1概述

長江上游全長約370km，為典型的大型山區(qū)河流『1]，也是長江“黃金水道”的重要組成部分。隨著長江三峽工程的修建，重慶以下河段的航道等級得到提高，航行條件得到改善，通航船隊的規(guī)模和密度隨之加大，水路運輸在綜合交通運輸網(wǎng)中的地位得到提高。根據(jù)交通運輸部“深下游、暢中游、延上游”的治理思路，實施了長江干線宜賓合江門至瀘州納溪(簡稱“敘瀘段”)航道建設工程，利用整治建筑物重點對9處灘險進行治卜。在整治建筑物材料與結構形式的應用方面，國內(nèi)外在20世紀5O年代以前較普遍以混凝土、石塊、瀝青作為整治建筑物材料，整治建筑物形式以混凝土丁壩、管樁壩、沉排、護坡以及瀝青混凝土護坡、塊石護岸等居多。50年代后期以來，隨著產(chǎn)品編織工藝的發(fā)展和生產(chǎn)種類的增多，尤其是非織造型土工織物的出現(xiàn)，給土工織物的應用注人了新的活力，工程上利用它具有的隔離、反濾功效或縫制成軟體排，進行河床守護；或縫制成袋，充填河沙；加工成沙枕，代替塊石作為壩體充填材料。歐美和日本等發(fā)達國家應用土工織物從最初的河道護岸防沖發(fā)展到目前的水利和航道工程的排水、反濾、防滲、加筋、護底、護坡、護岸等多個方。近年來，隨著河道、航道治理工程的陸續(xù)實施，整治建筑物材料、結構、工藝取得了重要進展。在壩體結構方面，從傳統(tǒng)的堆石壩、塊石壩、樁板壩向沙枕填芯和塊石蓋面混合壩、沙枕一模袋混凝土壩發(fā)展；在護底結構方面，有沉排護底、鋼絲網(wǎng)石兜護底、拋石護底、拋枕護底；在護灘方面，有干砌塊石護灘、預制混凝土塊加排墊護灘，考慮到排墊的易老化問題，目前正在研制新型的絞鏈排護灘等；在護岸結構方面，有干(漿)砌塊石、預制混凝土六方塊、鋼絲網(wǎng)石籠護岸等I5一】。目前，川I江航道整治建筑物主要為散拋石壩體、干砌條石和漿砌條石壩面結構，這種結構一般情況下比較穩(wěn)定，但在水流流速較大(超過3m／s)的河段，壩頭和壩體頂沖部位將會出現(xiàn)毀壞】。而扭王字塊護面結構具有穩(wěn)定性好、抗沖刷能力強、消能等功效。在分析山區(qū)河流整治建筑物的水毀原因后，提出利用扭王字塊護面試驗研究，取得了良好的工程效果。

2山區(qū)河流整治建筑物水毀形式及原因分析

2．1川江航道整治建筑物的水毀形式

由于川江兩岸多為較堅硬的基巖，開采方便，且費用較低，故川江整治建筑物大都采用拋石結構】。在20世紀90年代以前，壩面厚度一般為0．5m，其結構方式則主要為干砌塊石。但由于漂木的撞擊、水流的滲透、大塊石下部填塞的中小石塊不夠緊密等原因，壩體損毀嚴重，其原因主要是壩面結構不牢固、塊石級配組成不合理，造成壩面被破壞或背水面壩體被水流淘空從而導致壩體毀壞。在20世紀90年代以后，將壩面厚度調(diào)整為1．0m，壩面結構采用漿砌條石，從而使整治建筑物的損毀現(xiàn)象大為減少，僅在一些流速較大或水流在某個水位會集中沖刷壩體，但損毀程度大大減輕。目前，川江航道整治建筑物的水毀形式主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1)由于建筑物壩頭、壩根等部位的基礎和泥沙常年受到水流的沖刷和侵蝕作用，使其基礎淘空，建筑物在其自身重力作用下失去支撐，導致建筑物的局部或整體崩陷塌落。

2)整治建筑物與固體顆粒在大流速水流作用下，相互摩擦，尤其是處在卵石輸移帶上的建筑物，磨損尤為激烈。

3)在水流和漂浮物的沖擊下，石塊常以滑動和滾動的形式脫離原位，被推移到下游河灘淤積。

4)建筑物在水流或漂浮物的沖擊作用下，砌體從頂層開始逐層剝落，最終潰缺。

2．2川江航道整治建筑物的水毀原因

影響整治建筑物水毀的因素主要有水流泥沙動力、結構設計、工程施工、維護管理及人為破壞等因素。這些因素之間相互影響、相互作用，使整治建筑物受到不同程度的破壞。其中水流動力因素是導致整治建筑物水毀的重要原因。

1)水流和泥沙動力因素①水流頂沖。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，在受力點處，局部集中沖刷是建筑物破壞的主要動力。破壞過程先是壩頂頂面出現(xiàn)單個或多個缺口剝落流失，形成小缺口，之后缺口逐步擴散，壩體斷裂，破壞越來越嚴重。②橫流沖刷。導流順壩、堵順壩、封彎順壩前沿，因受彎道環(huán)流的作用將背水坡壩體或壩基(多為砂卵石)淘空，致使壩體外側失去支撐。壩體在自重作用下失去平衡壩塌陷破壞，此外，汊道進出口處和急流進口是橫流發(fā)育的河段，在該位置修建的磧頭壩和堵壩，承受著較強的橫向沖刷，橫比降越大，分流量越大，壩體承受的沖擊力越強，破壞力越大。③壩后沖刷。丁壩、鎖壩、堵順壩迎背水坡前水位差值較大，一般為l～3m，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(chǎn)生不均勻沉降或偏移，從而對整治建筑物上部結構產(chǎn)生破壞。④滑坡體、泥石流沖毀整治建筑物。當山洪爆發(fā)時，在一些陡峻山溝由于巖土喪失平衡穩(wěn)定，或由于植被破壞，導致巖土瞬時兇猛地隨暴雨急流下泄，形成極大的滑坡體、泥石流，對處在滑坡體、泥石流地區(qū)的整治建筑物將受到極大的損害甚至形成毀滅性的破壞。⑤河床變形作用。洪水期間，不僅是水流的破壞作用，而且水流中挾帶的泥沙淤積河床，促使岸邊再造，特別是在彎道處、泥沙堆積于凸岸，從而改變主流位置與方向，對凹岸產(chǎn)生極大的沖刷作用，從而加劇整治建筑物的破壞。⑥推移底沙作用。山區(qū)河流推移底沙顆粒較細，推移時間長，與建筑物的相互作用激烈，建筑物砌體面層磨損嚴重，加劇了建筑物的破壞作用。⑦漂浮物的撞擊。山區(qū)河流在中、洪水期間，常有木材漂浮物順流而下，這些漂浮物依賴于水流的水力作用，產(chǎn)生加速運動，形成強大的沖擊力，整治建筑物在沖擊力的作用下。砌體從頂部開始逐層剝落，出現(xiàn)斷裂，從而出現(xiàn)潰缺。實際上，整個建筑物的破壞一般不是單一的因素形成的，大多是由于不同的各種因素組合形成的。

2)結構設計因素。①地處急流頂沖點上的壩體和護腳棱體，因斷面尺寸偏小，建筑物穩(wěn)定性不夠，導致建筑物出現(xiàn)水毀。②壩位布置不當。實踐證明，凡布置在汊道內(nèi)的鎖壩，建成后上下水位差較大，受力大，穩(wěn)定性極差；凡布置在中洪水主流上的丁壩和順壩，因承受局部集中沖刷，在頂沖點處極容易出現(xiàn)破壞。③壩根位置處理措施不當。特別是丁壩，其壩軸線與上游來水交角偏大，水流頂沖力相對較大，設計中未采取有效的壩根處理措施，從而產(chǎn)生壩根沖毀現(xiàn)象。④壩根與自然河有規(guī)則岸坡的連接處設計縱坡偏緩，而使壩根頂部溢流時間提前，此時壩下無水墊消能，導致后坡沖刷，引起水毀。

3)維護管理因素。對于川江上的整治建筑物，其結構為拋石結構，不能做到一勞永逸，在整治工程完工后，需對整治建筑物進行維護性的整修方能保持其整體性和牢固性。但由于航道維護經(jīng)費原因，對一些整治建筑物未能及時進行維護性整修，從而造成建筑物水毀。

4)人為破壞因素。隨著城鄉(xiāng)建設的發(fā)展，沿江村民為獲取建材利益，汛后常在建筑物的壩根和壩基處挖沙，采卵石出售，甚至直接搬走壩面的條石，致使壩體松動而出現(xiàn)整體性破壞。

3扭王字塊的設計與試驗

3．1設計思路

在山區(qū)河流中，整治建筑物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(tài)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，因此將海港工程中防波堤護面結構中常用的扭王字塊首次用于長江上游。扭王字塊的穩(wěn)定性在海港防波堤中是對一定的波高提出相應的穩(wěn)定要求，而未對流速提出相應的計算公式。因此在內(nèi)河整治建筑物的應用中，仍參照JTJ3l2—2003《航道整治工程技術規(guī)范》推薦的公式進行估算：d=0．04；(1)本河段中灘險洪水期的最大表面流速為3．5～4-3m／s，按上式計算得塊石等容粒徑：壩體的拋筑塊石的等容粒徑0．49～0．74m，對應塊石質量在為150～420kg，考慮到山區(qū)河流由于卵石的移動造成整治建筑物的磨損，因此，考慮到川江整治建筑物多年應用的經(jīng)驗顯示，單個塊體穩(wěn)定的質量在500kg以上，適當增加1．5～2倍的質量，確保扭王字塊的穩(wěn)定，設計質量為800kg，扭王字塊的高度h為1094ITlm，護面計算厚度為0．99Ill。依托敘瀘段一期工程，進行了扭王字塊護面結構的試驗研究。在楊柳磧上丁壩(1丁壩)壩頭20m長范圍的壩面及迎、背水坡采用扭王字塊護面(圖1)。壩體迎水坡邊坡為1：1．5，背水坡邊坡為1：2。壩頭1013范圍內(nèi)，壩頂加寬至5n-i，壩頭坡1：3。工程于200712008年枯水期施工。

3．2結構方案

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，扭王字塊的高度為1．094m，單塊質量0．8t，混凝土的厚度等級為C30。扭王字塊的結構見圖2和圖3。

3．3施工工藝

扭王字塊的制作需要定型鋼模在預制場進行預制，待混凝土強度達到75％后拆模，拆模后集中堆放，然后用吊車轉運至運輸船，再由船舶運至拋放現(xiàn)場用吊車進行拋放。拋放時，從壩體坡腳至壩頂方向進行，拋放網(wǎng)點排距和間距為0．85m，但排與排間應按0．42m錯位進行拋放，起到消能作用。扭王字塊預制和安放分別按JTJ3l4—2004《航道整治工程質量檢驗評定標準》中預制混凝土鋪砌塊和異型塊體安裝進行檢驗。

3．4試驗效果分析

為了分析扭王字塊試驗和工程整治效果，工程實施后，分別于2008年8月、2009年1月、2010年1月對楊柳磧進行了3次原型觀測。從壩頂高程分析，2008年8月測圖表明，上丁壩壩頭高程255．66m，壩根高程256．44m；之后2次測圖上丁壩壩頭高程為255．6m，壩根高程為256．4m。結果表明，壩頭最大沉降處為6cm，壩根最大沉降處為10cm，發(fā)生在2008年汛后，之后趨于穩(wěn)定。從壩體邊坡分析，2008年測圖上壩迎水坡坡比為1：1．46，背水坡坡比為1：2．0l，壩頭坡比為1：2．9l；2009年1月及2010年1月測圖表明，迎水坡、背水坡、壩頭坡比均為1：1．5，1：2，1：3。壩體區(qū)域河床地形穩(wěn)定，無大的沖刷坑及明顯的淤積。從壩區(qū)河床地形分析看，壩頭前河床地形沖刷不明顯，但勾頭下游約30m處有約4m×6m的沖刷坑，沖深近2m，但范圍和深度均較小，不危及壩頭安全。在丁壩壩根段，丁壩上游河床無明顯沖淤現(xiàn)象，在丁壩下游有約35mx15m的沖刷坑，最大沖深近3．5m，不影響壩體總體穩(wěn)定。總體上來看，經(jīng)過3個水文年后壩體總體穩(wěn)定，但局部存在一定變形，主要表現(xiàn)在上、下丁壩的背水坡腳局部位置被水流淘蝕，壩體塊石被水流帶走，形成空隙，范圍較小。在楊柳磧?yōu)┏晒�應用后，在敘瀘段的金魚磧丁順壩的拐角處、風簸磧?yōu)┑怪枚№槈蔚亩�壩段、銅鼓灘順壩壩頭等均得以成功應用。

4結語

扭王字塊是一種應用于防波堤、護岸、攔沙堤、導流堤等海港水工工程的護面結構，其功能是消浪和護面。試驗研究結果表明，扭王字塊的使用突破了其用于防波堤的慣用手法，應用于內(nèi)河航道整治建筑物的壩體護面，具有較好的穩(wěn)定性，也有消能功效，是一種值得大力推廣的整治建筑物結構形式。