装卵石，然后封装、船运、抛筑等，抛砌需用起重机械，大的石笼重约3.7 t。所用施工工具包括驳船和起重机。

图1 钢丝笼大样图Fig.1 Enlarged detail drawing of wire basket

2.3 混凝土与浆砌条石组合坝面结构

当水位淹没坝面时，分析水流对坝体的冲刷作用，由于坝面总高为1 m，该部分结构承受了主要的水流冲击力，其中迎水坡的坝面承受了较大的冲击力；背水坡主要承受水流淘刷作用力。本着经济节约的原则，本方案的主要特点是在坝面迎水坡采用混凝土结构，背水坡采用浆砌条石结构，以加强坝面的强度和整体性。

该坝型的坝体采用重量、级配符合设计要求的块石，但在距坝顶设计高程1.0 m范围的坝面，以坝轴线为界，迎水坡受水流顶冲部位采用现浇C20砼制作，其余部位采用浆砌条石，背水坡全部采用浆砌条石。该结构水泥砂浆的强度等级为M10，条石的强度为Mu30，块石尺寸不得小于0.8 m×0.25 m×0.25 m（长×宽×高），浆砌高度为3～4层条石，浆砌时应错缝。

坝面施工前应整平坝体，大的缝隙应用小块石或片石垫平，防止混凝土浇筑时漏浆。宜先进行背水坡浆砌条石的施工，再浇迎水坡的砼坝面。坝面每20 m留1个30 mm宽的沉降缝。条石砌筑时应错缝，表面应平整。本结构坝面施工时受水位的影响较大。

2.4 扭王字块护面结构

该结构坝心仍采用块石，在迎、背水坡及坝顶约1m厚的坝面，抛一层扭王字块进行护面，扭王字块的高度为1.094 m，单块重0.8 t，砼的标号为C30（图2）。该结构主要用在丁坝坝头20 m长范围内的坝体护面。

扭王字块可从坝体坡脚至坝面随机抛放，抛放网点排距和间距为0.85 m，但排与排间应按0.42 m错位抛放。其预制、堆放、安装施工均为成熟工艺。

图2 扭王字块立面、侧视、俯视图Fig.2 Front view，side view and vertical view of accropode

3 整治建筑物新结构的应用

在整治建筑物结构方案研究过程中，针对不同坝体的结构特点，进行坝体新结构应用试验，既可单独使用，也可组合使用。为了检验新结构在航道整治中的应用效果，在叙渝段航道建设工程中，采用4组典型组合进行应用性试验。小南海采用组合结构Ⅰ，即钢丝石笼坝体+块石坝体+块石砼坝面结构（图3）；关刀碛采用组合结构Ⅱ，即钢丝石笼坝体+抛石坝体＋钢筋砼空心箱体坝面结构（图4）；金钟碛、小米滩等多处滩险采用组合结构Ⅲ，即抛石坝体＋混凝土与浆砌条石组合的坝面结构［5］（图5）；铜鼓滩采用组合结构Ⅳ，即扭王字块护面＋抛石坝体结构［6］（图 6）。

图3 组合结构Ⅰ示意图Fig.3 Sketch of composite structure No.Ⅰ

图4 组合结构Ⅱ示意图Fig.4 Sketch of composite structure No.Ⅱ

图5 组合结构Ⅲ示意图Fig.5 Sketch of composite structure No.Ⅲ

图6 组合结构Ⅳ示意图Fig.6 Sketch of composite structure No.Ⅳ

经过1个洪水期后，从整治建筑物现场查看，4种组合坝体结构没被破坏，整体保持完好。

4 应用成果及优化思路

经过工程实际应用，得到主要研究成果及优化思路：（1）钢筋砼空心箱体能较好保证坝面的稳定，其强度也能得到保证。但是矩形箱体后的浆砌块石及背水坡块石易被淘刷，今后的工程中可考虑将矩形断面结构优化为梯形断面结构，以保证与坝体下部平顺连接，使水流更趋平顺，增强坝体的稳定性。该种结构可以改进后适当推广，应根据水位、交通条件、施工设备、工程投资效益等综合确定；（2）钢丝石笼在水下的稳定性和耐久性较好，山区河流中可以在潜坝或丁坝的下部推广应用。由于试验研究阶段未大规模应用，主要采用人工装笼和抛筑，工效较低，今后可采用一些工程措施提高工效，如钢筋自制筛网与挖泥船（或挖掘机）配合进行卵石筛选，用简单的起重设备或开底泥驳进行抛筑，可以大大提高效率，降低成本；（3）现浇砼与浆砌条石结构的施工较方便，应用较广，也是对以前川江各种坝面结构的总结与提高，其稳定性与耐久性有了较大程度的提高，但坝面施工受水位影响较大。随着沿江条石的开采逐渐会受到限制，可考虑用块石砼坝面结构来替代砼与浆砌条石组合坝面结构；（4）扭王字块护面结构对坝体及河床的变形适应性较好，同时块体单块质量大，能够抵抗水流的冲击，有效维护坝体的稳定，该结构采用预制安装方式，不受当地材料限制，同时受水位的影响相对较小，但造价相对高一些。