长江中游界牌河段新淤洲鱼嘴中滩沙枕护坡防老化措施研究

仲伟斌

（长江航道局航道行政管理处 武汉 430010）

0 引 言

长江中游界牌河段航道整治工程是长江中下游第一个大型航道治理工程，包括右岸丁坝群、护岸、新淤洲鱼嘴等工程.在整治建筑物运行过程中，新淤洲鱼嘴中滩滩面在主流转换过程中受强烈冲刷，又因右侧高滩部分挑流作用，中滩滩面的冲刷进一步加剧，导致中滩滩面出现水凼并不断发展，严重威胁着中滩鱼嘴的安全.

为了保障整治建筑物的稳定及其功能的有效发挥，实施了新淤洲鱼嘴中滩滩面守护工程，主要采取沙枕护坡方式.从效果看，沙枕在界牌河段新淤洲中滩鱼嘴守护中发挥了巨大的作用，但由于枯水期出露沙枕的使用寿命有限，面层沙枕老化问题十分突出，一些早期实施的，如水凼中高滩结合处护坡沙枕已存在沙枕布破损、袋装沙出露等现象，见图1.一旦沙枕袋老化破裂，袋装沙不断流失，护坡沙枕将不复存在，岸坡重新受到强烈淘刷，中滩鱼嘴的安全必将受到严重威胁，进而影响到界牌河段航道整治工程的效果［1］.

图1 界牌中滩鱼嘴水凼沙枕护坡现状

1 防老化措施结构研究

目前土工织物的防老化措施主要有2 种类型，一种是改性土工织物，即在土工织物加工过程中直接添加防老化材料来提高其抗紫外线的能力；另一种为面层阻断型［2］，即通过面层覆盖阻断紫外线的直接照射.

从沙枕防老化措施现状来看，改性土工织物方面目前很难突破，因此防老化措施研究主要放在面层阻断型方面，面层阻断型将从覆盖型与喷涂型两方面进行研究.一方面喷涂型措施受力主要表现在面层的附着力上，而附着力与喷涂材料性能存在密切关系，故重在喷涂型材料的选择；另一方面覆盖型措施需进行结构受力计算，然后再进行材料选择及结构设计［3］.

1.1 试验环境条件

选取界牌新淤洲鱼嘴水凼中、高滩结合部护坡沙枕作为本次防老化措施试验区：（1）此处设计水位为黄海高程14.02m，枯水期水凼内水位一般在黄海高程15m 左右；（2）水凼面积约6万m2，水凼上游侧岸坡靠近大江（右汊），坡顶高程在黄海高程23m 左右；水凼左侧岸坡靠近新堤夹（左汊），坡顶高程在黄海高程22m 左右；水凼右侧岸坡靠近高滩，上游段为现场试验区，坡顶高程在黄海高程25 m 左右；（3）护坡沙枕位于中滩鱼嘴水凼内，枯水期四面为岸坡及滩地，常规施工船舶很难进入；（4）护坡沙枕至少暴露过一个枯水期，沙枕已有一定老化，其中高滩沙枕老化比较严重，采取的防老化措施施工时应尽量减少施工时的破坏；（5）岸坡坡度为1∶2.5，沙枕铺设呈阶梯状；（6）水流刚漫过中滩滩面时翻坝水水流力较大.

1.2 受力分析

主要是考虑通过在沙枕面层覆盖无纺布并对其进行固定等措施（即覆盖体）进行防老化方案的受力分析，见图2、图3.

图2 覆盖体示意图

图3 覆盖体受力示意图

由图2得到单位覆盖体A 的拉力：

式中：ρ为水的密度；m排为覆盖体单位面积质量；h为坡顶至坡底的垂直距离；θ为边坡与地面的夹角；Δh为漫过覆盖体水流的垂直深度；v 为漫过覆盖体水流的流速；fm为覆盖体与坡面的摩擦系数；g 为重力加速度.

根据现场表面流速实测资料，并考虑覆盖体漫流的较不利情况，漫过覆盖体水流的流速v 取3m／s，漫过覆盖体水流的垂直深度Δh＝1m，坡顶至水凼内水面的垂直距离h＝3m（主要是考虑到水凼内水位相对较低），坡比为1∶2.5，覆盖体单位面积质量m排＝56.5kg／m2，覆盖体与坡面的摩擦系数fm取0.5，水的密度103kg／m3，重力加速度g＝9.8N／kg.代入上式计算可得覆盖体坡顶位置A 点受到单宽拉力TA约为26.0kN.

1.3 防老化材料选择

1）覆盖型 根据现场工况，主要考虑轻型覆盖结构：（1）可以防止覆盖体本身加重已部分老化沙枕的破坏程度；（2）仅需对枯水位以上沙枕进行覆盖.

工程中普遍使用的无纺布，是一种不需要纺纱织布而形成的织物.参考目前的软体排结构形式，主要有砂肋排与系砼块软体排两种形式，砂肋排压载具有较好性能，可将其沙肋筒置于编织布垫层下面，再在编织布上面缝制无纺布，以致形成复合沙肋排结构.见图4.

当前航道整治工程中大量使用的系砼块软体排，其压载体砼块本身有防老化功能，为便于系接和防老化，压载块体选用D形混凝土块.系接材料可采用钢丝网石笼垫结构中的系接钢丝，固定用垫体则可采用单层钢丝网.从而形成无纺布＋钢丝网结构.

图4 四种材料实物参考图

2）喷涂型 据调查，在大坝混凝土表面防老化方面有种名为CW－S的新型的防老化材料，可将CW－S抗老化材料喷涂或刷涂在沙枕表面，从而阻止沙枕受到阳光照射达到防止沙枕老化的目的［4］.目前，CW－S抗老化材料已在三峡大坝下游右岸坝面进行了现场生产性试验，获得了一致好评，具体情况见图5.

图5 三峡大坝下游右岸坝面涂刷CW－S抗老化材料前后的对比图

1.4 试验区域选取［5－6］

试验区安排在界牌新淤洲鱼嘴水凼中、高滩结合部沙枕实施时间比较早、沙枕老化比较严重处，试验区域长约42m（＃3～＃4断面）.为便于检验各种防老化材料的性能，按三种覆盖型防老化措施试验结构特点分为3个试验区：第一试验区，复合沙肋排方案；第二试验区，无纺布＋钢丝网方案；第三试验区，无纺布＋钢塑土工格栅方案；第四试验区（＃9～＃12断面间局部区域），喷涂CW－S抗老化材料方案.

1.5 试验区域结构设计

1）盖型结构 覆盖型结构包括复合沙肋排、无纺布＋钢丝网、无纺布＋钢塑土工格栅3种.

（1）合沙肋排防老化覆盖型结构 复合沙肋排由两层排垫组成，面层为无纺布，底层为聚丙烯编织布，排垫下沿排体纵、横向每隔2 m 设置一道7cm 宽的加筋条，纵向加筋条下系结沙肋筒，且每隔2m 设一个加筋圈，加筋圈直径为20cm.沙肋筒直径20cm，由聚丙烯编织布做成.沙肋排单块排体宽16m，设有纵向沙肋筒9条，长度可根据施工需要进行调整.上端固定则采取坡顶铺石压载方式，具体为：在水凼坡顶边线5 m 外侧开挖一道宽2m、深0.5m 的基槽，将沙肋排排头铺放在槽底，上面铺石1m 厚进行压载，再在坡顶边线5m 内铺石0.5m 厚.

（2）无纺布＋钢丝网防老化覆盖型结构 无纺布＋钢丝网结构底层为400g／m2的无纺布，表层为钢丝网.无纺布单幅宽6 m，纵向搭接1 m，采用双线缝接；钢丝网为绞合六边钢丝网，单宽6m，网格规格为6cm×8cm，钢丝为镀高尔凡钢丝、直径2.7mm，抗张强度应大于350N／mm2，延伸率不能低于10%.绞合钢丝网单宽抗拉强度可达49kN，大于26kN，可满足试验强度要求.上端固定同样采取坡顶铺石压载方式，

（3）无纺布＋钢塑土工格栅防老化覆盖型结构 无纺布＋钢塑土工格栅底层为400g／m2的无纺布，表层为钢塑土工格栅.无纺布单幅宽6 m，纵向搭接1 m，采用双线缝接；钢塑土工格栅由纵横向肋条编织成网，纵横向肋条内层为高强钢丝，外层包裹一次成型的塑料层.上端固定同样采取坡顶铺石压载方式.

2）喷涂型结构 CW－S抗老化材料采用毛刷涂敷或用机器喷涂，但涂敷或喷涂前需对沙枕面进行清理，同时应注意施工温度及施工后保养等.

2 试验实施安排

2.1 复合沙肋排

在坡顶边线5m 外侧开挖一道宽2m，深0.5 m 的基槽；然后将沙肋排排布从坡顶向坡下铺开，沙肋排排头铺放在槽底，上面铺石1 m 厚进行压载，再在坡顶边线5 m 内铺石0.5 m 厚，沙肋排底部控制在设计水位下2 m，可留出一定富余长度，以便排体与原坡面之间尽量减少空隙，排布摊开后应尽量与坡面吻合，将其完全覆盖；最后对沙肋筒进行充沙，充满后对沙肋排下游侧边缘绑系小砼块进行压载，排尾采用沙枕进行压载.

2.2 无纺布＋钢丝网

在坡顶边线5 m 外侧开挖一道宽2 m、深0.5m的基槽；然后将单幅无纺布从坡顶向坡下展铺（坡顶预留一定的长度），将无纺布及钢丝网头部铺放在槽底，上面覆盖厚度1m 的铺石进行压载，再在坡顶边线5m 内铺石0.5 m 厚，无纺布＋钢丝网底部控制在设计水位下2 m，并留一定富余长度，以使无纺布摊开后与坡面吻合；再将钢丝网铺开放置在无纺布上相同位置.

布设完毕后，在钢丝网面上纵横向每隔0.5m设置D 形混凝土块进行压载.D 形混凝土块用钢丝绑系在钢丝网面上.钢丝网之间的衔接：采用钢丝系结.与复合沙肋排的衔接：纵向搭接2 m，无纺布与钢丝网压在复合沙肋排上，并绑系砼块压载.

2.3 无纺布＋钢塑土工格栅

先在坡顶边线5m 外侧开挖一道宽2m，深0.5m 的基槽；然后将单幅无纺布从坡顶向坡下展铺（坡顶预留一定的长度），将无纺布及钢塑土工格栅头部铺放在槽底，上面覆盖厚度1m 的铺石进行压载，再在坡顶边线5 m 内铺石0.5 m厚，无纺布＋钢塑土工格栅底部控制在设计水位下2m，并留一定富余长度，以使无纺布摊开后与坡面吻合；再将钢塑土工格栅铺开放置在无纺布上相同位置.

布设完毕后，在钢塑土工格栅面上纵横向每隔0.5m 设置D 形混凝土 块进行压载.D 形混凝土块用钢丝绑系在钢塑土工格栅面上.钢塑土工格栅之间的衔接：采用钢丝系结.与钢丝网的衔接：纵向采用钢丝系结，并绑系砼块压载.

2.4 涂敷CW－S抗老化材料

将CW－S抗老化材料A，B 组分按一定比例混合、搅拌均匀，在表面刷涂、滚涂或喷涂，当作业环境温度低于0 ℃、高于50 ℃，或是表干前可能下雨、风力大于5级以上时，不能施工.使用前修补好表面明显的破损，不得有空鼓、疏松等现象.施工前应清除表面存在的灰尘、污渍等，然后用高压水枪冲洗，使其表面清洁.如采用喷涂作业，普通的高压无气喷涂设备即可.CW－S抗老化材料表面触干后自然养护，7d后即可投入使用.

试验检测包括试验现场检测与室内检测试验.从现场查勘情况来看，三种覆盖型防老化结构效果均较好；CW－S新型防老化涂层也没有出现起壳、脱落等现象，附着性能较好，实验前后对比结果见图6.

图6 涂刷CW－S抗老化材料前后的对比图

3 结束语

针对长江中游界牌河段新淤洲鱼嘴中滩沙枕护坡防老化措施进行分析、研究、实验，以及对比.经比较，无纺布＋钢塑土工格栅覆盖型优势相对明显，覆盖体比较轻盈、覆盖效果好、施工简单，造价较低，是一种比较好的护坡沙枕防老化措施；涂覆了CW－S喷涂型材料后，沙枕的抗老化能力也具有明显提升，且其防老化能力要高于无纺布.试验成果在今后航道整治工程及维护工程中具有较高的应用价值.

［1］邓良爱，曾庆云.航道整治工程沙枕防老化技术研究［J］.水道港口，2010，31（5）：520－524.

［2］谢凤章.土工织物在某航道整治工程中的应用［J］.沿海企业与科技，2010（4）：109－110.

［3］贾 晓，伍文俊，吴华林，等.长江中下游洲滩守护工程概化模型试验研究［J］.水运工程，2012（2）：123－127.

［4］杜 科，韩 炜，李 珍，等.护坡沙枕防老化涂层材料耐老化性能试验研究［J］.长江科学院院报，2011，28（1）：58－60.

［5］李松滨，李延春.关于松花江航道整治工程施工质量控制和降低工程造价的几点体会［J］.水利工程，2011（1）：246－247.

［6］王爱军，赵维启.土工织物在沥青路面养护中的应用［J］.公路交通科技，1998（15）：22－24.