丁壩維修結(jié)構(gòu)選型初步探究

■文/蘇偉 胡寶月 陳雯 史亞立

丁壩維修結(jié)構(gòu)選型初步探究

■文/蘇偉 胡寶月 陳雯 史亞立

依據(jù)實(shí)際航道整治工程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析丁壩損毀部位、損毀原因和損毀程度的差異，深入剖析丁壩不同部位的損毀原因、水流特性以及維修工程的自身特點(diǎn)，有針對(duì)性的進(jìn)行壩面，壩體和壩頭等部位進(jìn)行維修結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程中應(yīng)用達(dá)到了很好的效果。

丁壩 維修結(jié)構(gòu) 選型

一、概述

丁壩的損毀主要受河段的水流特性，自身結(jié)構(gòu)、整治功能以及床沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度等因素的影響而有所差異。對(duì)于水毀丁壩的修復(fù)措施，一般采用原樣修復(fù)使其恢復(fù)原設(shè)計(jì)尺度，或采用加寬壩頭、放緩邊坡的辦法進(jìn)行加固，而不能根本改變水毀頻繁出現(xiàn)的狀況，因此丁壩的防護(hù)及水毀修復(fù)技術(shù)還有待進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。由于丁壩類型不同、損毀部位不同，損毀原因和程度各異，因此，在進(jìn)行丁壩維修結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，深入剖析丁壩不同部位的損毀原因、水流特性以及維修工程的自身特點(diǎn)，在近期航道整治工程和維修工程中取得的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)顯得非常必要。

二、壩面維修結(jié)構(gòu)

壩面的破壞主要由于水流頂沖作用、河床推移質(zhì)磨損、漂浮物的撞擊以及下部壩體失穩(wěn)、沉陷引起的。當(dāng)壩體被淹沒時(shí)，水流的最大流速會(huì)作用在壩面上，這時(shí)會(huì)對(duì)壩面產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊力，而且水流中會(huì)攜帶大量泥沙，這些泥沙會(huì)對(duì)丁壩壩面產(chǎn)生沖擊和磨損作用，從這些方面來看，要想加強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，保護(hù)壩面不受損害就特別重要。為此擬在壩體上部采用鋼筋混凝土箱體結(jié)構(gòu)以達(dá)到加強(qiáng)壩面強(qiáng)度的目的。另一方面，在水流的拖拽作用下，壩體背水坡的塊石常以滑動(dòng)和滾動(dòng)的形態(tài)脫離原位，從而導(dǎo)致壩體破壞。針對(duì)這種情況，可考慮將拋石壩體的背水坡采用砼鉸鏈排保護(hù)起來，增加壩體的整體性。由于壩面在枯水期時(shí)露出水面成為周圍生態(tài)環(huán)境的組成部分，因此維修時(shí)除根據(jù)其破壞的程度和原因進(jìn)行結(jié)構(gòu)型式的選擇外還應(yīng)充分考慮與周邊生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

①對(duì)于主要受水流頂沖和漂浮物的撞擊造成破壞的壩面可選擇抗沖能力較強(qiáng)的鋼筋混凝土現(xiàn)澆壩面，通過錨固鋼筋與壩體連結(jié)成一個(gè)整體（圖1）。當(dāng)整治建筑物處于城鎮(zhèn)或者對(duì)整治建筑物外觀要求較好的河段還可考慮用鋼絲網(wǎng)箱壩面或預(yù)制混凝土箱體等壩面結(jié)構(gòu)型式。

②對(duì)于主要是由于卵石推移質(zhì)磨損造成的壩面破壞在維修時(shí)可考慮采用高強(qiáng)度砼外加纖維材料或在砼壩頂中嵌埋堅(jiān)硬石材（如鵝卵石）等方式，增強(qiáng)壩面的耐磨性。壩體下部仍為拋塊石，距離壩頂高程0.6m時(shí)的壩面為塊石砼，只是在面層20cm厚范圍內(nèi)嵌入卵石，呈梅花狀布置：即C30砼壩面嵌入直徑為12～18cm的大卵石，卵石外露2～3cm，該結(jié)構(gòu)主要是用于卵石輸移帶的壩體表面，增強(qiáng)壩面的卵石耐磨性能（圖2）。

③對(duì)于主要受河床變形影響而引起的壩面破壞，維修時(shí)應(yīng)首先加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)淘刷嚴(yán)重部位的護(hù)底和加固，選用適應(yīng)變形能力更強(qiáng)的大塊石壓頂壩面和人工砼構(gòu)件壓載等，如扭王字塊壩面（圖3）。

圖2 金魚磧砼嵌卵石護(hù)壩面

圖3 扭王字塊壩面

三、壩體（壩芯）維修結(jié)構(gòu)

造成壩體的破壞因素眾多，主要受水流頂沖、河床沉降、翻壩水流淘蝕以及近壩流等次生不良流態(tài)的影響等。因此，在進(jìn)行壩體維修時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析其破壞原因和丁壩附近水流特征，選取合理的結(jié)構(gòu)型式。

①對(duì)于主要受水流頂沖破壞的壩體可選擇整體性較強(qiáng)的鋼絲石籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修（圖4）。但對(duì)于卵石輸移帶上的丁壩，由于卵石對(duì)鋼絲網(wǎng)的磨損較為嚴(yán)重，在維修時(shí)可考慮用大粒徑的塊石或砼預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行護(hù)面（圖5）。

圖4 鋼絲石籠結(jié)構(gòu)壩體

圖5 扭王字塊坡面

②對(duì)于水流作用特別強(qiáng)烈的壩體損毀段除采用整體性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)根據(jù)受力分析結(jié)果，采用加大斷面尺寸、減緩邊坡等方式進(jìn)行處理。此外對(duì)于邊坡破壞嚴(yán)重的丁壩還應(yīng)采用預(yù)制砼構(gòu)件對(duì)邊坡進(jìn)行加糙、消能，減小下切水流對(duì)坡腳外側(cè)河床的淘刷而引起上部壩體失穩(wěn)破壞。

③對(duì)于河床淘刷嚴(yán)重，沖刷坑較大的丁壩，在對(duì)損毀部位進(jìn)行修復(fù)時(shí)，還應(yīng)在坡腳外加拋菱體以增強(qiáng)其穩(wěn)定性或采用柔性材料或散拋塊石進(jìn)行護(hù)底處理。

四、壩頭維修結(jié)構(gòu)

丁壩壩頭破壞的情況較為普遍，特別是丁壩壩頭和勾頭段長(zhǎng)期受水流頂沖劇烈，頭部易形成泡漩、亂水，壩頭外側(cè)易形成較大的沖刷坑引起壩體坍塌、失穩(wěn)破壞。在進(jìn)行壩頭維修設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮從以下幾個(gè)方面進(jìn)行壩頭加固處理。

①增強(qiáng)壩頭結(jié)構(gòu)

在對(duì)損毀壩頭進(jìn)行維修時(shí)，首先應(yīng)從維修設(shè)計(jì)上考慮增強(qiáng)壩頭結(jié)構(gòu)，以提高壩頭抵御水流劇烈頂沖的能力。可采用加寬壩頭、放緩壩頭邊坡、采用圓弧倒角減小對(duì)水流的擾動(dòng)等措施進(jìn)行處理的辦法對(duì)壩頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

②扭王字塊守護(hù)壩頭

在山區(qū)河流中，丁壩的壩頭由于處在水流頂沖的關(guān)鍵部位，毀壞相當(dāng)嚴(yán)重，特別是壩頭水流流態(tài)較亂，采用鉸鏈排等片狀護(hù)面結(jié)構(gòu)易于被水流沖翻，失去保護(hù)功能。因此可借鑒海港工程中防波堤護(hù)面結(jié)構(gòu)中常用的扭王字塊對(duì)壩頭進(jìn)行守護(hù)，以減小水流對(duì)坡面的破壞。壩頭段壩心仍采用塊石，在迎、背水坡及壩頂約1m厚的壩面拋一層扭王字塊進(jìn)行護(hù)面（圖6）。扭王字塊的高度為1.094m，單塊重0.8t，砼的標(biāo)號(hào)為C30。扭王字塊的安放采用定點(diǎn)隨機(jī)安放，從壩體坡腳至壩頂方向進(jìn)行，拋放網(wǎng)點(diǎn)排距和間距為0.85m，但排與排間應(yīng)按0.42m錯(cuò)位進(jìn)行拋放，扭王字塊具有較強(qiáng)的咬合力，其預(yù)制、堆放、安裝施工均為成熟工藝。該結(jié)構(gòu)主要用在丁壩壩頭20m長(zhǎng)范圍內(nèi)的壩體護(hù)面。

③壩頭河床護(hù)底

在復(fù)雜情況下，當(dāng)壩頭沖刷坑發(fā)育，靠近原有壩頭一段的壩身坍塌較多，任其發(fā)展將影響設(shè)計(jì)功能時(shí)，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)水流的沖刷強(qiáng)度采用散拋石壩或采用強(qiáng)度更高的扭王制塊對(duì)外側(cè)河床進(jìn)行護(hù)底或在坡腳加拋棱體增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

圖6 落鍋灘壩頭扭王字塊護(hù)面

五、結(jié)論

通過對(duì)長(zhǎng)江上游整治建筑物水毀修復(fù)實(shí)例進(jìn)行研究，得出了山區(qū)河流整治建筑物的維修對(duì)策：（1）鋼筋混凝土現(xiàn)澆壩面和砼嵌卵石耐磨壩面，扭王字塊壩體、壩頭坡面及鎮(zhèn)腳（護(hù)底）結(jié)構(gòu)，鋼絲石籠壩心結(jié)構(gòu)的效果較好，可以在維修工程以及新建壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣使用。（2）對(duì)于壩頭的維修可采用加寬壩頭、放緩壩頭邊坡、采用圓弧倒角減小對(duì)水流的擾動(dòng)等措施，還可以采用扭王字塊對(duì)壩頭進(jìn)行守護(hù)，以減小水流對(duì)坡面的破壞。

[1]蘇偉，王平義，喻濤，等.不同結(jié)構(gòu)形式丁壩水毀過程分析[J].水運(yùn)工程，2012，（4）:119-124.

[2]應(yīng)強(qiáng)，焦志斌.丁壩水力學(xué)[M].北京：海洋出版社，2004.

[3]吳望一.流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1992.

（作者單位：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)）

河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Z2015158）