扭王字块在川江航道整治中的应用

杨祥飞

(长江重庆航运工程勘察设计院，重庆401147)

长江是连接带动沿江省市经济发展的黄金纽带，是综合运输体系中的重要组成部分，在促进区域经济协调发展中发挥着重要作用。近年来党和国家领导人多次就长江航运发展做出重要指示，要求高度重视长江航运，充分利用长江黄金水道。大力发展现代长江航运已经成为国家现代化建设总体战略布局的重要组成部分，长江航道迎来大建设大发展的历史性机遇。与此同时，随着我国西部地区地方经济的迅速发展，对外贸易量迅速增加，对水路交通运输也提出了更高的要求。

长江干流宜宾至宜昌河段(俗称“川江”)作为长江“黄金水道”的上游，对完善西部综合交通运输体系至关重要。其中重庆以上河段为山区河流，存在“急、浅、险”碍航特征的各类滩险［1］，对航运产生较大的危害，需通过整治来满足航运的需要。山区河流航道整治主要有疏浚、炸礁、筑坝等工程措施。其中，筑坝是最为重要的措施之一。在水流的长期冲刷下，坝体的整体稳定性是发挥整治建筑物整治功能的重要保障。川江传统的坝体主要采用散抛块石结构，由于块石粒径小，整体稳定性差，受水流的长期冲蚀容易逐渐流失，进而引起坝体的局部和整体毁坏。要保证坝体的整体稳定，坝体结构材料的选择就显得至关重要，有必要对川江叙泸段航道建设工程成功应用的扭王字块新型坝体结构材料的适用条件进行研究，以切实提高山区河流整治建筑物结构稳定。

笔者通过分析川江水沙运动特性、传统整治建筑物结构材料的应用效果，综合长江上游铜鼓滩实测资料、扭王字块结构选型、施工工艺、应用效果等，对扭王字块的适用要求、施工技术要点等进行归纳，为山区河流整治建筑物结构设计提供借鉴。

1 川江滩险特性及传统整治建筑物应用情况分析

1.1 川江滩险特性

川江为典型的山区河流，素以滩多、礁险、流急、水乱著称。川江水位变幅大，流速急、流态紊乱，比降较大，水面平均比降为0.25‰，水流流速一般河段约2.0 m/s，枯水期滩上流速大部分在3.0 m/s以下，个别滩险达4.0 m/s左右［2］。水流流态也较为复杂，在滩险河段，“斜流”、“滑梁水”、“泡漩水”等不良流态较为普遍。

川江的河床组成主要是卵石和岩石。在宽阔河段，江心洲和河漫边滩较发育。在窄深型河段，河道两岸和河床主要由岩石组成。对于宽谷河段，洪水期泥沙大量淤积，河床表面覆盖较厚的沙卵石，但枯水期，水流基本能够将洪水期淤积的泥沙带走，河道总体呈“洪淤枯冲”规律。对于窄深河段，因为枯水期水流流速小，宽谷河段冲刷下来的泥沙一般淤积在该类河段，但因为窄深河段洪水期流速大，又将枯水期淤积的泥沙冲走，呈“洪冲枯淤”状态［3］。

川江碍航滩险有浅滩、险滩和急滩等。浅滩主要表现为枯期水深不足，多数滩险泥沙淤积到一定程度后基本保持稳定，但部分滩险在个别年份出浅后经过一个水文年也会出现冲刷，水深不足的碍航形态被自然消除。险滩主要表现为水流紊乱、流态差，常有剪刀水、滑梁水以及泡漩水等不良流态出现，对船舶安全通行构成较大威胁。急滩主要表现为流速大、比降陡，船舶难以自航上滩。

1.2 传统整治建筑物结构材料及应用效果分析

针对川江的水沙运动规律和滩险特点，整治措施主要有疏浚、炸礁、筑坝等。筑坝的功能主要是束水冲刷浅区，保证疏浚区航槽稳定，防止泥沙回淤，同时调整水流流速流态，改善航道条件。筑坝是山区河流重要的航道整治措施。川江河道流急水乱，对整治建筑物的冲击力特别大，整治建筑物结构的稳定，是发挥整治功能的重要保证。

川江传统整治建筑物主要有丁坝、顺坝、锁坝、潜坝。90年代以前，整治建筑物主要采用堆石结构与干砌块石坝面结构。漂浮物及卵石推移质的冲击磨损、高速水流的渗透、中小块石不紧密等因素影响下，整治建筑物损毁严重。90年代以后，整治建筑物面层逐渐采用浆砌条石，稳定性得到提高，毁坏现象减少，但受水流长期顶冲的位置，常常出现毁坏现象。调查显示，川江目前建有46座整治建筑物，其中有39座破损，含13座严重破坏，26座为面层局部破坏。由于整治建筑物在河道中受力的不同，丁坝损毁最严重，顺坝次之。

分析整治建筑物毁坏的影响因素，主要有水沙运动特点、建筑物结构、维护情况、人为破坏等。整治建筑物在这些影响因素的相互作用下逐步毁坏。这其中整治建筑物所在位置的水沙运动是整治建筑物毁坏的重要原因。毁坏的方式主要有：

1)水流翻坝后对坝体背水坡河床淘刷、顺坝沿堤流淘刷、水流常年对整治建筑物坝头和坝根等位置冲刷淘蚀等，引起基础不稳，进而导致整治建筑物整体或局部坍塌破坏。

2)在漂浮物(流木)和高速水流的顶冲下，坝体块石从面层开始逐步滑落，最终形成坝体溃缺。

3)大流速水流带来大量卵石推移质与整治建筑物彼此摩擦，特别是卵石输移带上的整治建筑物，磨损更加剧烈，常常引起坝面损坏，进而破坏坝体。

2 铜鼓滩概况及整治方案

2.1 铜鼓滩概况

铜鼓滩地处长江宜昌以上996.0 km，宜宾市南溪县，是长江上游宜宾至重庆河段著名滩险，誉为“川江滩王”，长期制约着长江上游航运的发展。该滩为枯水期兼有“弯、浅、险”碍航特征的复杂滩险。曾经多次治理，效果不佳。该滩在河势上位于两反向河湾的过渡段，上段弯道进口有右岸董碛坝和左岸九龙滩束窄河道，河宽约300 m;中段放宽，但江中迎宾格碛坝伸入江中，在河中形成潜碛，将河道分为左右两汊，左汊顺直宽阔，但枯水期水浅，右汊弯曲狭窄，为枯水期航槽;下段水流受铜鼓滩岩盘挑流影响，流急水乱。上段铜鼓子一带枯水期航槽水深时有不足，中段航道狭窄弯曲，下段流急水乱，航行危险，“上浅、中弯、下险”是该滩主要碍航特征［4］。

2.2 铜鼓滩整治方案

针对滩段的碍航特征，整治方案(图1)为：新开左槽，同时抛筑整治建筑物维持左槽(新槽)的稳定。开槽顺应左槽既有河道地形，平面上采取微弯形布置。左槽开挖深度为设计最低通航水位下3.5 m，开挖宽度上段为80 m，下段逐渐加宽到95 m。为维持左槽的稳定，在江心迎宾格潜碛上建1道顺坝和3道齿丁坝，在右槽建1道潜坝，共同调整左右两汊的分流比，增大新开左槽的流量，达到稳定新槽的目的［5］。

图1 铜鼓滩整治方案示意Fig.1 Tonggutan regulation scheme

2.3 坝体结构比选

整治建筑物抛筑江中，起着调整左右两槽分流比，稳定新开航槽的作用。顺坝和齿丁坝正处江心两槽分流点位置，长期受水流顶冲，水流流速大，枯水期流速一般达到3.5 m/s。其结构能否保持稳定是工程成败的关键［6］。

考虑到顺坝和丁坝所在位置水流急，尤其对整治建筑物坝头的顶冲力量大，为使坝头结构稳定，进行了两种坝体结构方案的论证比选：①常用的钢丝石笼抛筑坝头+混凝土铰链排护面;②首次在长江提出钢丝石笼抛筑坝头+扭王字块护面。一般情况下川江流速较稳，但在涨、退水时，流速变化大，水流对坝头冲击力强。扭王字块在水下的抗冲能力强，作为海港防波提的主要结构材料，能够经受住海浪的冲击，通过计算，该结构也能够在川江中保持稳定。对于钢丝石笼坝体+混凝土铰链排护面的坝头结构，有一个重要的缺陷。铰链排一般是顺水流方向铺设才能较好的维持自身和覆盖物的稳定。但是坝头位置特殊，铰链排只能垂直水流铺设，很容易被水流从侧面掀翻破坏。

通过对比，最终采用钢丝石笼抛筑坝头段的坝体，然后对坝头的迎背水坡、坝头坡以及坝面采用一层0.8 t规格的扭王字块进行护面［7］。

3 扭王字块施工工艺及相关要求

该工程设计的扭王字块安装数量为1.56万块，采用船舶从预制场运至抛放现场，用吊车进行抛放。

3.1 施工工艺及方法

安放扭王字块最主要的质量要求是单位面积内安放数量，即安放密度是否达到设计要求［8］。安放时块体在坝体坡面上可斜向放置，块体的一半杆件与垫层接触，但相邻块体摆向不宜相同，不能大量相接及平行摆放。块体应定点安放。假定坝头坡面为一网格，网格节点密度满足设计要求，就可根据三角函数关系，计算出各个节点的位置，即每块扭王字块的安放位置，从而确保块体的安放密度。具体步骤如下：

1)布置扭王字块安放网格。扭王字块安放网格主要根据安放密度和坝头外形尺寸进行计算。计算方法为：面积/密度=排距×间距。

2)扭王字块安放方法。扭王字块采用极坐标法进行安放，这需要确定3个安放参数：吊车的位置坐标、扭王字块放置的距离和水平夹角。吊车进行块体安放作业的位置主要根据吊车的最大吊幅，坝头的坡面尺寸来确定。吊车的选择主要根据扭王字块的重量以及吊车吊放的最远距离来确定，选定吊车的吊幅作为分段安装扭王字块的段长，每段扭王字块安装的外形为规则的菱形，吊车停放在菱形上边线内角较大的一个角点上。最后是扭王字块安放水平夹角的确定。应先确定方向，一般以扭王字块安放的前进方向作为正方向;然后由已经确定的菱形边长以及扭王字块的排距和间距，计算出每段的排数和每排的块数;最后，每个块体的位置由水平夹角和水平距离确定。水平夹角则通过三角函数计算。

3)块体安放次序。扭王字块安放时，应先找到初始位置，确定机位。1#机位采用倒三角形从下向上安放，2#机位采用菱形接着1#机位三角形边线安放，详见图2。

图2 扭王字块安放顺序Fig.2 The installment order of accropodes

4)块体安装记录。扭王字块的3个安放参数一般采用微机编程计算，计算结果(每个扭王字块相对吊车的仰角和转角)作为施工依据。安放作业人员根据计算结果，编排序号，每安放一个块体，就在序号前予以标识，并作好记录，既可保证块体安放密度，又能追查每个工段的安放质量情况。

3.2 块体安放质量控制

扭王字块应从下向上安放，应与水下块石垫层接触紧密。扭王字块的安放量要满足设计和规范的要求，安装一段，检查一段，若不合格，立即整改。

安放扭王字块前，应对坝体坡面进行检查，若达不到设计要求应先进行修整。扭王字块安放时的混凝土强度应达到要求。块体安放位置应控制在设计位置的±25 cm以内。块体吊放时应使用泡沫板等衬垫，防止扭王字块棱角被损坏。

扭王字块安放后应检测：①扭王字块安放方式是否满足设计要求，不能有漏放或过大隆起;②扭王字块安放数量偏差应控制在5%以内。

4 扭王字块取得的实际效果

4.1 扭王字块取得的效果

铜鼓滩顺坝坝头和齿丁坝坝头等受水流顶冲的部位采用扭王字块进行护面［9］，有效的保证了顺坝和齿丁坝的整体稳定。目前铜鼓滩整治工程已完工并经历两届洪水期，整治建筑物完全保持着稳定，特别是长期受水流顶冲的重点部位，由于有扭王字块护面，这些部位基本没有受到损坏。从图3可以清楚看出铜鼓滩1#丁坝坝头在扭王字块的保护下，非常稳定，并且有大量泥沙淤积在扭王字块的缝隙中，使整个坝体成为一个整体，进一步保证了坝体的整体稳定性。

图3 铜鼓滩1#丁坝工程效果Fig.3 1#dike engineering effect of Tonggutan

4.2 扭王字块取得良好效果的原因

铜鼓滩顺坝坝头和齿丁坝位置水流流速急，冲击力大，若按照传统方法，单纯抛筑大块石，由于块石之间相对独立松散，不能有效抵御水流的冲击淘刷。扭王字块单块质量大，抛筑后彼此咬和，能够有效抵御水流的冲击。加上扭王字块之间属于柔性连接，能够很好的适应河床的沉降变形。此外，扭王字块彼此咬和后，具有很强的消能促淤作用，泥沙在块体之间的缝隙中容易淤积，使得整个坝头成为一个整体，进一步保证了坝头的整体稳定性。

5 结论

1)使用扭王字块进行整治建筑物坝头护面的效果很好，对维持整治建筑物的稳定有重要作用。在类似川江这种大流量大流速的大型山区河流中抛筑整治建筑物，抵御水流的强大冲击力，采用扭王字块进行护面是一个不错的选择。

2)安放扭王字块最重要的质量要求是单位面积内安装块数要达到设计要求。安放时块体在坝面上可斜向放置，并使一半杆件与垫层接触，但相邻块体摆向不宜相同，不宜大面相接及平行摆放。

［1］长江航道局.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］长江重庆航运工程勘察设计院.长江干线宜宾合江门至泸州纳溪航道建设二期工程可行性研究报告［R］.重庆：长江重庆航运工程勘察设计院，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］重庆交通大学.长江上游铜鼓滩航道整治数值模型研究报告［R］.重庆：重庆交通大学，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］重庆西南水运工程科学研究所.长江干线叙泸段铜鼓滩航道整治定床模型试验研究报告［R］.重庆：重庆西南水运工程科学研究所，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］重庆西南水运工程科学研究所.长江干线叙泸段铜鼓滩航道整治动床模型试验研究报告［R］.重庆：重庆西南水运工程科学研究所，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］重庆交通大学.长江叙渝段典型卵石浅险滩的整治技术研究报告［R］.重庆：重庆交通大学，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］杨祥飞.长江上游铜鼓滩治理措施研究［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，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航道整治工程技术规范［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］长江重庆航运工程勘察设计院.长江干线宜宾合江门至泸州纳溪航道建设二期工程初步设计［R］.重庆：长江重庆航运工程勘察设计院，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.