長(zhǎng)江航道整治建筑物壩體損毀原因及維修對(duì)策研究

仲偉斌

目前長(zhǎng)江航道整治建筑物維護(hù)工作還處于起步階段，隨著航道整治建筑物竣工數(shù)量的逐漸增多，航道整治建筑物維修工程量的逐漸加大，分析研究整治建筑物的損毀原因，提出科學(xué)、合理的整治建筑物維修措施及工藝，對(duì)提高今后日益繁重的航道整治建筑物維護(hù)工作質(zhì)量和效率有著非常重要的意義。

長(zhǎng)江干線已建壩體整治建筑物主要有丁壩、順壩、鎖壩、潛壩等類型，丁壩、順壩、潛壩由護(hù)底（上游壩體有的無(wú)護(hù)底）、壩體、壩面、壩頭、壩根組成；鎖壩兩端接岸或江心洲沒(méi)有壩頭，有2處壩根。截止2013年，長(zhǎng)江上游現(xiàn)有壩體建筑物近100座，壩體結(jié)構(gòu)主要為拋石壩體、鋼絲石籠、塊石混凝土、扭王字塊壩體；長(zhǎng)江中下游已竣工或已完工各類壩體建筑物近200座，壩體工程結(jié)構(gòu)一般采用D型排護(hù)底（早期采用系袋排護(hù)底），壩體采用全拋石或沙枕填心＋拋石蓋面結(jié)構(gòu)［1］。

1 壩體損毀原因分析

1.1 長(zhǎng)江上游壩體損毀情況

長(zhǎng)江上游已建整治建筑物的壩體結(jié)構(gòu)型式基本相同，但由于其整治功能各異，其承受的水流作用力也存在較大差異，由此造成建筑物發(fā)生損毀的部位、損毀程度和破壞時(shí)間等也具有很大的差別。

1.1.1 丁壩

（1）壩頭。丁壩壩頭一般處于主流區(qū)內(nèi)，起調(diào)整水流流向作用，丁壩壩頭與主流交角較大，水流流速大，流態(tài)紊亂，三維紊動(dòng)強(qiáng)，泡漩亂水叢生，損毀幾率較高，破壞也相對(duì)嚴(yán)重，見圖1。

圖1 小南海生板堆上丁壩壩頭破壞

（2）壩身。背水坡坡面塊石出現(xiàn)松動(dòng)、滑落，破壞面不斷向壩軸線方向發(fā)展，引起壩面的破壞，見圖2。

圖2 關(guān)刀磧上丁壩背水坡破壞

（3）壩根。壩體和岸坡銜接部位容易形成回流等不良流態(tài)，淘蝕岸坡造成串溝發(fā)育，串溝逐漸擴(kuò)大沖深形成缺口，造成了壩根破壞，見圖3。

圖3 小米灘上丁壩壩根破壞

1.1.2 順壩

順壩常見的損毀部位主要集中在壩頭和兩側(cè)邊坡等部位。

（1）壩頭。順壩壩頭部位斜向水流和繞流發(fā)育，易引起壩頭塊石失穩(wěn)，被水流沖走造成壩頭段的破壞。

（2）壩身。順壩附近近壩流等次生流態(tài)發(fā)育，容易引起邊坡塊石松動(dòng)、滑落，造成順壩邊坡及壩身的破壞。

（3）壩根。建于江中洲體上的順壩，壩根埋置在磧壩內(nèi)，壩根也常因埋入磧壩的長(zhǎng)度和深度有限或江心洲岸坡條件較差而出現(xiàn)壩根段破壞［2］。

1.1.3 潛壩、鎖壩

潛壩壩體相對(duì)維護(hù)工作量較小，其損毀部位主要發(fā)生在受床沙推移質(zhì)磨損較嚴(yán)重的壩面部分。鎖壩的損毀部位主要集中在受水流頂沖的壩體部分，壩體易在水流的沖擊和翻壩水持續(xù)作用下出現(xiàn)破損，然后不斷發(fā)展擴(kuò)大、沖深，最終形成明顯缺口和在背水坡外側(cè)形成沖刷坑，見圖4。

圖4 小南海灘車亭子鎖壩壩身破壞

1.2 長(zhǎng)江中下游已建壩體損毀情況

長(zhǎng)江中下游發(fā)生破壞的壩體類型為丁壩和鎖壩2類，順壩很少發(fā)生破壞。

（1）壩頭破壞。壩頭破壞主要發(fā)生在早期建設(shè)的丁壩上，如長(zhǎng)江下游武穴水道3號(hào)丁壩，壩頭出現(xiàn)局部垮塌，壩心沙枕出露，見圖5。

圖5 武穴3號(hào)丁壩壩頭局部垮塌

（2）壩身破壞。壩身破壞常常表現(xiàn)在壩身出現(xiàn)缺口。

（3）壩根破壞。長(zhǎng)江中下游壩根破壞主要表現(xiàn)在壩體下游近岸側(cè)護(hù)底區(qū)域出現(xiàn)比較大的沖刷坑，形成缺口；或壩根護(hù)岸守護(hù)長(zhǎng)度不夠，岸坡發(fā)生局部崩塌。

（4）壩面破壞。壩面破壞通常是一些小型的破壞，如壩面塊石流失、壩面小型塌陷等，在塊石流失后，壩體內(nèi)側(cè)的沙枕往往暴露在陽(yáng)光下，產(chǎn)生老化破壞。

1.3 損毀影響因素

造成壩體損毀的影響因素眾多，但歸納起來(lái)主要包括自然因素和人為因素2個(gè)方面。

1.3.1 自然因素

（1）水流動(dòng)力作用。水流對(duì)壩體的作用力主要有推力以及上舉力。推力是由于水流繞過(guò)壩體塊石出現(xiàn)的膚面摩擦及迎流面和背流面的壓力差所構(gòu)成，而上舉力則是由于頂部流速大、壓力小，底部流速小、壓力大所造成。總體而言，水流對(duì)壩體的破壞常見形式主要包括：急流頂沖、橫向沖刷、壩后淘刷等。

①急流頂沖。凡地處中洪水主流頂沖點(diǎn)上的整治建筑物，在汛期承受著很大的沖擊力，在著力點(diǎn)處，局部集中沖刷是整治建筑物破壞的主要?jiǎng)恿?。破壞過(guò)程先是壩頂或坡面出現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)缺口剝落流失，形成小缺口，之后缺口擴(kuò)散沖深，壩體斷裂，破壞越來(lái)越嚴(yán)重。

②橫向沖刷。導(dǎo)流順壩、堵順壩、封彎順壩前沿因受彎道橫向環(huán)流的作用將壩基（多為沙卵石）淘空，致使壩體外側(cè)失去支撐，導(dǎo)致壩體在自重作用下失去平衡而塌陷破壞。

③壩后沖刷。丁壩、鎖壩迎、背水坡兩側(cè)往往水位差值較大。中水期壩后流速大、沖刷力強(qiáng)，壩后護(hù)坡塊石常被急流剝落，壩基基腳常被淘空失去支撐，導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻沉降或偏移，從而導(dǎo)致整治建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

（2）基礎(chǔ)變形。相對(duì)于塊石而言，河床或邊、心灘上的泥沙由于粒徑較小，重量較輕，更容易起動(dòng)而發(fā)生沖淤變形。壩體修筑之后，由于流速增大、水流紊動(dòng)增強(qiáng)等原因，壩體附近河床、洲灘變形更為劇烈，進(jìn)而導(dǎo)致壩體基礎(chǔ)局部或整體被沖刷淘空而發(fā)生局部或整體坍塌破壞。

（3）其他自然環(huán)境。航道整治建筑物的破壞過(guò)程和影響因素十分復(fù)雜，如山區(qū)河流推移底沙顆粒較粗，輸移時(shí)間長(zhǎng)，與建筑物的相互作用激烈，建筑物砌體面層磨損嚴(yán)重等，這些都加劇了建筑物的破壞作用。

1.3.2 人為因素

人類在整治建筑物附近的生產(chǎn)、生活活動(dòng)也會(huì)對(duì)整治建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：

（1）隨意采挖沙卵石、無(wú)序超量采砂。沿江村民為獲取暫時(shí)的眼前利益，常在壩根處開挖沙石，將基腳挖空，形成隱患。

（2）拾取水柴，撬拗壩頂塊石。洪水期，隨洪流漂移的枯枝殘根，?？湓诙?、順壩、洲頭壩等壩體的縫隙中，村民為拾取柴火，用鋼釬隨意撬拗石塊、抽取水柴，使壩體松動(dòng)，密實(shí)度降低，咬合功能減弱，洪水一到，極易成為水毀的突破口。

（3）無(wú)序地圍河造地，護(hù)岸保土。沿江村民為了各自的利益，隨意地筑堤圍地，破壞了天然河流的動(dòng)態(tài)平衡，危及河勢(shì)和穩(wěn)定，如小米灘上、下丁壩。

2 壩體各部位損毀原因分析

2.1 壩頭損毀原因

壩頭上游水流行進(jìn)丁壩時(shí)，在壩前分成2部分：一部分直接繞過(guò)壩頭，另一部分在壩前受阻變?yōu)槁菪鳑_刷床面，并直接繞過(guò)壩腳向下游擴(kuò)散。二者的綜合作用引起壩頭以及壩體周圍的沖刷。在沖刷初期，旋渦的尺度和規(guī)模較小，但對(duì)壩頭床面的沖刷作用卻很強(qiáng)，同時(shí)水流往下游挾運(yùn)泥沙形成淤積。隨著沖刷坑迅速擴(kuò)大，沖刷量增大，床面泥沙被直接帶走，形成大范圍的沖刷坑。

在中下游，丁壩總體上是比較穩(wěn)定的，主要原因是長(zhǎng)江中下游丁壩非常重視壩體的護(hù)底設(shè)計(jì)，通過(guò)護(hù)底大大提高了沙質(zhì)河床的抗沖性；同時(shí)延長(zhǎng)了水流行程，減小了水流對(duì)壩基部位的沖刷強(qiáng)度，使壩體下部河床形成較穩(wěn)定的封閉層，因此靠近壩體的床沙得到保護(hù)，免遭水流淘刷。

2.2 壩體其他部位損毀原因

長(zhǎng)江上游的壩身破壞主要是壩體自身結(jié)構(gòu)在水流的長(zhǎng)期沖擊作用下發(fā)生垮塌；而長(zhǎng)江中下游壩身破壞主要是因護(hù)底受到?jīng)_刷坑溯源破壞而引起，主要表現(xiàn)在壩體中部形成缺口和邊坡坡腳外側(cè)形成深坑導(dǎo)致坡面破壞。同樣，在壩身、壩根的沖刷變形處理上，中下游根據(jù)壩體根部護(hù)岸及壩下游不同的變形情況分別采取了垂直水流沉排與順?biāo)鞒僚欧绞剑〉昧溯^好的效果。

3 各影響因素引起的壩體破壞

3.1 基礎(chǔ)淘刷

基礎(chǔ)淘刷引起的各類壩體破壞雖程度上有所差異，但其破壞的過(guò)程基本相同，破壞均是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。首先表現(xiàn)為水流紊動(dòng)，造成河床沖刷變形形成深坑；然后壩體邊坡石料出現(xiàn)松動(dòng)，逐層滾落至深坑內(nèi)使邊坡坍塌；最后造成壩面上部懸空、失穩(wěn)進(jìn)而造成壩頂坍塌破壞。

3.2 流頂沖

地處中洪水主流頂沖部位或彎曲河段凹岸側(cè)水流坐彎頂沖部位的整治建筑物，由于壩體頂沖部位承受著強(qiáng)大的水流沖擊力，在著力點(diǎn)處，局部集中沖刷是散拋石壩破壞的主要?jiǎng)恿Α?/p>

3.3 推移質(zhì)磨損或漂浮物撞擊

長(zhǎng)江上游屬大型山區(qū)河流，具有水流急、推移質(zhì)強(qiáng)度大、粒徑粗、輸移時(shí)間長(zhǎng)、與建筑物的相互作用劇烈等特點(diǎn)。加之20世紀(jì)80～90年代，長(zhǎng)江上游大量木材采用木筏或獨(dú)木順?biāo)鬟\(yùn)輸至下游地區(qū)的影響，壩體常在推移質(zhì)的磨損和漂浮物撞擊作用下出現(xiàn)壩面破壞［3］。

3.4 自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

壩體建筑物的破壞還與自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度密切相關(guān)。長(zhǎng)江干線已建壩體建筑物主要為拋石壩體，且筑壩石料就近開采，建筑材料自身強(qiáng)度低，在水流和推移質(zhì)常年磨蝕下，變形十分嚴(yán)重，見圖6，7。

圖6 壩體塊石磨蝕

圖7 護(hù)面鉸鏈排破壞

3.5 人為因素

一些人為活動(dòng)，如采砂、拋錨等，造成排體破壞，進(jìn)而導(dǎo)致壩體失穩(wěn)等。有的壩頭沖刷坑在10 m以上，這一現(xiàn)象顯示很可能有采砂行為的發(fā)生。

4 壩體維修對(duì)策

壩體整治建筑物的類型不同，與水流和床沙運(yùn)動(dòng)的相互作用存在明顯區(qū)別，其破壞的原因和損毀程度也各異。因此，在維修時(shí)應(yīng)通過(guò)深入剖析其損毀的原因，有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)。

（1）壩面。對(duì)于主要受水流頂沖和漂浮物的撞擊造成破壞的壩面，可選擇整體性和抗沖能力較強(qiáng)的鋼筋混凝土現(xiàn)澆壩面和預(yù)制混凝土箱體等壩面結(jié)構(gòu)型式。對(duì)于上游主要是由于粗顆粒推移質(zhì)磨損造成的壩面破壞，維修時(shí)可考慮采用高強(qiáng)度混凝土外加纖維材料或在混凝土壩頂中嵌埋堅(jiān)硬石材（如鵝卵石）等方式，增加壩面的耐磨性。

（2）壩體。造成壩體破壞的因素眾多，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。對(duì)于主要受水流頂沖破壞的壩體可選擇整體性和抗沖性較強(qiáng)的鋼絲石籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修。但對(duì)于處于卵石推移質(zhì)帶上的整治建筑物，由于卵石對(duì)鋼絲網(wǎng)的磨損較為嚴(yán)重，在維修時(shí)可考慮采用大粒徑的塊石或混凝土預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行維修。

（3）壩根。整治建筑物與岸相連的壩根部分常因回流、繞流等不良流態(tài)的影響造成壩根段破壞，或由于整治建筑物所處岸坡部分地質(zhì)條件較差而引起岸坡失穩(wěn)破壞。

維修時(shí)需重點(diǎn)考慮岸坡地質(zhì)條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)型式的選擇。除采用加長(zhǎng)壩體埋入岸坡長(zhǎng)度和深度，干砌塊石或漿砌塊石（混凝土）格梁護(hù)岸等方式對(duì)其進(jìn)行加固外，還可采用整體性和透水性較好的鋼絲網(wǎng)護(hù)墊（見圖8）對(duì)岸坡加強(qiáng)守護(hù)，并做好反濾層和排水設(shè)施等工作，必要時(shí)還可在坡腳處設(shè)置擋墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)其穩(wěn)定性，見圖9。

圖8 鋼絲網(wǎng)墊及格梁生態(tài)護(hù)岸圖

圖9 壩頭扭王字塊護(hù)面

此外，對(duì)于壩根破壞嚴(yán)重的整治建筑物除應(yīng)加強(qiáng)對(duì)岸坡守護(hù)外，還應(yīng)重點(diǎn)對(duì)整治建筑物與岸線相連的三角形區(qū)域采用拋石、混凝土預(yù)制件等方式進(jìn)行加強(qiáng)守護(hù)，防止壩根淘刷破壞。在對(duì)損毀壩頭進(jìn)行維修時(shí)，除采用加大斷面尺寸、放緩壩頭坡、采用圓弧倒角減小對(duì)水流的擾動(dòng)等措施進(jìn)行處理外，還可以采用扭“王”字塊或扭“工”字塊等方法減小水流對(duì)坡面的破壞，必要時(shí)根據(jù)水流的沖刷強(qiáng)度采用散拋塊石對(duì)外側(cè)河床進(jìn)行護(hù)底或在坡腳加拋菱體增強(qiáng)其穩(wěn)定性［4］。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)江航道整治建筑物的壩體結(jié)構(gòu)型式基本相同，由于其整治功能各異，所在河段的地理差異，造成建筑物發(fā)生損毀的部位、損毀程度和破壞時(shí)間等也有很大的差別。在日常的觀測(cè)中應(yīng)具有針對(duì)性，對(duì)不同類型的壩體宜各有側(cè)重，且維護(hù)措施也需相應(yīng)調(diào)整。在日常工作中，宜建立起損毀預(yù)測(cè)機(jī)制，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)分析壩體的損毀程度以及安全狀態(tài)，為可靠決策提供依據(jù)，維護(hù)壩體。

［1］ 顧宏驊.長(zhǎng)江航道整治建筑物修復(fù)工程技術(shù)探討［J］.中國(guó)水運(yùn)，2011（7）：38－39.

［2］ 張 嘎，王愛霞，張建民，等.土工織物加筋土坡變形和破壞過(guò)程的離心模型試驗(yàn)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，48（12）：2057－2058.

［3］ 王 豪，林 鋒，李敏博.西南某水電站左岸壩頭邊坡變形分析［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2010，46（9）：22－24.

［4］ 賈 曉，伍文俊，吳華林.長(zhǎng)江中下游洲灘守護(hù)工程概化 模 型 試 驗(yàn) 研 究 ［J］.水 運(yùn) 工 程，2012（2）：123－127.