丁壩維修結構選型初步探究

■文/蘇偉 胡寶月 陳雯 史亞立

丁壩維修結構選型初步探究

■文/蘇偉 胡寶月 陳雯 史亞立

依據實際航道整治工程中的統計數據，分析丁壩損毀部位、損毀原因和損毀程度的差異，深入剖析丁壩不同部位的損毀原因、水流特性以及維修工程的自身特點，有針對性的進行壩面，壩體和壩頭等部位進行維修結構設計，在實際工程中應用達到了很好的效果。

丁壩 維修結構 選型

一、概述

丁壩的損毀主要受河段的水流特性，自身結構、整治功能以及床沙運動強度等因素的影響而有所差異。對于水毀丁壩的修復措施，一般采用原樣修復使其恢復原設計尺度，或采用加寬壩頭、放緩邊坡的辦法進行加固，而不能根本改變水毀頻繁出現的狀況，因此丁壩的防護及水毀修復技術還有待進一步完善和創新。由于丁壩類型不同、損毀部位不同，損毀原因和程度各異，因此，在進行丁壩維修結構設計時，深入剖析丁壩不同部位的損毀原因、水流特性以及維修工程的自身特點，在近期航道整治工程和維修工程中取得的成功經驗和失敗教訓的基礎上，有針對性的進行結構選型和設計顯得非常必要。

二、壩面維修結構

壩面的破壞主要由于水流頂沖作用、河床推移質磨損、漂浮物的撞擊以及下部壩體失穩、沉陷引起的。當壩體被淹沒時，水流的最大流速會作用在壩面上，這時會對壩面產生很強的沖擊力，而且水流中會攜帶大量泥沙，這些泥沙會對丁壩壩面產生沖擊和磨損作用，從這些方面來看，要想加強壩體的穩定性和強度，保護壩面不受損害就特別重要。為此擬在壩體上部采用鋼筋混凝土箱體結構以達到加強壩面強度的目的。另一方面，在水流的拖拽作用下，壩體背水坡的塊石常以滑動和滾動的形態脫離原位，從而導致壩體破壞。針對這種情況，可考慮將拋石壩體的背水坡采用砼鉸鏈排保護起來，增加壩體的整體性。由于壩面在枯水期時露出水面成為周圍生態環境的組成部分，因此維修時除根據其破壞的程度和原因進行結構型式的選擇外還應充分考慮與周邊生態環境的協調性。

①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抗沖能力較強的鋼筋混凝土現澆壩面，通過錨固鋼筋與壩體連結成一個整體（圖1）。當整治建筑物處于城鎮或者對整治建筑物外觀要求較好的河段還可考慮用鋼絲網箱壩面或預制混凝土箱體等壩面結構型式。

②對于主要是由于卵石推移質磨損造成的壩面破壞在維修時可考慮采用高強度砼外加纖維材料或在砼壩頂中嵌埋堅硬石材（如鵝卵石）等方式，增強壩面的耐磨性。壩體下部仍為拋塊石，距離壩頂高程0.6m時的壩面為塊石砼，只是在面層20cm厚范圍內嵌入卵石，呈梅花狀布置：即C30砼壩面嵌入直徑為12～18cm的大卵石，卵石外露2～3cm，該結構主要是用于卵石輸移帶的壩體表面，增強壩面的卵石耐磨性能（圖2）。

③對于主要受河床變形影響而引起的壩面破壞，維修時應首先加強對基礎淘刷嚴重部位的護底和加固，選用適應變形能力更強的大塊石壓頂壩面和人工砼構件壓載等，如扭王字塊壩面（圖3）。

圖2 金魚磧砼嵌卵石護壩面

圖3 扭王字塊壩面

三、壩體（壩芯）維修結構

造成壩體的破壞因素眾多，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。因此，在進行壩體維修時應認真分析其破壞原因和丁壩附近水流特征，選取合理的結構型式。

①對于主要受水流頂沖破壞的壩體可選擇整體性較強的鋼絲石籠結構進行維修（圖4）。但對于卵石輸移帶上的丁壩，由于卵石對鋼絲網的磨損較為嚴重，在維修時可考慮用大粒徑的塊石或砼預制構件進行護面（圖5）。

圖4 鋼絲石籠結構壩體

圖5 扭王字塊坡面

②對于水流作用特別強烈的壩體損毀段除采用整體性強的結構外，還應根據受力分析結果，采用加大斷面尺寸、減緩邊坡等方式進行處理。此外對于邊坡破壞嚴重的丁壩還應采用預制砼構件對邊坡進行加糙、消能，減小下切水流對坡腳外側河床的淘刷而引起上部壩體失穩破壞。

③對于河床淘刷嚴重，沖刷坑較大的丁壩，在對損毀部位進行修復時，還應在坡腳外加拋菱體以增強其穩定性或采用柔性材料或散拋塊石進行護底處理。

四、壩頭維修結構

丁壩壩頭破壞的情況較為普遍，特別是丁壩壩頭和勾頭段長期受水流頂沖劇烈，頭部易形成泡漩、亂水，壩頭外側易形成較大的沖刷坑引起壩體坍塌、失穩破壞。在進行壩頭維修設計時，可考慮從以下幾個方面進行壩頭加固處理。

①增強壩頭結構

在對損毀壩頭進行維修時，首先應從維修設計上考慮增強壩頭結構，以提高壩頭抵御水流劇烈頂沖的能力。可采用加寬壩頭、放緩壩頭邊坡、采用圓弧倒角減小對水流的擾動等措施進行處理的辦法對壩頭結構進行加固。

②扭王字塊守護壩頭

在山區河流中，丁壩的壩頭由于處在水流頂沖的關鍵部位，毀壞相當嚴重，特別是壩頭水流流態較亂，采用鉸鏈排等片狀護面結構易于被水流沖翻，失去保護功能。因此可借鑒海港工程中防波堤護面結構中常用的扭王字塊對壩頭進行守護，以減小水流對坡面的破壞。壩頭段壩心仍采用塊石，在迎、背水坡及壩頂約1m厚的壩面拋一層扭王字塊進行護面（圖6）。扭王字塊的高度為1.094m，單塊重0.8t，砼的標號為C30。扭王字塊的安放采用定點隨機安放，從壩體坡腳至壩頂方向進行，拋放網點排距和間距為0.85m，但排與排間應按0.42m錯位進行拋放，扭王字塊具有較強的咬合力，其預制、堆放、安裝施工均為成熟工藝。該結構主要用在丁壩壩頭20m長范圍內的壩體護面。

③壩頭河床護底

在復雜情況下，當壩頭沖刷坑發育，靠近原有壩頭一段的壩身坍塌較多，任其發展將影響設計功能時，必要時應根據水流的沖刷強度采用散拋石壩或采用強度更高的扭王制塊對外側河床進行護底或在坡腳加拋棱體增強其穩定性。

圖6 落鍋灘壩頭扭王字塊護面

五、結論

通過對長江上游整治建筑物水毀修復實例進行研究，得出了山區河流整治建筑物的維修對策：（1）鋼筋混凝土現澆壩面和砼嵌卵石耐磨壩面，扭王字塊壩體、壩頭坡面及鎮腳（護底）結構，鋼絲石籠壩心結構的效果較好，可以在維修工程以及新建壩體的結構設計中推廣使用。（2）對于壩頭的維修可采用加寬壩頭、放緩壩頭邊坡、采用圓弧倒角減小對水流的擾動等措施，還可以采用扭王字塊對壩頭進行守護，以減小水流對坡面的破壞。

[1]蘇偉，王平義，喻濤，等.不同結構形式丁壩水毀過程分析[J].水運工程，2012，（4）:119-124.

[2]應強，焦志斌.丁壩水力學[M].北京：海洋出版社，2004.

[3]吳望一.流體力學[M].北京：北京大學出版社，1992.

（作者單位：河北農業大學）

河北省高等學校科學技術研究項目（Z2015158）