淺析重力式砌石壩拆改后對(duì)黃河下游彎曲型河道的影響

張恒濤 肖建波 鄭慶貴

(山東濟(jì)陽黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)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(jìn)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(cuò)臺(tái)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(yán)，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(jì)陽局共有5處險(xiǎn)工，其中擁有重力式砌石壩的險(xiǎn)工4處，計(jì)46段，分別為：(1)大柳店險(xiǎn)工 3#、4#、9#、11#、13#、15#壩，計(jì) 6 段；(2)溝楊險(xiǎn) 工 10#、11#、13#、15#、17#、19#、21#、23#、25#、27#、29#、31#、33#、35#、37#、38#壩，計(jì) 16 段；(3)葛店險(xiǎn)工 26#、28#、30#、32#、34#、35#、38#、39#、40#、43#、44#、45#、46#、52#、64#、65#、66#壩，計(jì) 17 段；(4)張辛險(xiǎn)工 20#、21#、22#、23#、24#、25#、26#壩，計(jì) 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(jì)陽局堤防加培后，這些險(xiǎn)工均又進(jìn)行了一次加高整修，其中重力式砌石壩都是戴帽加高進(jìn)行施工。施工前為了不使加高的壩體直接座落在土基上，對(duì)加高部分的基礎(chǔ)又進(jìn)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(duì)加高的壩體起到了穩(wěn)固基礎(chǔ)的作用，但同時(shí)也增加了墻后填土的主動(dòng)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(diǎn)

從整個(gè)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(gè)壩體出現(xiàn)了兩個(gè)重心，且兩個(gè)重心不在同一條垂線上。險(xiǎn)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(huì)直接壓向飽和土體，而飽和土體此時(shí)已接近液限，其內(nèi)摩擦角急劇變小，主動(dòng)土壓力大于被動(dòng)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(xiǎn)情。譬如：1981年歷城河務(wù)局王家梨行險(xiǎn)工8～11#重力式砌石壩坍塌入水，1985年天橋局洛口險(xiǎn)工11～12#壩墩蟄入水，都驗(yàn)證了這一問題。因此，對(duì)戴帽加高后的重力式砌石壩進(jìn)行退坦改建勢在必行。

1 險(xiǎn)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(duì)大江大河的綜合治理，加大了對(duì)防洪水利工程的建設(shè)力度。黃委對(duì)黃河防洪工程的建設(shè)也增大了投資力度，對(duì)黃河下游險(xiǎn)工中重力式砌石壩陸續(xù)批復(fù)實(shí)施拆除改建計(jì)劃。濟(jì)陽局自1998年至2003年，按照黃委防洪工程設(shè)計(jì)批復(fù)，除溝陽險(xiǎn)工外，先后對(duì)大柳店、葛店、張辛三處險(xiǎn)工的重力式砌石壩進(jìn)行了退坦改建。截止目前為止，濟(jì)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(xiǎn)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(jì)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(dòng)土壓力變?yōu)榱悖粍?dòng)土壓力大量增加，約占?jí)误w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(rèn)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(duì)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(xiǎn)工改建后必將導(dǎo)致洪水期間溜勢發(fā)生擴(kuò)散，極可能影響下游或?qū)Π豆こ蹋霈F(xiàn)險(xiǎn)工脫溜、平工靠水的險(xiǎn)惡局面，給今后的防汛搶險(xiǎn)帶來困難。

2.1 對(duì)河勢的影響

重力式砌石壩改建后，整個(gè)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(diǎn)至壩頂7米計(jì)算，坦石將后退4.55～8.05m。根石高程以下的水流不會(huì)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(kuò)散水流直達(dá)對(duì)岸工程，將導(dǎo)致對(duì)岸工程溜勢下延，嚴(yán)重時(shí)脫離工程造成險(xiǎn)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(kuò)散溜勢將會(huì)互相給對(duì)岸工程帶來河勢上的變化，特別是對(duì)挑溜壩和導(dǎo)流壩的影響更大。擴(kuò)散的水流一是給對(duì)岸工程造成溜勢變化；二是給本岸工程以下堤防制造險(xiǎn)情，因?yàn)楹樗陂g大河主溜居中，大溜一般都在險(xiǎn)工下首出現(xiàn)，極易出現(xiàn)順堤行洪現(xiàn)象。因此，各級(jí)黃河部門必須要高度重視，保持高度警惕。

2.2 對(duì)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(duì)下游和對(duì)岸工程影響不會(huì)太大。如果它是某處險(xiǎn)工下首的主要迎溜壩或控制該段河彎的挑溜壩，則對(duì)對(duì)岸工程影響極大，并且水位越高，影響越大。如葛店險(xiǎn)工中52#重力式砌石壩改建后，原壩前尖后退5米左右，估計(jì)超常洪水期間，由于溜式的擴(kuò)散，對(duì)岸工程將會(huì)受到較大影響。再如葛店險(xiǎn)工原26#～36#壩在改建時(shí)，依據(jù)設(shè)計(jì)改變了原險(xiǎn)工平面結(jié)構(gòu)形式，即由原來多個(gè)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(jì)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(xiǎn)，多次發(fā)生根石走失現(xiàn)象，同時(shí)也加大了該河段的水流勢態(tài)。

圖3

改建后的險(xiǎn)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)轫樦毙停瑴p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(xiǎn)。同時(shí)，也將導(dǎo)致壩岸根石的起動(dòng)流速比值變小，壩岸穩(wěn)定性相對(duì)減弱。

2.3 對(duì)防汛搶險(xiǎn)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(xiǎn)容易搶護(hù)，并且拋石到位。而改建后，坡度變大，坡長增加，將給拋石搶險(xiǎn)帶來困難。目前，黃河下游險(xiǎn)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(jì)算，改建后的坡長為7.8～9.2米或9～11.7米，目前的拋石機(jī)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(xiǎn)難度更大。

另外，在險(xiǎn)工改建時(shí)，由于原壩頭的后退和壩檔的前移，造成壩體的不穩(wěn)。對(duì)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(duì)重力式砌石壩進(jìn)行拆改、設(shè)計(jì)和施工，要本著上下呼應(yīng)、左右兼顧的原則，同時(shí)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(duì)原河勢的影響，使改建后的工程運(yùn)用與河勢(治導(dǎo)線)保持一致。險(xiǎn)工改建工程施工時(shí)，一般情況下黃河兩岸最好應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

4 結(jié)束語

以上僅是針對(duì)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(diǎn)粗淺看法。從壩體的穩(wěn)定性和抗洪能力來講，對(duì)重力式砌石壩實(shí)施改建是可行的，因?yàn)樗鰪?qiáng)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(xiǎn)工改建有利有弊，本文提出的看法僅供參考。