扭王字塊在川江航道整治中的應用

楊祥飛

(長江重慶航運工程勘察設計院，重慶401147)

長江是連接帶動沿江省市經濟發展的黃金紐帶，是綜合運輸體系中的重要組成部分，在促進區域經濟協調發展中發揮著重要作用。近年來黨和國家領導人多次就長江航運發展做出重要指示，要求高度重視長江航運，充分利用長江黃金水道。大力發展現代長江航運已經成為國家現代化建設總體戰略布局的重要組成部分，長江航道迎來大建設大發展的歷史性機遇。與此同時，隨著我國西部地區地方經濟的迅速發展，對外貿易量迅速增加，對水路交通運輸也提出了更高的要求。

長江干流宜賓至宜昌河段(俗稱“川江”)作為長江“黃金水道”的上游，對完善西部綜合交通運輸體系至關重要。其中重慶以上河段為山區河流，存在“急、淺、險”礙航特征的各類灘險［1］，對航運產生較大的危害，需通過整治來滿足航運的需要。山區河流航道整治主要有疏浚、炸礁、筑壩等工程措施。其中，筑壩是最為重要的措施之一。在水流的長期沖刷下，壩體的整體穩定性是發揮整治建筑物整治功能的重要保障。川江傳統的壩體主要采用散拋塊石結構，由于塊石粒徑小，整體穩定性差，受水流的長期沖蝕容易逐漸流失，進而引起壩體的局部和整體毀壞。要保證壩體的整體穩定，壩體結構材料的選擇就顯得至關重要，有必要對川江敘瀘段航道建設工程成功應用的扭王字塊新型壩體結構材料的適用條件進行研究，以切實提高山區河流整治建筑物結構穩定。

筆者通過分析川江水沙運動特性、傳統整治建筑物結構材料的應用效果，綜合長江上游銅鼓灘實測資料、扭王字塊結構選型、施工工藝、應用效果等，對扭王字塊的適用要求、施工技術要點等進行歸納，為山區河流整治建筑物結構設計提供借鑒。

1 川江灘險特性及傳統整治建筑物應用情況分析

1.1 川江灘險特性

川江為典型的山區河流，素以灘多、礁險、流急、水亂著稱。川江水位變幅大，流速急、流態紊亂，比降較大，水面平均比降為0.25‰，水流流速一般河段約2.0 m/s，枯水期灘上流速大部分在3.0 m/s以下，個別灘險達4.0 m/s左右［2］。水流流態也較為復雜，在灘險河段，“斜流”、“滑梁水”、“泡漩水”等不良流態較為普遍。

川江的河床組成主要是卵石和巖石。在寬闊河段，江心洲和河漫邊灘較發育。在窄深型河段，河道兩岸和河床主要由巖石組成。對于寬谷河段，洪水期泥沙大量淤積，河床表面覆蓋較厚的沙卵石，但枯水期，水流基本能夠將洪水期淤積的泥沙帶走，河道總體呈“洪淤枯沖”規律。對于窄深河段，因為枯水期水流流速小，寬谷河段沖刷下來的泥沙一般淤積在該類河段，但因為窄深河段洪水期流速大，又將枯水期淤積的泥沙沖走，呈“洪沖枯淤”狀態［3］。

川江礙航灘險有淺灘、險灘和急灘等。淺灘主要表現為枯期水深不足，多數灘險泥沙淤積到一定程度后基本保持穩定，但部分灘險在個別年份出淺后經過一個水文年也會出現沖刷，水深不足的礙航形態被自然消除。險灘主要表現為水流紊亂、流態差，常有剪刀水、滑梁水以及泡漩水等不良流態出現，對船舶安全通行構成較大威脅。急灘主要表現為流速大、比降陡，船舶難以自航上灘。

1.2 傳統整治建筑物結構材料及應用效果分析

針對川江的水沙運動規律和灘險特點，整治措施主要有疏浚、炸礁、筑壩等。筑壩的功能主要是束水沖刷淺區，保證疏浚區航槽穩定，防止泥沙回淤，同時調整水流流速流態，改善航道條件。筑壩是山區河流重要的航道整治措施。川江河道流急水亂，對整治建筑物的沖擊力特別大，整治建筑物結構的穩定，是發揮整治功能的重要保證。

川江傳統整治建筑物主要有丁壩、順壩、鎖壩、潛壩。90年代以前，整治建筑物主要采用堆石結構與干砌塊石壩面結構。漂浮物及卵石推移質的沖擊磨損、高速水流的滲透、中小塊石不緊密等因素影響下，整治建筑物損毀嚴重。90年代以后，整治建筑物面層逐漸采用漿砌條石，穩定性得到提高，毀壞現象減少，但受水流長期頂沖的位置，常常出現毀壞現象。調查顯示，川江目前建有46座整治建筑物，其中有39座破損，含13座嚴重破壞，26座為面層局部破壞。由于整治建筑物在河道中受力的不同，丁壩損毀最嚴重，順壩次之。

分析整治建筑物毀壞的影響因素，主要有水沙運動特點、建筑物結構、維護情況、人為破壞等。整治建筑物在這些影響因素的相互作用下逐步毀壞。這其中整治建筑物所在位置的水沙運動是整治建筑物毀壞的重要原因。毀壞的方式主要有：

1)水流翻壩后對壩體背水坡河床淘刷、順壩沿堤流淘刷、水流常年對整治建筑物壩頭和壩根等位置沖刷淘蝕等，引起基礎不穩，進而導致整治建筑物整體或局部坍塌破壞。

2)在漂浮物(流木)和高速水流的頂沖下，壩體塊石從面層開始逐步滑落，最終形成壩體潰缺。

3)大流速水流帶來大量卵石推移質與整治建筑物彼此摩擦，特別是卵石輸移帶上的整治建筑物，磨損更加劇烈，常常引起壩面損壞，進而破壞壩體。

2 銅鼓灘概況及整治方案

2.1 銅鼓灘概況

銅鼓灘地處長江宜昌以上996.0 km，宜賓市南溪縣，是長江上游宜賓至重慶河段著名灘險，譽為“川江灘王”，長期制約著長江上游航運的發展。該灘為枯水期兼有“彎、淺、險”礙航特征的復雜灘險。曾經多次治理，效果不佳。該灘在河勢上位于兩反向河灣的過渡段，上段彎道進口有右岸董磧壩和左岸九龍灘束窄河道，河寬約300 m;中段放寬，但江中迎賓格磧壩伸入江中，在河中形成潛磧，將河道分為左右兩汊，左汊順直寬闊，但枯水期水淺，右汊彎曲狹窄，為枯水期航槽;下段水流受銅鼓灘巖盤挑流影響，流急水亂。上段銅鼓子一帶枯水期航槽水深時有不足，中段航道狹窄彎曲，下段流急水亂，航行危險，“上淺、中彎、下險”是該灘主要礙航特征［4］。

2.2 銅鼓灘整治方案

針對灘段的礙航特征，整治方案(圖1)為：新開左槽，同時拋筑整治建筑物維持左槽(新槽)的穩定。開槽順應左槽既有河道地形，平面上采取微彎形布置。左槽開挖深度為設計最低通航水位下3.5 m，開挖寬度上段為80 m，下段逐漸加寬到95 m。為維持左槽的穩定，在江心迎賓格潛磧上建1道順壩和3道齒丁壩，在右槽建1道潛壩，共同調整左右兩汊的分流比，增大新開左槽的流量，達到穩定新槽的目的［5］。

圖1 銅鼓灘整治方案示意Fig.1 Tonggutan regulation scheme

2.3 壩體結構比選

整治建筑物拋筑江中，起著調整左右兩槽分流比，穩定新開航槽的作用。順壩和齒丁壩正處江心兩槽分流點位置，長期受水流頂沖，水流流速大，枯水期流速一般達到3.5 m/s。其結構能否保持穩定是工程成敗的關鍵［6］。

考慮到順壩和丁壩所在位置水流急，尤其對整治建筑物壩頭的頂沖力量大，為使壩頭結構穩定，進行了兩種壩體結構方案的論證比選：①常用的鋼絲石籠拋筑壩頭+混凝土鉸鏈排護面;②首次在長江提出鋼絲石籠拋筑壩頭+扭王字塊護面。一般情況下川江流速較穩，但在漲、退水時，流速變化大，水流對壩頭沖擊力強。扭王字塊在水下的抗沖能力強，作為海港防波提的主要結構材料，能夠經受住海浪的沖擊，通過計算，該結構也能夠在川江中保持穩定。對于鋼絲石籠壩體+混凝土鉸鏈排護面的壩頭結構，有一個重要的缺陷。鉸鏈排一般是順水流方向鋪設才能較好的維持自身和覆蓋物的穩定。但是壩頭位置特殊，鉸鏈排只能垂直水流鋪設，很容易被水流從側面掀翻破壞。

通過對比，最終采用鋼絲石籠拋筑壩頭段的壩體，然后對壩頭的迎背水坡、壩頭坡以及壩面采用一層0.8 t規格的扭王字塊進行護面［7］。

3 扭王字塊施工工藝及相關要求

該工程設計的扭王字塊安裝數量為1.56萬塊，采用船舶從預制場運至拋放現場，用吊車進行拋放。

3.1 施工工藝及方法

安放扭王字塊最主要的質量要求是單位面積內安放數量，即安放密度是否達到設計要求［8］。安放時塊體在壩體坡面上可斜向放置，塊體的一半桿件與墊層接觸，但相鄰塊體擺向不宜相同，不能大量相接及平行擺放。塊體應定點安放。假定壩頭坡面為一網格，網格節點密度滿足設計要求，就可根據三角函數關系，計算出各個節點的位置，即每塊扭王字塊的安放位置，從而確保塊體的安放密度。具體步驟如下：

1)布置扭王字塊安放網格。扭王字塊安放網格主要根據安放密度和壩頭外形尺寸進行計算。計算方法為：面積/密度=排距×間距。

2)扭王字塊安放方法。扭王字塊采用極坐標法進行安放，這需要確定3個安放參數：吊車的位置坐標、扭王字塊放置的距離和水平夾角。吊車進行塊體安放作業的位置主要根據吊車的最大吊幅，壩頭的坡面尺寸來確定。吊車的選擇主要根據扭王字塊的重量以及吊車吊放的最遠距離來確定，選定吊車的吊幅作為分段安裝扭王字塊的段長，每段扭王字塊安裝的外形為規則的菱形，吊車停放在菱形上邊線內角較大的一個角點上。最后是扭王字塊安放水平夾角的確定。應先確定方向，一般以扭王字塊安放的前進方向作為正方向;然后由已經確定的菱形邊長以及扭王字塊的排距和間距，計算出每段的排數和每排的塊數;最后，每個塊體的位置由水平夾角和水平距離確定。水平夾角則通過三角函數計算。

3)塊體安放次序。扭王字塊安放時，應先找到初始位置，確定機位。1#機位采用倒三角形從下向上安放，2#機位采用菱形接著1#機位三角形邊線安放，詳見圖2。

圖2 扭王字塊安放順序Fig.2 The installment order of accropodes

4)塊體安裝記錄。扭王字塊的3個安放參數一般采用微機編程計算，計算結果(每個扭王字塊相對吊車的仰角和轉角)作為施工依據。安放作業人員根據計算結果，編排序號，每安放一個塊體，就在序號前予以標識，并作好記錄，既可保證塊體安放密度，又能追查每個工段的安放質量情況。

3.2 塊體安放質量控制

扭王字塊應從下向上安放，應與水下塊石墊層接觸緊密。扭王字塊的安放量要滿足設計和規范的要求，安裝一段，檢查一段，若不合格，立即整改。

安放扭王字塊前，應對壩體坡面進行檢查，若達不到設計要求應先進行修整。扭王字塊安放時的混凝土強度應達到要求。塊體安放位置應控制在設計位置的±25 cm以內。塊體吊放時應使用泡沫板等襯墊，防止扭王字塊棱角被損壞。

扭王字塊安放后應檢測：①扭王字塊安放方式是否滿足設計要求，不能有漏放或過大隆起;②扭王字塊安放數量偏差應控制在5%以內。

4 扭王字塊取得的實際效果

4.1 扭王字塊取得的效果

銅鼓灘順壩壩頭和齒丁壩壩頭等受水流頂沖的部位采用扭王字塊進行護面［9］，有效的保證了順壩和齒丁壩的整體穩定。目前銅鼓灘整治工程已完工并經歷兩屆洪水期，整治建筑物完全保持著穩定，特別是長期受水流頂沖的重點部位，由于有扭王字塊護面，這些部位基本沒有受到損壞。從圖3可以清楚看出銅鼓灘1#丁壩壩頭在扭王字塊的保護下，非常穩定，并且有大量泥沙淤積在扭王字塊的縫隙中，使整個壩體成為一個整體，進一步保證了壩體的整體穩定性。

圖3 銅鼓灘1#丁壩工程效果Fig.3 1#dike engineering effect of Tonggutan

4.2 扭王字塊取得良好效果的原因

銅鼓灘順壩壩頭和齒丁壩位置水流流速急，沖擊力大，若按照傳統方法，單純拋筑大塊石，由于塊石之間相對獨立松散，不能有效抵御水流的沖擊淘刷。扭王字塊單塊質量大，拋筑后彼此咬和，能夠有效抵御水流的沖擊。加上扭王字塊之間屬于柔性連接，能夠很好的適應河床的沉降變形。此外，扭王字塊彼此咬和后，具有很強的消能促淤作用，泥沙在塊體之間的縫隙中容易淤積，使得整個壩頭成為一個整體，進一步保證了壩頭的整體穩定性。

5 結論

1)使用扭王字塊進行整治建筑物壩頭護面的效果很好，對維持整治建筑物的穩定有重要作用。在類似川江這種大流量大流速的大型山區河流中拋筑整治建筑物，抵御水流的強大沖擊力，采用扭王字塊進行護面是一個不錯的選擇。

2)安放扭王字塊最重要的質量要求是單位面積內安裝塊數要達到設計要求。安放時塊體在壩面上可斜向放置，并使一半桿件與墊層接觸，但相鄰塊體擺向不宜相同，不宜大面相接及平行擺放。

［1］長江航道局.川江航道整治［M］.北京：人民交通出版社，1997：133-139.Waterway Bureau of Yangtze River.Chuanjiang River Waterway Regulation［M］.Beijing：China Communications Press，1997：133-139

［2］長江重慶航運工程勘察設計院.長江干線宜賓合江門至瀘州納溪航道建設二期工程可行性研究報告［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設計院，2006：14-29.Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River.Feasibility Study Report on the Second-Phase Waterway Construction in the Main Route of Yangtze River，from Hejiangmen，Yibin to Naxi，Luzhou［R］.Chongqing：Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River，2006：14-29.

［3］重慶交通大學.長江上游銅鼓灘航道整治數值模型研究報告［R］.重慶：重慶交通大學，2005：33-37.Chongqing Jiaotong University.Research Report on Numerical Model of Waterway Regulation of Tonggutan，the Upper Reaches of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2005：33-37

［4］重慶西南水運工程科學研究所.長江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治定床模型試驗研究報告［R］.重慶：重慶西南水運工程科學研究所，2006：36-39.Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute.Research Report on Fixed-Bed Model Test of Waterway Regulation of Tonggutan，the Xu-Lu Section of the Main Route of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute，2006：36-39.

［5］重慶西南水運工程科學研究所.長江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治動床模型試驗研究報告［R］.重慶：重慶西南水運工程科學研究所，2006：18-20.Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute.Research Report on Mobile-Bed Model Test of Waterway Regulation of Tonggutan，the Xu-Lu Section of the Main Route of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing South-West Marine Traffic Engineering Science Institute，2006：18-20.

［6］重慶交通大學.長江敘渝段典型卵石淺險灘的整治技術研究報告［R］.重慶：重慶交通大學，2007：81.Chongqing Jiaotong University.Technical Research Report on the Regulation of the Typical Pebbly Dangerous Shoal，the Xu-Yu Section of Yangtze［R］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2007：81.

［7］楊祥飛.長江上游銅鼓灘治理措施研究［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2010，29(1)：133-136.Yang Xiangfei.Upstream Yangtze River bronze drum beach government measure research［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2010，29(1)：133-136.

［8］JTJ 312—2003航道整治工程技術規范［S］.北京：人民交通出版社，2003.JTJ 312—2003 Engineering Technical Standard of Waterway Regulation［S］.Beijing：China Communications Press，2003.

［9］長江重慶航運工程勘察設計院.長江干線宜賓合江門至瀘州納溪航道建設二期工程初步設計［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設計院，2007：10-49.Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River.Preliminary Design on the Second-Phase Waterway Construction in the Main Route of Yangtze River，from Hejiangmen，Yibin to Naxi，Luzhou.［R］.Chongqing：Surveying and Designing Institute of Chongqing Shipping Engineering，Yangtze River，2007：10-49.