淺析重力式砌石壩拆改后對黃河下游彎曲型河道的影響

張恒濤 肖建波 鄭慶貴

(山東濟陽黃河河務(wù)局，山東 濟陽 251400)

0 概述

1)重力式砌石壩的結(jié)構(gòu)型式(如圖1)

圖1

重力式砌石壩的前身多是秸埽壩或亂石壩，人民治黃以來，在原基礎(chǔ)之上多次進行了整修或加高。很多控制河勢的迎溜壩或挑溜壩，大多建成了坡度1:0.25～1:0.35，面石采用白灰沙漿座漿砌壘，為水平錯臺式，而腹石為白泥沙漿粘結(jié)塊石，施工方法為層石層漿，大石排緊，小石塞嚴，這種壩型在歷次洪水中均起到了較好的抗洪作用。

2)重力式砌石壩現(xiàn)狀

濟陽局共有5處險工，其中擁有重力式砌石壩的險工4處，計46段，分別為：(1)大柳店險工 3#、4#、9#、11#、13#、15#壩，計 6 段；(2)溝楊險 工 10#、11#、13#、15#、17#、19#、21#、23#、25#、27#、29#、31#、33#、35#、37#、38#壩，計 16 段；(3)葛店險工 26#、28#、30#、32#、34#、35#、38#、39#、40#、43#、44#、45#、46#、52#、64#、65#、66#壩，計 17 段；(4)張辛險工 20#、21#、22#、23#、24#、25#、26#壩，計 7 段。

以上重力式砌石壩大部分是在1963年至1965年大堤加培后加高或整修的，1977年至1979年濟陽局堤防加培后，這些險工均又進行了一次加高整修，其中重力式砌石壩都是戴帽加高進行施工。施工前為了不使加高的壩體直接座落在土基上，對加高部分的基礎(chǔ)又進行了鞏固。具體施工方法是在原壩沿子石后下方挖寬2m、深1.5m的基槽，用1:3灰泥漿亂石鋪漿砌壘，采用層石層泥排砌至原壩頂高程。此種加固措施雖然對加高的壩體起到了穩(wěn)固基礎(chǔ)的作用，但同時也增加了墻后填土的主動壓力。由于合力的增加，形成頭重腳輕腰里軟的狀況。

3)重力式砌石壩的特點

從整個平面布局來看，凡是重力式砌石壩所處的位置大都是吃主溜，迎溜、送溜控制該段河勢的要害部位。由于重力式砌石壩坡度較陡，加之又是戴帽加高，整個壩體出現(xiàn)了兩個重心，且兩個重心不在同一條垂線上。險工壩岸如果長期受到高水位下洪水的浸泡，其壩后填土一旦發(fā)生飽和，加高部分的壩體重心就會直接壓向飽和土體，而飽和土體此時已接近液限，其內(nèi)摩擦角急劇變小，主動土壓力大于被動土壓力，原壩體在壩后填土與加高壩體合力的作用下，很容易造成滑坡或墩蟄險情。譬如：1981年歷城河務(wù)局王家梨行險工8～11#重力式砌石壩坍塌入水，1985年天橋局洛口險工11～12#壩墩蟄入水，都驗證了這一問題。因此，對戴帽加高后的重力式砌石壩進行退坦改建勢在必行。

1 險工改建

1998年長江發(fā)生特大洪水以后，黨和國家非常重視對大江大河的綜合治理，加大了對防洪水利工程的建設(shè)力度。黃委對黃河防洪工程的建設(shè)也增大了投資力度，對黃河下游險工中重力式砌石壩陸續(xù)批復(fù)實施拆除改建計劃。濟陽局自1998年至2003年，按照黃委防洪工程設(shè)計批復(fù)，除溝陽險工外，先后對大柳店、葛店、張辛三處險工的重力式砌石壩進行了退坦改建。截止目前為止，濟陽局已完成重力式砌石壩改建27段，占所有重力壩的58.7%。

改建后的險工壩型，從平面布置及結(jié)構(gòu)型式上都發(fā)生了較大變化(如圖2)，設(shè)計坡度在1:1～1:1.5之間，某些壩襠前移后與相鄰壩岸銜接成一條直線。重力式砌石壩改建后，從結(jié)構(gòu)上看壩體穩(wěn)定了，主動土壓力變?yōu)榱?，而被動土壓力大量增加，約占壩體的1/2，力學(xué)結(jié)構(gòu)較為合理，是河道整治工程較為理想的結(jié)構(gòu)型式。

圖2

2 工程影響

唯物辨證法認為，任何事情都是一分為二的。重力式砌石壩退坦改建，必將對大河河勢造成影響，因原河勢是在重力式砌石壩長期控制作用下形成的。險工改建后必將導(dǎo)致洪水期間溜勢發(fā)生擴散，極可能影響下游或?qū)Π豆こ蹋霈F(xiàn)險工脫溜、平工靠水的險惡局面，給今后的防汛搶險帶來困難。

2.1 對河勢的影響

重力式砌石壩改建后，整個坦石大幅度后退，原重力式砌石壩坡度為1：0.35，改建后按1:1～1:1.5推算，從起坡高程開始每升高1m，坦石后退0.65～1.15m，按起坡點至壩頂7米計算，坦石將后退4.55～8.05m。根石高程以下的水流不會發(fā)生太大變化，而根石以上水流將發(fā)生輔射，其溜勢改變后，可能淘刷本岸工程下游的灘岸，造成坍塌或凹岸。如果擴散水流直達對岸工程，將導(dǎo)致對岸工程溜勢下延，嚴重時脫離工程造成險情，最終形成一彎變、彎彎變的趨勢。

汛期洪水漫過根石后，水流的擴散溜勢將會互相給對岸工程帶來河勢上的變化，特別是對挑溜壩和導(dǎo)流壩的影響更大。擴散的水流一是給對岸工程造成溜勢變化；二是給本岸工程以下堤防制造險情，因為洪水期間大河主溜居中，大溜一般都在險工下首出現(xiàn)，極易出現(xiàn)順堤行洪現(xiàn)象。因此，各級黃河部門必須要高度重視，保持高度警惕。

2.2 對防洪工程的影響

被改建的重力式砌石壩處在工程的上首或中間部位，對下游和對岸工程影響不會太大。如果它是某處險工下首的主要迎溜壩或控制該段河彎的挑溜壩，則對對岸工程影響極大，并且水位越高，影響越大。如葛店險工中52#重力式砌石壩改建后，原壩前尖后退5米左右，估計超常洪水期間，由于溜式的擴散，對岸工程將會受到較大影響。再如葛店險工原26#～36#壩在改建時，依據(jù)設(shè)計改變了原險工平面結(jié)構(gòu)形式，即由原來多個突兀壩頭構(gòu)成的輪廓改為順直型總體輪廓(如圖3)，其詳圖設(shè)計為壩頭后退，壩檔前移。由于原壩檔部位根石較淺，改建后的根石直接座落在河床上，造成該段工程近年來因黃河調(diào)水調(diào)沙不斷出險，多次發(fā)生根石走失現(xiàn)象，同時也加大了該河段的水流勢態(tài)。

圖3

改建后的險工，由于坦石的后退，彎道半徑增大，離心力變小，彎道緩流，橫向水流變小，縱向水流變大。加之改建后壩岸變?yōu)轫樦毙?，減少了河水流程和回旋，為水流暢通創(chuàng)造了條件，勢必提高水流速度，加大沖刷坑的深度，導(dǎo)致根石走失而出險。同時，也將導(dǎo)致壩岸根石的起動流速比值變小，壩岸穩(wěn)定性相對減弱。

2.3 對防汛搶險的影響

改建前的重力式砌石壩，一般是吃大溜的主壩，坡度都在1：0.25～1:0.35之間，工程出險容易搶護，并且拋石到位。而改建后，坡度變大，坡長增加，將給拋石搶險帶來困難。目前，黃河下游險工壩岸的根石頂至壩頂高度一般在5.5～6.5之間，按1:1或1:1.5的坡度計算，改建后的坡長為7.8～9.2米或9～11.7米，目前的拋石機具很難一次性拋石到位，特別是拋投大塊石、鉛絲籠或柳石枕，其搶險難度更大。

另外，在險工改建時，由于原壩頭的后退和壩檔的前移，造成壩體的不穩(wěn)。對于后退較大的壩岸，其根基座落在土基上，而前移的壩檔，其根石直接座落在河床上，根基較差，一旦遭遇特大洪水，后果將不可設(shè)想。

3 建議

今后對重力式砌石壩進行拆改、設(shè)計和施工，要本著上下呼應(yīng)、左右兼顧的原則，同時還要考慮工程的整體布局，盡量與控制河勢的工程位置線相吻合，減少對原河勢的影響，使改建后的工程運用與河勢(治導(dǎo)線)保持一致。險工改建工程施工時，一般情況下黃河兩岸最好應(yīng)同時進行。

4 結(jié)束語

以上僅是針對黃河下游重力式砌石壩退坦改建可能引起的不利因素談幾點粗淺看法。從壩體的穩(wěn)定性和抗洪能力來講，對重力式砌石壩實施改建是可行的，因為它增強了壩體的穩(wěn)定性，加大了過洪斷面，根除了重力式砌石壩戴帽加高后頭重腳輕腰里軟的隱患。但任何事物都是一分為二的，險工改建有利有弊，本文提出的看法僅供參考。