長江上游宜賓至重慶河段整治建筑物新結構研究與應用

朱俊鳳

（長江重慶航運工程勘察設計院，重慶401147）

長江上游宜賓至重慶河段（簡稱敘渝段）內灘險眾多，水流條件復雜，交通部先后按Ⅲ級航道標準對敘渝段進行了整治，航運條件得到較好改善。但整治建筑物水毀、維護滯后、河道無序采砂等多種原因導致該河段部分航道回淤，水流條件惡化。本文對敘渝段航道整治建筑物的結構進行了研究，以尋求更適合長江上游河床及水流特點的整治建筑物新結構。

1 整治建筑物現狀及破壞因素

敘渝段的整治建筑物主要有丁壩、順壩、鎖壩、潛壩，其中丁壩數量最多［1］。20世紀90年代以前，敘渝段整治建筑物的壩面主要為拋石結構和干砌條石結構，由于漂木的撞擊、水流的滲透、大塊石下部填塞的中小石塊不夠緊密等原因，壩體水毀十分嚴重。20世紀90年代以后，壩面結構開始采用漿砌條石，整治建筑物水毀現象明顯減少，但在流速較大、受水流頂沖集中沖刷的整治建筑物，其水毀現象還是比較常見。通過調查和觀測，敘渝段航道灘險中所建的46座各類建筑物，有39座不同程度的毀壞，占總數的85%。其中壩體被嚴重損毀（壩體沖有缺口）的有13座，占總數的28%，壩體、壩面局部損毀的有26座，占總數的57%，壩體整體基本保持完好的有7座，占總數的15%。水毀最為嚴重的是丁壩，其次是順壩，鎖壩和潛壩總體情況較好。

造成整治建筑物水毀的因素主要包括水流泥沙動力、結構設計及人為破壞等，這些因素之間相互影響，相互作用，使整治建筑物受到不同程度的破壞，其中水流泥沙動力因素是導致整治建筑物水毀的重要原因［2］。其水毀形式表現為：（1）建筑物壩頭、壩根等部位的基礎常年受水流沖刷和侵蝕作用，基礎淘空，在建筑物自身重力作用下失去支撐，建筑物局部或整體崩陷塌落；（2）建筑物與固體顆粒（卵石輸移帶）相互磨擦，尤其是處在卵石輸移帶上的建筑物，磨損尤為劇烈；（3）在水流和漂浮物的沖擊下，石塊常以滑動和滾動的形式脫離原位，被推移到下游河灘堆積，壩體從頂層開始逐層剝落，最終潰缺。

此外，整個建筑物的崩毀，往往是多種水毀現象同時出現。

2 整治建筑物新結構方案研究

為進一步增強長江上游航道整治建筑物的穩定性、牢固性和耐久性，維持整治效果，針對上述整治建筑物的破壞原因，提出4種整治建筑物新結構［3］。

2.1 鋼筋砼空心箱體壩面結構

根據前述的水毀原因，當水位淹沒壩頂2～3 m時，水流的最大垂線流速在壩體表面，對壩面的沖刷作用最強；當水位更高時，水流挾帶的泥沙明顯增多，此時懸移質或推移質對建筑物的沖擊、磨損較嚴重，其作用部位主要是壩面，因而加強壩面的強度和整體性尤其重要，為此采用鋼筋砼箱體壩面結構以加強壩面的強度和整體性。

壩體部分仍采用散拋塊石，迎水坡坡度為1：1.5，背水坡坡度為1：2［4］。待壩體拋筑至距壩面頂高1 m時，采用預制箱體澆筑。箱體為中空、無蓋、有底的鋼筋砼空心結構，長3 m，寬1.5 m，高1 m，壁厚150 mm。箱體澆筑完畢后再回填砂卵石，然后在箱體頂部現澆150 mm厚C20砼封頂。

該結構施工主要包括壩體下部拋石、整平、箱體預制（或現澆）、箱體安裝、填料、封頂等。其中施工難度較大的是壩體的整平和箱體安裝，其他工序施工經驗已成熟可靠。壩體可以采用人工整平，在壩體露出水面后進行。鋼筋砼箱體的重量約為2.5 t，箱內填料約為1.5 m3，采用預制安裝時則需要協作施工，若采用現澆則需在水位低于壩面頂高程1 m以下時施工，該方案的施工有一定難度，需要精心組織。

2.2 鋼絲石籠壩體結構

組成壩體的塊石粒徑大小通常要求有合理級配，迎水坡和背水坡坡面要求使用粒徑較大的塊石。但水下拋石往往難以控制，若背水坡的塊石級配達不到要求，容易發生滑移，可能導致整個壩體毀壞。為增強壩體的整體性，可增大單個塊體的重量，因此擬采用鋼絲石籠作為壩體拋筑材料，同時可以解決某些河段采石較難的問題。

用合金鋼絲編織成籠，壓頂籠的尺寸為 2 m×1 m×0.5 m（長×寬×高），壩體籠則采用袋狀塊石籠拋筑，鋼絲籠直徑0.95 m，長2 m。網格型號為 8×10，網格鋼絲直徑為3.0 mm，邊部鋼絲直徑為3.9 mm（圖1），絞邊鋼絲直徑為2.2 mm，鋼絲外鍍高爾凡。鋼絲籠裝卵石作拋筑壩體材料，條形石籠進行錯縫平鋪。卵石直徑要求大于10 cm。鋼絲的抗拉強度大于472 MPa，伸長率大于10%。

砌筑壩面最上一層石籠時，先用土工布墊底，然后用M10水泥砂漿灌縫，讓籠中塊石形成一個整體，其目的是增強壩面的平整和美觀，同時增加壩體的整體穩定性。石籠的制作在工廠內集中進行，運抵現場再裝卵石，然后封裝、船運、拋筑等，拋砌需用起重機械，大的石籠重約3.7 t。所用施工工具包括駁船和起重機。

圖1 鋼絲籠大樣圖Fig.1 Enlarged detail drawing of wire basket

2.3 混凝土與漿砌條石組合壩面結構

當水位淹沒壩面時，分析水流對壩體的沖刷作用，由于壩面總高為1 m，該部分結構承受了主要的水流沖擊力，其中迎水坡的壩面承受了較大的沖擊力；背水坡主要承受水流淘刷作用力。本著經濟節約的原則，本方案的主要特點是在壩面迎水坡采用混凝土結構，背水坡采用漿砌條石結構，以加強壩面的強度和整體性。

該壩型的壩體采用重量、級配符合設計要求的塊石，但在距壩頂設計高程1.0 m范圍的壩面，以壩軸線為界，迎水坡受水流頂沖部位采用現澆C20砼制作，其余部位采用漿砌條石，背水坡全部采用漿砌條石。該結構水泥砂漿的強度等級為M10，條石的強度為Mu30，塊石尺寸不得小于0.8 m×0.25 m×0.25 m（長×寬×高），漿砌高度為3～4層條石，漿砌時應錯縫。

壩面施工前應整平壩體，大的縫隙應用小塊石或片石墊平，防止混凝土澆筑時漏漿。宜先進行背水坡漿砌條石的施工，再澆迎水坡的砼壩面。壩面每20 m留1個30 mm寬的沉降縫。條石砌筑時應錯縫，表面應平整。本結構壩面施工時受水位的影響較大。

2.4 扭王字塊護面結構

該結構壩心仍采用塊石，在迎、背水坡及壩頂約1m厚的壩面，拋一層扭王字塊進行護面，扭王字塊的高度為1.094 m，單塊重0.8 t，砼的標號為C30（圖2）。該結構主要用在丁壩壩頭20 m長范圍內的壩體護面。

扭王字塊可從壩體坡腳至壩面隨機拋放，拋放網點排距和間距為0.85 m，但排與排間應按0.42 m錯位拋放。其預制、堆放、安裝施工均為成熟工藝。

圖2 扭王字塊立面、側視、俯視圖Fig.2 Front view，side view and vertical view of accropode

3 整治建筑物新結構的應用

在整治建筑物結構方案研究過程中，針對不同壩體的結構特點，進行壩體新結構應用試驗，既可單獨使用，也可組合使用。為了檢驗新結構在航道整治中的應用效果，在敘渝段航道建設工程中，采用4組典型組合進行應用性試驗。小南海采用組合結構Ⅰ，即鋼絲石籠壩體+塊石壩體+塊石砼壩面結構（圖3）；關刀磧采用組合結構Ⅱ，即鋼絲石籠壩體+拋石壩體＋鋼筋砼空心箱體壩面結構（圖4）；金鐘磧、小米灘等多處灘險采用組合結構Ⅲ，即拋石壩體＋混凝土與漿砌條石組合的壩面結構［5］（圖5）；銅鼓灘采用組合結構Ⅳ，即扭王字塊護面＋拋石壩體結構［6］（圖 6）。

圖3 組合結構Ⅰ示意圖Fig.3 Sketch of composite structure No.Ⅰ

圖4 組合結構Ⅱ示意圖Fig.4 Sketch of composite structure No.Ⅱ

圖5 組合結構Ⅲ示意圖Fig.5 Sketch of composite structure No.Ⅲ

圖6 組合結構Ⅳ示意圖Fig.6 Sketch of composite structure No.Ⅳ

經過1個洪水期后，從整治建筑物現場查看，4種組合壩體結構沒被破壞，整體保持完好。

4 應用成果及優化思路

經過工程實際應用，得到主要研究成果及優化思路：（1）鋼筋砼空心箱體能較好保證壩面的穩定，其強度也能得到保證。但是矩形箱體后的漿砌塊石及背水坡塊石易被淘刷，今后的工程中可考慮將矩形斷面結構優化為梯形斷面結構，以保證與壩體下部平順連接，使水流更趨平順，增強壩體的穩定性。該種結構可以改進后適當推廣，應根據水位、交通條件、施工設備、工程投資效益等綜合確定；（2）鋼絲石籠在水下的穩定性和耐久性較好，山區河流中可以在潛壩或丁壩的下部推廣應用。由于試驗研究階段未大規模應用，主要采用人工裝籠和拋筑，工效較低，今后可采用一些工程措施提高工效，如鋼筋自制篩網與挖泥船（或挖掘機）配合進行卵石篩選，用簡單的起重設備或開底泥駁進行拋筑，可以大大提高效率，降低成本；（3）現澆砼與漿砌條石結構的施工較方便，應用較廣，也是對以前川江各種壩面結構的總結與提高，其穩定性與耐久性有了較大程度的提高，但壩面施工受水位影響較大。隨著沿江條石的開采逐漸會受到限制，可考慮用塊石砼壩面結構來替代砼與漿砌條石組合壩面結構；（4）扭王字塊護面結構對壩體及河床的變形適應性較好，同時塊體單塊質量大，能夠抵抗水流的沖擊，有效維護壩體的穩定，該結構采用預制安裝方式，不受當地材料限制，同時受水位的影響相對較小，但造價相對高一些。

5 結語

整治建筑物新結構在長江宜賓至重慶河段航道建設工程中得到應用，對提高山區航道整治建筑物的穩定性、牢固性和耐久性起到了顯著作用，不僅為決策部門提供了重要依據，也為長江干線航道整治工程的維護及水毀修復工程提供技術支持和指導。

［1］長江航道局.川江航道整治［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］長江航道局.航道工程手冊［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］長江重慶航運工程勘察設計院.長江干線瀘州納溪至重慶婁溪溝航道建設工程整治建筑物新材料、新結構研究［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設計院，2008.

［4］JTJ312-2003，航道整治工程技術規范［S］.

［5］長江重慶航運工程勘察設計院.長江上游瀘州納溪至重慶婁溪溝航道建設工程施工圖設計［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設計院，2005.

［6］長江重慶航運工程勘察設計院.長江干線宜賓合江門至瀘州納溪航道建設二期工程初步設計［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設計院，2007.