長江航道整治建筑物壩體損毀原因及維修對策研究

仲偉斌

目前長江航道整治建筑物維護工作還處于起步階段，隨著航道整治建筑物竣工數量的逐漸增多，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、合理的整治建筑物維修措施及工藝，對提高今后日益繁重的航道整治建筑物維護工作質量和效率有著非常重要的意義。

長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、潛壩由護底（上游壩體有的無護底）、壩體、壩面、壩頭、壩根組成；鎖壩兩端接岸或江心洲沒有壩頭，有2處壩根。截止2013年，長江上游現有壩體建筑物近100座，壩體結構主要為拋石壩體、鋼絲石籠、塊石混凝土、扭王字塊壩體；長江中下游已竣工或已完工各類壩體建筑物近200座，壩體工程結構一般采用D型排護底（早期采用系袋排護底），壩體采用全拋石或沙枕填心＋拋石蓋面結構［1］。

1 壩體損毀原因分析

1.1 長江上游壩體損毀情況

長江上游已建整治建筑物的壩體結構型式基本相同，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，由此造成建筑物發生損毀的部位、損毀程度和破壞時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內，起調整水流流向作用，丁壩壩頭與主流交角較大，水流流速大，流態紊亂，三維紊動強，泡漩亂水叢生，損毀幾率較高，破壞也相對嚴重，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松動、滑落，破壞面不斷向壩軸線方向發展，引起壩面的破壞，見圖2。

圖2 關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，淘蝕岸坡造成串溝發育，串溝逐漸擴大沖深形成缺口，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邊坡等部位。

（1）壩頭。順壩壩頭部位斜向水流和繞流發育，易引起壩頭塊石失穩，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發育，容易引起邊坡塊石松動、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，壩根也常因埋入磧壩的長度和深度有限或江心洲岸坡條件較差而出現壩根段破壞［2］。

1.1.3 潛壩、鎖壩

潛壩壩體相對維護工作量較小，其損毀部位主要發生在受床沙推移質磨損較嚴重的壩面部分。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作用下出現破損，然后不斷發展擴大、沖深，最終形成明顯缺口和在背水坡外側形成沖刷坑，見圖4。

圖4 小南海灘車亭子鎖壩壩身破壞

1.2 長江中下游已建壩體損毀情況

長江中下游發生破壞的壩體類型為丁壩和鎖壩2類，順壩很少發生破壞。

（1）壩頭破壞。壩頭破壞主要發生在早期建設的丁壩上，如長江下游武穴水道3號丁壩，壩頭出現局部垮塌，壩心沙枕出露，見圖5。

圖5 武穴3號丁壩壩頭局部垮塌

（2）壩身破壞。壩身破壞常常表現在壩身出現缺口。

（3）壩根破壞。長江中下游壩根破壞主要表現在壩體下游近岸側護底區域出現比較大的沖刷坑，形成缺口；或壩根護岸守護長度不夠，岸坡發生局部崩塌。

（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，壩體內側的沙枕往往暴露在陽光下，產生老化破壞。

1.3 損毀影響因素

造成壩體損毀的影響因素眾多，但歸納起來主要包括自然因素和人為因素2個方面。

1.3.1 自然因素

（1）水流動力作用。水流對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壩體塊石出現的膚面摩擦及迎流面和背流面的壓力差所構成，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上的整治建筑物，在汛期承受著很大的沖擊力，在著力點處，局部集中沖刷是整治建筑物破壞的主要動力。破壞過程先是壩頂或坡面出現單個或多個缺口剝落流失，形成小缺口，之后缺口擴散沖深，壩體斷裂，破壞越來越嚴重。

②橫向沖刷。導流順壩、堵順壩、封彎順壩前沿因受彎道橫向環流的作用將壩基（多為沙卵石）淘空，致使壩體外側失去支撐，導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、背水坡兩側往往水位差值較大。中水期壩后流速大、沖刷力強，壩后護坡塊石常被急流剝落，壩基基腳常被淘空失去支撐，導致產生不均勻沉降或偏移，從而導致整治建筑物上部結構產生破壞。

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

（3）其他自然環境。航道整治建筑物的破壞過程和影響因素十分復雜，如山區河流推移底沙顆粒較粗，輸移時間長，與建筑物的相互作用激烈，建筑物砌體面層磨損嚴重等，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、生活活動也會對整治建筑物的穩定性產生影響，主要表現在：

（1）隨意采挖沙卵石、無序超量采砂。沿江村民為獲取暫時的眼前利益，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，常卡落在丁壩、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，密實度降低，咬合功能減弱，洪水一到，極易成為水毀的突破口。

（3）無序地圍河造地，護岸保土。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態平衡，危及河勢和穩定，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

壩頭上游水流行進丁壩時，在壩前分成2部分：一部分直接繞過壩頭，另一部分在壩前受阻變為螺旋水流沖刷床面，并直接繞過壩腳向下游擴散。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，旋渦的尺度和規模較小，但對壩頭床面的沖刷作用卻很強，同時水流往下游挾運泥沙形成淤積。隨著沖刷坑迅速擴大，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定的，主要原因是長江中下游丁壩非常重視壩體的護底設計，通過護底大大提高了沙質河床的抗沖性；同時延長了水流行程，減小了水流對壩基部位的沖刷強度，使壩體下部河床形成較穩定的封閉層，因此靠近壩體的床沙得到保護，免遭水流淘刷。

2.2 壩體其他部位損毀原因

長江上游的壩身破壞主要是壩體自身結構在水流的長期沖擊作用下發生垮塌；而長江中下游壩身破壞主要是因護底受到沖刷坑溯源破壞而引起，主要表現在壩體中部形成缺口和邊坡坡腳外側形成深坑導致坡面破壞。同樣，在壩身、壩根的沖刷變形處理上，中下游根據壩體根部護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水流沉排方式，取得了較好的效果。

3 各影響因素引起的壩體破壞

3.1 基礎淘刷

基礎淘刷引起的各類壩體破壞雖程度上有所差異，但其破壞的過程基本相同，破壞均是一個循序漸進的過程。首先表現為水流紊動，造成河床沖刷變形形成深坑；然后壩體邊坡石料出現松動，逐層滾落至深坑內使邊坡坍塌；最后造成壩面上部懸空、失穩進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大的水流沖擊力，在著力點處，局部集中沖刷是散拋石壩破壞的主要動力。

3.3 推移質磨損或漂浮物撞擊

長江上游屬大型山區河流，具有水流急、推移質強度大、粒徑粗、輸移時間長、與建筑物的相互作用劇烈等特點。加之20世紀80～90年代，長江上游大量木材采用木筏或獨木順水流運輸至下游地區的影響，壩體常在推移質的磨損和漂浮物撞擊作用下出現壩面破壞［3］。

3.4 自身結構強度

壩體建筑物的破壞還與自身結構強度密切相關。長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，建筑材料自身強度低，在水流和推移質常年磨蝕下，變形十分嚴重，見圖6，7。

圖6 壩體塊石磨蝕

圖7 護面鉸鏈排破壞

3.5 人為因素

一些人為活動，如采砂、拋錨等，造成排體破壞，進而導致壩體失穩等。有的壩頭沖刷坑在10 m以上，這一現象顯示很可能有采砂行為的發生。

4 壩體維修對策

壩體整治建筑物的類型不同，與水流和床沙運動的相互作用存在明顯區別，其破壞的原因和損毀程度也各異。因此，在維修時應通過深入剖析其損毀的原因，有針對性地進行結構選型和設計。

（1）壩面。對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的鋼筋混凝土現澆壩面和預制混凝土箱體等壩面結構型式。對于上游主要是由于粗顆粒推移質磨損造成的壩面破壞，維修時可考慮采用高強度混凝土外加纖維材料或在混凝土壩頂中嵌埋堅硬石材（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的影響等。對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的鋼絲石籠結構進行維修。但對于處于卵石推移質帶上的整治建筑物，由于卵石對鋼絲網的磨損較為嚴重，在維修時可考慮采用大粒徑的塊石或混凝土預制構件進行維修。

（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條件較差而引起岸坡失穩破壞。

維修時需重點考慮岸坡地質條件進行結構型式的選擇。除采用加長壩體埋入岸坡長度和深度，干砌塊石或漿砌塊石（混凝土）格梁護岸等方式對其進行加固外，還可采用整體性和透水性較好的鋼絲網護墊（見圖8）對岸坡加強守護，并做好反濾層和排水設施等工作，必要時還可在坡腳處設置擋墻等支護結構增強其穩定性，見圖9。

圖8 鋼絲網墊及格梁生態護岸圖

圖9 壩頭扭王字塊護面

此外，對于壩根破壞嚴重的整治建筑物除應加強對岸坡守護外，還應重點對整治建筑物與岸線相連的三角形區域采用拋石、混凝土預制件等方式進行加強守護，防止壩根淘刷破壞。在對損毀壩頭進行維修時，除采用加大斷面尺寸、放緩壩頭坡、采用圓弧倒角減小對水流的擾動等措施進行處理外，還可以采用扭“王”字塊或扭“工”字塊等方法減小水流對坡面的破壞，必要時根據水流的沖刷強度采用散拋塊石對外側河床進行護底或在坡腳加拋菱體增強其穩定性［4］。

5 結語

長江航道整治建筑物的壩體結構型式基本相同，由于其整治功能各異，所在河段的地理差異，造成建筑物發生損毀的部位、損毀程度和破壞時間等也有很大的差別。在日常的觀測中應具有針對性，對不同類型的壩體宜各有側重，且維護措施也需相應調整。在日常工作中，宜建立起損毀預測機制，通過綜合評價分析壩體的損毀程度以及安全狀態，為可靠決策提供依據，維護壩體。

［1］ 顧宏驊.長江航道整治建筑物修復工程技術探討［J］.中國水運，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程的離心模型試驗［J］.清華大學學報：自然科學版，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，2010，46（9）：22－24.

［4］ 賈 曉，伍文俊，吳華林.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.