長江上游航道整治建筑物損毀原因及維修探討

董堰川，于南洋，葉兵

（長江重慶航道工程局，重慶 400011）

1 工程概況

長江上游航道甑柄磧丁順壩位于甑柄磧灘，甑柄磧灘位于上游航道里程745.8km，系枯水淺灘。該灘枯水河寬250～560m，洪水河寬1400m，汛期泥沙落淤，在彎道環流作用下，左岸淤成甑柄磧邊灘，右側凹岸有突出江中100～200m 的小灘子與龍門石兩道石梁，相距450m，形似兩道天然丁壩，與左岸突出的甑柄磧卵石邊灘對峙，航槽甚為彎曲，卵石邊灘伸向江中的磧翅，枯水水深在2.3m 及以上。而凹岸兩處石梁頭部在掃彎水的沖擊下，形成深度20～30m 的兩大深潭，枯水期便會在兩石梁頭部產生較強橫流與泡漩；船舶駕駛不慎，便會在右岸石梁觸礁或在左岸邊灘擱淺，航行十分困難。

2 建筑物損毀原因

結合調查分析，造成長江上游航道整治建筑物損毀的原因只要包括水流泥沙動力作用、結構設計、材料性能、施工工藝、養護管理等方面，可以說在以上原因中，除水流泥沙動力作用外，其余均為可控原因，完全能通過設計方案的優化、施工過程的監管、加強維修養護等方式予以解決。為此，本文僅分析水流泥沙動力作用這個不可控原因。

2.1 壩體外側沖坑原因

航道建筑物外側沖坑通常出現在背水坡壩頭外側和壩根處，長江上游航道建筑物基礎河床質以砂卵石為主，由于水流湍急、流速大等原因，筑壩后會使河勢條件發生局部性改變，引發壩體四周河床沖刷[1]。本文主要依托《航道整治工程技術規范》所推薦公式進行沖坑深度計算：

式中：hp—沖坑最大水深，m；h—丁壩壩頭沖刷前水深，m；L—丁壩在過水斷面的投影長度，m；V—丁壩壩頭水流流速均值，m/s；Vc—非粘性土沖刷速度，m/s；—泥沙顆粒沉降速度，m/s，根據表1 取值；Km—丁壩壩頭關系系數，根據表2 取值；Ka—丁壩軸線和水流流向夾角系數；d—泥沙粒徑，mm；a—丁壩軸線和水流軸線夾角，°。

表1 泥沙顆粒沉降速度和泥沙粒徑關系

表2 丁壩壩頭關系系數取值

將式（2）和（3）代入式（1）便可得出沖刷深度與水流流速的關系：

由式（4）可知，沖坑深度與水流流速為正比例關系，結合長江上游航道甑柄磧整治建筑物壩體實測資料，便可根據式以上公式計算出頂板沖坑深度，當水流流速位于2.0～5.0m/s 范圍時丁壩沖坑深度為7.0m 左右。結合實測資料，長江上游航道甑柄磧丁順壩2019 年實際坑坑深度為6.7m，與計算結果十分接近。

2.2 筑壩塊石剝落

本文采用基于起動流速的塊石穩定性分析方法，Isbash 公式適用于水流流速大、水位低的情況下塊石起動流速的確定[2]。由于中外河流在諸多方面存在差異，故結合長江上游航道整治建筑物損毀實際，對不考慮水深因素的Isbash 公式進行改進，改進后的公式表示如下：

式中：Vc—塊石起動流速，m/s；K—塊石運動形態系數，塊石滑動時取0.86，滾動時取1.2；s—塊石容重，kg/m3；—水容重，kg/m3；D—塊石粒徑，mm；m—修正系數；W—塊石重量，kg；A—塊石體積系數。

將式（6）代入式（5）后便可得出塊石重量和塊石起動流速之間的關系：

由上式可以看出，塊石流速小幅度的改變會對其穩定重量產生較大影響。此外，塊石起動流速與塊石重量的1/6 次方成正比，待流速達到既定量值后，僅憑塊石重量的增大以達到筑壩塊石穩定性提高的做法實屬不經濟。這也很好地解釋了長江上游航道內早期修建的拋石壩等整治建筑物為什么經常損毀。為此，必須在整治建筑物損毀處理及壩體維修時，通過增強壩體表面材料強度，而非單純增大材料重量，以降低壩體損毀的可能性。

結合實測資料，長江上游航道筑壩險灘水流流速一般達到2.0～3.0m/s，局部險灘水流流速甚至超出4.0m/s，按照改進后的Isbash 公式結論，整治建筑物壩體維修的塊石重量理論上必須達到1000kg 以上，粒徑理論上必須達到6.0m，如此規模的塊石在開采、運輸、拋填施工等過程中顯然存在很大難度。所以，憑借增大筑壩塊石粒徑和重量以達到維修長江上游航道整治建筑物損壞的做法并不可取，故只就壩體外側沖坑出現的原因提出維修策略。

3 維修方法

長江上游航道各類壩體中壩面損毀現象較為常見，通過比較各種壩面結構的穩定性發現，水流湍急的長江河流上插筋混凝土壩面抗沖耐磨效果最為顯著，但其造價高，僅對壩體小范圍易損壞壩面維修適用。

3.1 壩體坡面維修思路

甑柄磧灘整治建筑物壩頭位于水流頂沖部位，在壩頭流態紊亂時損毀的可能性非常大，當使用鉸鏈片狀護面結構時，很容易被水流沖翻，喪失保護[3]。扭王字塊是海港工程中常見的防浪堤護面結構形式，防護效果優良，故可以將其應用于長江上游航道整治建筑物防護。

按照《航道整治工程施工規范JTS224-2016》中所規定的公式進行扭王字塊穩定性估算，其中為塊石質量，為塊石等容粒徑。磧灘在洪水期內水流流速最大達到3.5～4.3m/s，根據該式，當壩體拋填塊石的等容粒徑在0.49～0.74m 之間時，塊石質量應在150～420kg之間；由于甑柄磧灘水流中卵石移動會對整治建筑物造成一定程度磨損，結合類似工程處治經驗，應將單個扭王字塊塊體穩定質量控制在500kg 及以上。最終將長江上游航道甑柄磧灘整治建筑物損毀維修的扭王字塊質量確定為單塊0.8t，高1094mm，護面厚度為0.99mm，詳見圖1。

圖1 扭王字塊結構（單位：mm）

甑柄磧灘一期工程正式施工前進行了扭王字塊壩體護面試驗。在甑柄磧灘丁順壩壩頭20m 內的壩面、迎水坡、背水坡等處均設置扭王字塊護面。迎水坡和背水坡邊坡坡度分別為1:1.5 和1:2.0，壩頭10m 內壩頂加寬至5.0m。壩心填筑塊石，在迎水坡和背水坡、壩頂均設置一層扭王字塊護面（圖2），采用C30 混凝土。

圖2 扭王字塊護面壩體斷面

3.2 扭王字塊施工工藝

甑柄磧灘丁壩壩頭壩體護面扭王字塊在預制場預制，并待混凝土實際強度達到設計值的75%后拆模，集中碼放；通過吊車轉運至運輸船，運至拋放現場后通過吊車拋投。拋投網點間距和排距均為0.85m，拋放時相鄰排之間必須錯位0.45m，達到消能的效果。將扭王字塊護面從壩體坡腳拋放至壩頂后按照《航道整治工程質量檢驗評定標準JTJ 314-2004》進行施工效果檢驗。

3.3 維修加固效果

為進行甑柄磧灘整治建筑物維修加固效果檢驗，在整體施工結束后，于2019 年7 月、2020 年1 月和2020年12 月分別對甑柄磧灘整治建筑物扭王字塊護面進行了原型觀測。①壩頂高程：2019 年7 月觀測結果顯示，丁順壩壩頭、壩根高程分別為255.47m 和256.36m；此后進行的兩次觀測顯示的壩頭和壩根高程均分別為255.4m 和256.3m。根據觀測結果，丁壩壩頭和壩根處最大沉降為6cm 和10cm，均出現在2019 年汛期后。②壩體邊坡坡比：2019 年所測量得丁壩迎水坡、背水坡和壩頭坡比分別為1:1.46、1:2.01、1:2.91；此后兩次觀測結果顯示，迎水坡、背水坡和壩頭坡比分別為1:1.5、1:2.0 和1:3.0。丁壩壩體河床穩定，不存在較大沖刷坑和淤積。③河床地形：丁壩壩頭前河床地形無明顯沖刷，而壩頭下游27.5m 處存在深度近2.0m 的沖坑，但不影響壩頭安全。丁壩壩根處河床也無明顯沖刷，且無較大沖坑，壩體結構基本穩定。

通過以上觀測結果及分析，甑柄磧灘整治建筑物經過扭王字塊護面加固處理后歷經3 個水文年后運行良好，雖然丁壩背水坡腳處部分區域遭到水流淘蝕，壩體局部區域塊石受水流的裹挾后出現運移，形成較小空隙，但是均不影響航道整治建筑物整體運行效果，只需及時處治局部淘蝕和空隙即可。

4 結論

綜上所述，扭王字塊在長江上游航道整治建筑物壩體損毀維修方面具有很強的適應性，可用作護岸、防波堤、導流堤、攔砂堤等航道整治建筑物的護面結構，發揮消浪、護面加固作用，維修加固效果較為理想。但是扭王字塊結構存在脫模困難、吊裝施工期間邊棱很容易遭到破壞，連接鋼筋易腐蝕等問題，對塊體結構強度和穩定性均存在較大影響。為此，必須積極借鑒國內外較為成功的經驗，嘗試維修效果較好的新材料和新結構，減少維修次數，降低維修成本。