白鶴梁題刻原址水下保護工程交通廊道的止水連接設計

郭 曉，章榮發 （長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢430010）

白鶴梁位于重慶市涪陵城北長江之中，下距烏江與長江匯合處約1km，為一砂巖天然石梁，長約1600m，寬約10～15m，東西向延伸，與長江平行。白鶴梁背脊標高約為138m，比常年最低水位高出2～3m，比庫區正常蓄水位低30多米，長年淹沒在水中，僅在冬末長江枯水季節露出水面。前人根據石梁露出水面的高度變化可以確定長江枯水水位，因而相繼采用題刻的方式記錄了一千多年間的長江枯水水位變化情況，為研究長江上游的歷史枯水水位變化規律提供了可靠的尺度標準。

由于江水的沖刷切割，白鶴梁被劃分為上、中、下3段，題刻主要分布在長約220m的中段石梁上，迄今發現石梁上有文字題刻163段，3萬余字，石魚14尾。其中宋代最多，約在百段之多，元、明、清代次之。題刻記載了唐廣德元年至本世紀初共1200余年間的72個枯水年份的長江水位資料，堪稱保存完好的世界 “第一古代水文站”。

1 白鶴梁題刻工程的保護與設計范圍

1．1 保護范圍

白鶴梁題刻中段東區長約45m、寬約10m范圍為石刻密集區域，包括著名的唐代雙魚等重要題刻138則，為題刻重點保護區。從題刻重要性、工程一次性投資及運行維護費用等綜合分析，白鶴梁原址水下保護的范圍為中段東區長約45m、寬約10m的區域。對其他區域零散的脫落題刻擬搬入陳列室陳展，其他少量題刻讓其自然淤積掩埋。

1．2 設計范圍

保護工程由地面陳列館、交通及參觀廊道、水下保護體3部分組成。

1）地面陳列館 地面陳列館沿長江南岸濱江大道與長防堤之間綠化帶部位布置，作為水下參觀出入口及水下保護體之地面標志建筑。主要功能為人流集散、為水下保護體提供設備支持、辦公及管理、陳列與展覽。同時提供沿江觀景平臺，形成以白鶴梁題刻為背景的人文景點。

2）交通及參觀廊道 為提供近題刻觀賞空間，以承壓廊道自地面陳列館至水下保護體內環繞一周，連接地面陳列館與保護體為交通廊道，保護體內近題刻處為參觀廊道，以承壓窗口通視題刻。

3）水下保護體 水下保護體為橢圓形平面的單跨拱形殼體結構，殼體結構履蓋白鶴梁題刻，殼體內置換清水，滿足參觀通視要求，內外水壓平衡形成 “無壓容器”，永久保護題刻不受泥沙淤埋和沖淘破壞。

2 工程條件

2．1 水文、氣象

①涪陵區多年平均降水量為1073．5mm。降水年內分配不均，多集中在4～10月，其降水占全年降水量的80%以上；4～10月均會出現暴雨，夏季暴雨尤多，歷年最大一日降水量高達324．0mm；多年平均暴雨日數為2．2d；多年平均降水日數150．1d。②涪陵區多年平均氣溫為18．1℃。以1月氣溫最低，多年平均氣溫為7．1℃，7月最高，多年平均氣溫28．7℃；極端最高氣溫42．2℃，極端最低氣溫為-2．2℃。③涪陵站年平均風速0．9m／s，歷年最大風速24．4m／s。區境多靜風，頻率高達53%，全年主導風向東北風，頻率7%，其次北風，頻率6%。④多年平均蒸發量為1126．8mm。涪陵區處于高濕區，多年平均相對濕度為79%；霧日較多，年平均霧日數為32．2d；無霜期長，年均無霜期315d，年均日照時數為1297h。

1）白鶴梁歷史枯水位及最高洪水位 ① 涪陵的零水位高程為138．7m （吳淞高程）。②涪陵白鶴梁歷史枯水位為1813年的137．19m，歷史最高洪水位為1870年的170．7m。

2）三峽水庫擬定的調度方案對涪陵河段水位的影響 三峽水庫擬定的調度方案：2003～2007年汛期壩前運行水位為135m；2007～2009年汛期水庫按156m方案調度運行；2009年汛后三峽水庫具備蓄水至175m，達到按最終規模運行的條件。在水庫蓄水初期涪陵河段將分別處于水庫回水末端和回水變動區中下段，從水庫正常運行期開始該河段已處于常年回水區上段，屆時白鶴梁題刻將長期淹沒于水中。

3）流量、流速 ①根據長江寸灘水文資料及有關研究成果，涪陵長江河段多年平均流量為11200m3／s，三峽工程壩區最高通航流量56700m3／s。②三峽水庫按擬定的156m方案運行時，白鶴梁河段最大流速5．6m／s，最小流速3．4m／s；按175m方案運行時，白鶴梁河段最大流速4．3m／s，最小流速2．5m／s。

2．2 泥沙淤積分布與白鶴梁的覆蓋情況

①涪陵長江河段多年平均懸移質輸沙量為4．6×108t（0．028mm），多年平均沙質推移質為6×106t（0．014mm），卵石推移質為28．97×104t（51mm），汛期淤積，汛后沖刷，年內基本保持平衡。②在三峽水庫按135m水位運行的前5年，由于受水庫回水較小，涪陵長江河段泥沙淤積甚少；水庫運行到第10年末淤積泥沙已逐漸逼近白鶴梁題刻，從第15年起開始全面覆蓋白鶴梁題刻，到第20年末白鶴梁題刻已完全為淤積泥沙所覆蓋。

3 工程布置

3．1 平面設計

1）交通廊道 沿堤坡為坡形交通廊道，沿江底為水平交通廊道，均為線形平面，總長290m，凈寬3．4m。內部空間分為1．4m寬雙人步道 （或梯道）及0．9m寬單人自動扶梯 （預留）。交通廊道單側設展示空間。

2）參觀廊道 平面為 “U”形，支撐于保護體內壁，圍繞題刻布置。廊道凈寬2．2m，總長約80m，按潛艇分艙方式以承壓水密門分為3個艙室。

3）水下保護體 根據內部題刻分布形狀及外部水流條件，保護體采用圓弧相接的橢圓形平面、拱殼頂結構，內空長軸64m，短軸16m。

3．2 剖面設計

1）坡型交通廊道 從長江行洪過流和沿江景觀等方面綜合考慮，采用貼坡淺埋方式，埋深約3m。坡型廊道地面建筑高程自地面陳列館室內▽176．2m分單坡自動扶梯下至水平廊道接口▽136．2m，總高40m，坡度27°。

2）水平交通廊道 為避免水下基巖過大開挖，保證交通流線便捷，以直線連接坡形交通廊道及參觀廊道。水平交通廊道地面高程自▽136．2m～▽137．2m，縱坡0．7%作為地面排水坡。

3）水下保護體 拱頂高程▽143．0m。

4）參觀廊道 保護體拱頂143．0m，從協調結構受力及施工安裝工藝要求等因素考慮，參觀廊道地面高程最大值為▽137．30m，與水平廊道接口處高程為▽137．2m，縱坡0．3%作地面排水。參觀廊道橫斷面凈寬2．2m，凈高2．2m，四處局部加寬1．2m。

4 交通廊道變形縫、施工縫及連接設計

由于廊道內外側混凝土存在著溫差，管段縱向可能產生很大的拉應力而導致混凝土開裂，地基的不均勻沉降等影響也會導致管段開裂。為此，交通廊道按計算及構造要求需設置變形縫、施工縫，水平交通廊道及鋼質參觀廊道間的連接應進行專門的接頭設計。

4．1 變形縫、施工縫的設置

①坡型交通廊道每18．5m設變形縫一道，中間設一道施工縫。②水平交通廊道每20m設變形縫一道，中間設一道施工縫。③坡型交通廊道與水平交通廊道的連接處按結構形式平順過渡，端部加強配筋，坡型交通廊道端部下設混凝土基礎或振墩，不設接頭。

1）變形縫設計 變形縫的防水不僅要考慮結構沉降、伸縮的位移變形，而且在充分變形的狀況下保證其水密性［1］。該工程變形縫寬度根據計算設為15mm，縫內的止水帶應能承受0．5MPa左右水壓。據此，變形縫采用外貼橡膠止水帶、中埋式可注漿式鋼邊橡膠止水帶、內裝可卸式Ω橡膠止水帶3道防水及聚胺脂密封膠、遇水膨脹膩子止水條、SM膠等輔助防水措施，止水橡膠均采用氯丁橡膠。①外貼橡膠止水帶寬度為320mm，厚8mm，沿縫周設置。②中埋可注漿式鋼邊橡膠止水帶寬度為350mm，厚10mm，沿縫周設置。③內裝可卸式Ω橡膠止水帶寬200mm，厚10mm，內設帆布夾層，沿縫周設置。

2）施工縫設計 ①坡型交通廊道施工縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶及遇水膨脹膩子止水條2道防水。橡膠止水帶寬度為320mm，厚10mm，沿縫周設置。遇水膨脹膩子止水條為20×30mm。②水平交通廊道施工縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶及外貼式橡膠止水帶。中埋式鋼邊橡膠止水帶寬度為320mm，厚10mm；外貼式橡膠止水帶寬度為240mm，厚8mm，均沿縫周設置。

3）止水帶構造 止水帶構造如圖1所示。

圖1 止水帶構造

4．2 水平交通廊道 （混凝土）與參觀廊道 （鋼結構）連接設計

交通廊道端部預埋12mm厚鋼板與參觀廊道端部焊接在一起，交通廊道內預埋環向金屬止水環，由于金屬板與混凝土間極易產生收縮裂縫，因此，施工時應提高變形縫2側混凝土的密實性，預埋鋼板時，應在鋼板與混凝土接觸面設置遇水膨脹密封膠［2］。水平交通廊道 （混凝土）與參觀廊道 （鋼結構）連接設計如圖2所示。

圖2 水平交通廊道 （混凝土）與參觀廊道 （鋼結構）連接設計

5 止水連接的施工技術要求

5．1 變形縫、施工縫的施工技術要求

①橡膠止水帶必須埋設準確，其中心應與變形縫中心線重合。②止水帶在澆筑混凝土前，必須妥善固定于專用的鋼筋套中并在止水帶的邊沿處用鍍鋅鐵絲綁牢或用扁鋼焊牢，以防止位移。③內裝可卸式止水帶有帆布夾層，其小齒與預埋角鋼接觸部位應平鋪未硫化丁基橡膠膩子薄片。④角鋼壓板及橡膠止水帶的預留孔位置應嚴格對準，并預裝一次，澆混凝土時必須防止預埋件移動。⑤可卸式止水帶設置時，應先固定4個轉角，且先上后下排鋪止水帶，同時止水帶上的壓條應連續排布。⑥作為可注漿式鋼邊橡膠止水帶注漿管的附件，杯狀泡沫塊應預制并與止水帶同時設置定位。注漿口鋼罩內的海綿橡膠，加工時外側應確保做結皮處理，以保證混凝土澆筑中水泥漿不滲入其內。⑦可注漿式鋼邊橡膠止水帶在水平設置時除了應保證止水帶盆形安裝外，泡沫塊及吊環螺母應嚴格控制位于混凝土面以下，謹防壓注使用前受損。此外，還應注意注漿管的定位 （即止水帶的定位）。⑧鋼邊橡膠止水帶在轉角處宜采用圓弧轉角，轉圓角的半徑不低于125mm；止水帶接頭不得設在底部或轉角處，應設在邊墻較高位置。⑨鋼邊橡膠止水帶的鋼板宜采用冷扎鋼板，并應作熱浸鋅處理。⑩ 外貼橡膠止水帶接槎不得在拐角處，接頭應設在頂板中部，收口處必須用密封膠作封頭處理。[11]施工縫澆灌前，應將其表面清理干凈，并刷涂水泥凈漿或混凝土界面處理劑，并及時澆灌砼。[12]遇水膨脹止水條外涂緩脹劑，緩脹劑緩脹時間大于8～10h，在澆灌新混凝土前應嚴防水浸泡失效。

5．2 水平交通廊道 （混凝土）與參觀廊道 （鋼結構）接頭施工技術要求

水平交通廊道 （混凝土）與參觀廊道 （鋼結構）接頭施工技術要求［1］如下：①混凝土交通廊道端部預埋型擋水板及12mm厚鋼板。②交通廊道內設環向鋼板止水環。為防止鋼板與混凝土間產生收縮裂縫，預埋鋼板時，在鋼板與混凝土接觸面設置遇水膨脹密封膠。③擋水板與參觀廊道連接角部以密封膠連接填實。④鋼板止水帶必須采用鍍鋅鋼板，鍍鋅厚度不低于50μm。接頭焊接和鑿穿固定孔造鍍鋅層的損傷，應采用無機富鋅類涂料修補。

［1］GB50108-2001，地下工程防水技術規范 ［S］．

［2］陳韶章 ．沉管隧道設計與施工 ［M］．北京：科學出版社，2002．

［3］周化 ．水工砼結構設計手冊 ［M］．北京：中國水利水電出版社，1999．