長江中游界牌河段新淤洲魚嘴中灘沙枕護坡防老化措施研究

仲偉斌

（長江航道局航道行政管理處 武漢 430010）

0 引 言

長江中游界牌河段航道整治工程是長江中下游第一個大型航道治理工程，包括右岸丁壩群、護岸、新淤洲魚嘴等工程.在整治建筑物運行過程中，新淤洲魚嘴中灘灘面在主流轉換過程中受強烈沖刷，又因右側高灘部分挑流作用，中灘灘面的沖刷進一步加劇，導致中灘灘面出現水凼并不斷發展，嚴重威脅著中灘魚嘴的安全.

為了保障整治建筑物的穩定及其功能的有效發揮，實施了新淤洲魚嘴中灘灘面守護工程，主要采取沙枕護坡方式.從效果看，沙枕在界牌河段新淤洲中灘魚嘴守護中發揮了巨大的作用，但由于枯水期出露沙枕的使用壽命有限，面層沙枕老化問題十分突出，一些早期實施的，如水凼中高灘結合處護坡沙枕已存在沙枕布破損、袋裝沙出露等現象，見圖1.一旦沙枕袋老化破裂，袋裝沙不斷流失，護坡沙枕將不復存在，岸坡重新受到強烈淘刷，中灘魚嘴的安全必將受到嚴重威脅，進而影響到界牌河段航道整治工程的效果［1］.

圖1 界牌中灘魚嘴水凼沙枕護坡現狀

1 防老化措施結構研究

目前土工織物的防老化措施主要有2 種類型，一種是改性土工織物，即在土工織物加工過程中直接添加防老化材料來提高其抗紫外線的能力；另一種為面層阻斷型［2］，即通過面層覆蓋阻斷紫外線的直接照射.

從沙枕防老化措施現狀來看，改性土工織物方面目前很難突破，因此防老化措施研究主要放在面層阻斷型方面，面層阻斷型將從覆蓋型與噴涂型兩方面進行研究.一方面噴涂型措施受力主要表現在面層的附著力上，而附著力與噴涂材料性能存在密切關系，故重在噴涂型材料的選擇；另一方面覆蓋型措施需進行結構受力計算，然后再進行材料選擇及結構設計［3］.

1.1 試驗環境條件

選取界牌新淤洲魚嘴水凼中、高灘結合部護坡沙枕作為本次防老化措施試驗區：（1）此處設計水位為黃海高程14.02m，枯水期水凼內水位一般在黃海高程15m 左右；（2）水凼面積約6萬m2，水凼上游側岸坡靠近大江（右汊），坡頂高程在黃海高程23m 左右；水凼左側岸坡靠近新堤夾（左汊），坡頂高程在黃海高程22m 左右；水凼右側岸坡靠近高灘，上游段為現場試驗區，坡頂高程在黃海高程25 m 左右；（3）護坡沙枕位于中灘魚嘴水凼內，枯水期四面為岸坡及灘地，常規施工船舶很難進入；（4）護坡沙枕至少暴露過一個枯水期，沙枕已有一定老化，其中高灘沙枕老化比較嚴重，采取的防老化措施施工時應盡量減少施工時的破壞；（5）岸坡坡度為1∶2.5，沙枕鋪設呈階梯狀；（6）水流剛漫過中灘灘面時翻壩水水流力較大.

1.2 受力分析

主要是考慮通過在沙枕面層覆蓋無紡布并對其進行固定等措施（即覆蓋體）進行防老化方案的受力分析，見圖2、圖3.

圖2 覆蓋體示意圖

圖3 覆蓋體受力示意圖

由圖2得到單位覆蓋體A 的拉力：

式中：ρ為水的密度；m排為覆蓋體單位面積質量；h為坡頂至坡底的垂直距離；θ為邊坡與地面的夾角；Δh為漫過覆蓋體水流的垂直深度；v 為漫過覆蓋體水流的流速；fm為覆蓋體與坡面的摩擦系數；g 為重力加速度.

根據現場表面流速實測資料，并考慮覆蓋體漫流的較不利情況，漫過覆蓋體水流的流速v 取3m／s，漫過覆蓋體水流的垂直深度Δh＝1m，坡頂至水凼內水面的垂直距離h＝3m（主要是考慮到水凼內水位相對較低），坡比為1∶2.5，覆蓋體單位面積質量m排＝56.5kg／m2，覆蓋體與坡面的摩擦系數fm取0.5，水的密度103kg／m3，重力加速度g＝9.8N／kg.代入上式計算可得覆蓋體坡頂位置A 點受到單寬拉力TA約為26.0kN.

1.3 防老化材料選擇

1）覆蓋型 根據現場工況，主要考慮輕型覆蓋結構：（1）可以防止覆蓋體本身加重已部分老化沙枕的破壞程度；（2）僅需對枯水位以上沙枕進行覆蓋.

工程中普遍使用的無紡布，是一種不需要紡紗織布而形成的織物.參考目前的軟體排結構形式，主要有砂肋排與系砼塊軟體排兩種形式，砂肋排壓載具有較好性能，可將其沙肋筒置于編織布墊層下面，再在編織布上面縫制無紡布，以致形成復合沙肋排結構.見圖4.

當前航道整治工程中大量使用的系砼塊軟體排，其壓載體砼塊本身有防老化功能，為便于系接和防老化，壓載塊體選用D形混凝土塊.系接材料可采用鋼絲網石籠墊結構中的系接鋼絲，固定用墊體則可采用單層鋼絲網.從而形成無紡布＋鋼絲網結構.

圖4 四種材料實物參考圖

2）噴涂型 據調查，在大壩混凝土表面防老化方面有種名為CW－S的新型的防老化材料，可將CW－S抗老化材料噴涂或刷涂在沙枕表面，從而阻止沙枕受到陽光照射達到防止沙枕老化的目的［4］.目前，CW－S抗老化材料已在三峽大壩下游右岸壩面進行了現場生產性試驗，獲得了一致好評，具體情況見圖5.

圖5 三峽大壩下游右岸壩面涂刷CW－S抗老化材料前后的對比圖

1.4 試驗區域選取［5－6］

試驗區安排在界牌新淤洲魚嘴水凼中、高灘結合部沙枕實施時間比較早、沙枕老化比較嚴重處，試驗區域長約42m（＃3～＃4斷面）.為便于檢驗各種防老化材料的性能，按三種覆蓋型防老化措施試驗結構特點分為3個試驗區：第一試驗區，復合沙肋排方案；第二試驗區，無紡布＋鋼絲網方案；第三試驗區，無紡布＋鋼塑土工格柵方案；第四試驗區（＃9～＃12斷面間局部區域），噴涂CW－S抗老化材料方案.

1.5 試驗區域結構設計

1）蓋型結構 覆蓋型結構包括復合沙肋排、無紡布＋鋼絲網、無紡布＋鋼塑土工格柵3種.

（1）合沙肋排防老化覆蓋型結構 復合沙肋排由兩層排墊組成，面層為無紡布，底層為聚丙烯編織布，排墊下沿排體縱、橫向每隔2 m 設置一道7cm 寬的加筋條，縱向加筋條下系結沙肋筒，且每隔2m 設一個加筋圈，加筋圈直徑為20cm.沙肋筒直徑20cm，由聚丙烯編織布做成.沙肋排單塊排體寬16m，設有縱向沙肋筒9條，長度可根據施工需要進行調整.上端固定則采取坡頂鋪石壓載方式，具體為：在水凼坡頂邊線5 m 外側開挖一道寬2m、深0.5m 的基槽，將沙肋排排頭鋪放在槽底，上面鋪石1m 厚進行壓載，再在坡頂邊線5m 內鋪石0.5m 厚.

（2）無紡布＋鋼絲網防老化覆蓋型結構 無紡布＋鋼絲網結構底層為400g／m2的無紡布，表層為鋼絲網.無紡布單幅寬6 m，縱向搭接1 m，采用雙線縫接；鋼絲網為絞合六邊鋼絲網，單寬6m，網格規格為6cm×8cm，鋼絲為鍍高爾凡鋼絲、直徑2.7mm，抗張強度應大于350N／mm2，延伸率不能低于10%.絞合鋼絲網單寬抗拉強度可達49kN，大于26kN，可滿足試驗強度要求.上端固定同樣采取坡頂鋪石壓載方式，

（3）無紡布＋鋼塑土工格柵防老化覆蓋型結構 無紡布＋鋼塑土工格柵底層為400g／m2的無紡布，表層為鋼塑土工格柵.無紡布單幅寬6 m，縱向搭接1 m，采用雙線縫接；鋼塑土工格柵由縱橫向肋條編織成網，縱橫向肋條內層為高強鋼絲，外層包裹一次成型的塑料層.上端固定同樣采取坡頂鋪石壓載方式.

2）噴涂型結構 CW－S抗老化材料采用毛刷涂敷或用機器噴涂，但涂敷或噴涂前需對沙枕面進行清理，同時應注意施工溫度及施工后保養等.

2 試驗實施安排

2.1 復合沙肋排

在坡頂邊線5m 外側開挖一道寬2m，深0.5 m 的基槽；然后將沙肋排排布從坡頂向坡下鋪開，沙肋排排頭鋪放在槽底，上面鋪石1 m 厚進行壓載，再在坡頂邊線5 m 內鋪石0.5 m 厚，沙肋排底部控制在設計水位下2 m，可留出一定富余長度，以便排體與原坡面之間盡量減少空隙，排布攤開后應盡量與坡面吻合，將其完全覆蓋；最后對沙肋筒進行充沙，充滿后對沙肋排下游側邊緣綁系小砼塊進行壓載，排尾采用沙枕進行壓載.

2.2 無紡布＋鋼絲網

在坡頂邊線5 m 外側開挖一道寬2 m、深0.5m的基槽；然后將單幅無紡布從坡頂向坡下展鋪（坡頂預留一定的長度），將無紡布及鋼絲網頭部鋪放在槽底，上面覆蓋厚度1m 的鋪石進行壓載，再在坡頂邊線5m 內鋪石0.5 m 厚，無紡布＋鋼絲網底部控制在設計水位下2 m，并留一定富余長度，以使無紡布攤開后與坡面吻合；再將鋼絲網鋪開放置在無紡布上相同位置.

布設完畢后，在鋼絲網面上縱橫向每隔0.5m設置D 形混凝土塊進行壓載.D 形混凝土塊用鋼絲綁系在鋼絲網面上.鋼絲網之間的銜接：采用鋼絲系結.與復合沙肋排的銜接：縱向搭接2 m，無紡布與鋼絲網壓在復合沙肋排上，并綁系砼塊壓載.

2.3 無紡布＋鋼塑土工格柵

先在坡頂邊線5m 外側開挖一道寬2m，深0.5m 的基槽；然后將單幅無紡布從坡頂向坡下展鋪（坡頂預留一定的長度），將無紡布及鋼塑土工格柵頭部鋪放在槽底，上面覆蓋厚度1m 的鋪石進行壓載，再在坡頂邊線5 m 內鋪石0.5 m厚，無紡布＋鋼塑土工格柵底部控制在設計水位下2m，并留一定富余長度，以使無紡布攤開后與坡面吻合；再將鋼塑土工格柵鋪開放置在無紡布上相同位置.

布設完畢后，在鋼塑土工格柵面上縱橫向每隔0.5m 設置D 形混凝土 塊進行壓載.D 形混凝土塊用鋼絲綁系在鋼塑土工格柵面上.鋼塑土工格柵之間的銜接：采用鋼絲系結.與鋼絲網的銜接：縱向采用鋼絲系結，并綁系砼塊壓載.

2.4 涂敷CW－S抗老化材料

將CW－S抗老化材料A，B 組分按一定比例混合、攪拌均勻，在表面刷涂、滾涂或噴涂，當作業環境溫度低于0 ℃、高于50 ℃，或是表干前可能下雨、風力大于5級以上時，不能施工.使用前修補好表面明顯的破損，不得有空鼓、疏松等現象.施工前應清除表面存在的灰塵、污漬等，然后用高壓水槍沖洗，使其表面清潔.如采用噴涂作業，普通的高壓無氣噴涂設備即可.CW－S抗老化材料表面觸干后自然養護，7d后即可投入使用.

試驗檢測包括試驗現場檢測與室內檢測試驗.從現場查勘情況來看，三種覆蓋型防老化結構效果均較好；CW－S新型防老化涂層也沒有出現起殼、脫落等現象，附著性能較好，實驗前后對比結果見圖6.

圖6 涂刷CW－S抗老化材料前后的對比圖

3 結束語

針對長江中游界牌河段新淤洲魚嘴中灘沙枕護坡防老化措施進行分析、研究、實驗，以及對比.經比較，無紡布＋鋼塑土工格柵覆蓋型優勢相對明顯，覆蓋體比較輕盈、覆蓋效果好、施工簡單，造價較低，是一種比較好的護坡沙枕防老化措施；涂覆了CW－S噴涂型材料后，沙枕的抗老化能力也具有明顯提升，且其防老化能力要高于無紡布.試驗成果在今后航道整治工程及維護工程中具有較高的應用價值.

［1］鄧良愛，曾慶云.航道整治工程沙枕防老化技術研究［J］.水道港口，2010，31（5）：520－524.

［2］謝鳳章.土工織物在某航道整治工程中的應用［J］.沿海企業與科技，2010（4）：109－110.

［3］賈 曉，伍文俊，吳華林，等.長江中下游洲灘守護工程概化模型試驗研究［J］.水運工程，2012（2）：123－127.

［4］杜 科，韓 煒，李 珍，等.護坡沙枕防老化涂層材料耐老化性能試驗研究［J］.長江科學院院報，2011，28（1）：58－60.

［5］李松濱，李延春.關于松花江航道整治工程施工質量控制和降低工程造價的幾點體會［J］.水利工程，2011（1）：246－247.

［6］王愛軍，趙維啟.土工織物在瀝青路面養護中的應用［J］.公路交通科技，1998（15）：22－24.