董堰川，于南洋，叶兵

（长江重庆航道工程局，重庆 400011）

1 工程概况

长江上游航道甑柄碛丁顺坝位于甑柄碛滩，甑柄碛滩位于上游航道里程745.8km，系枯水浅滩。该滩枯水河宽250～560m，洪水河宽1400m，汛期泥沙落淤，在弯道环流作用下，左岸淤成甑柄碛边滩，右侧凹岸有突出江中100～200m 的小滩子与龙门石两道石梁，相距450m，形似两道天然丁坝，与左岸突出的甑柄碛卵石边滩对峙，航槽甚为弯曲，卵石边滩伸向江中的碛翅，枯水水深在2.3m 及以上。而凹岸两处石梁头部在扫弯水的冲击下，形成深度20～30m 的两大深潭，枯水期便会在两石梁头部产生较强横流与泡漩；船舶驾驶不慎，便会在右岸石梁触礁或在左岸边滩搁浅，航行十分困难。

2 建筑物损毁原因

结合调查分析，造成长江上游航道整治建筑物损毁的原因只要包括水流泥沙动力作用、结构设计、材料性能、施工工艺、养护管理等方面，可以说在以上原因中，除水流泥沙动力作用外，其余均为可控原因，完全能通过设计方案的优化、施工过程的监管、加强维修养护等方式予以解决。为此，本文仅分析水流泥沙动力作用这个不可控原因。

2.1 坝体外侧冲坑原因

航道建筑物外侧冲坑通常出现在背水坡坝头外侧和坝根处，长江上游航道建筑物基础河床质以砂卵石为主，由于水流湍急、流速大等原因，筑坝后会使河势条件发生局部性改变，引发坝体四周河床冲刷[1]。本文主要依托《航道整治工程技术规范》所推荐公式进行冲坑深度计算：

式中：hp—冲坑最大水深，m；h—丁坝坝头冲刷前水深，m；L—丁坝在过水断面的投影长度，m；V—丁坝坝头水流流速均值，m/s；Vc—非粘性土冲刷速度，m/s；—泥沙颗粒沉降速度，m/s，根据表1 取值；Km—丁坝坝头关系系数，根据表2 取值；Ka—丁坝轴线和水流流向夹角系数；d—泥沙粒径，mm；a—丁坝轴线和水流轴线夹角，°。

表1 泥沙颗粒沉降速度和泥沙粒径关系

表2 丁坝坝头关系系数取值

将式（2）和（3）代入式（1）便可得出冲刷深度与水流流速的关系：

由式（4）可知，冲坑深度与水流流速为正比例关系，结合长江上游航道甑柄碛整治建筑物坝体实测资料，便可根据式以上公式计算出顶板冲坑深度，当水流流速位于2.0～5.0m/s 范围时丁坝冲坑深度为7.0m 左右。结合实测资料，长江上游航道甑柄碛丁顺坝2019 年实际坑坑深度为6.7m，与计算结果十分接近。

2.2 筑坝块石剥落

本文采用基于起动流速的块石稳定性分析方法，Isbash 公式适用于水流流速大、水位低的情况下块石起动流速的确定[2]。由于中外河流在诸多方面存在差异，故结合长江上游航道整治建筑物损毁实际，对不考虑水深因素的Isbash 公式进行改进，改进后的公式表示如下：

式中：Vc—块石起动流速，m/s；K—块石运动形态系数，块石滑动时取0.86，滚动时取1.2；s—块石容重，kg/m3；—水容重，kg/m3；D—块石粒径，mm；m—修正系数；W—块石重量，kg；A—块石体积系数。

将式（6）代入式（5）后便可得出块石重量和块石起动流速之间的关系：

由上式可以看出，块石流速小幅度的改变会对其稳定重量产生较大影响。此外，块石起动流速与块石重量的1/6 次方成正比，待流速达到既定量值后，仅凭块石重量的增大以达到筑坝块石稳定性提高的做法实属不经济。这也很好地解释了长江上游航道内早期修建的抛石坝等整治建筑物为什么经常损毁。为此，必须在整治建筑物损毁处理及坝体维修时，通过增强坝体表面材料强度，而非单纯增大材料重量，以降低坝体损毁的可能性。

结合实测资料，长江上游航道筑坝险滩水流流速一般达到2.0～3.0m/s，局部险滩水流流速甚至超出4.0m/s，按照改进后的Isbash 公式结论，整治建筑物坝体维修的块石重量理论上必须达到1000kg 以上，粒径理论上必须达到6.0m，如此规模的块石在开采、运输、抛填施工等过程中显然存在很大难度。所以，凭借增大筑坝块石粒径和重量以达到维修长江上游航道整治建筑物损坏的做法并不可取，故只就坝体外侧冲坑出现的原因提出维修策略。

3 维修方法

长江上游航道各类坝体中坝面损毁现象较为常见，通过比较各种坝面结构的稳定性发现，水流湍急的长江河流上插筋混凝土坝面抗冲耐磨效果最为显著，但其造价高，仅对坝体小范围易损坏坝面维修适用。

3.1 坝体坡面维修思路

甑柄碛滩整治建筑物坝头位于水流顶冲部位，在坝头流态紊乱时损毁的可能性非常大，当使用铰链片状护面结构时，很容易被水流冲翻，丧失保护[3]。扭王字块是海港工程中常见的防浪堤护面结构形式，防护效果优良，故可以将其应用于长江上游航道整治建筑物防护。

按照《航道整治工程施工规范JTS224-2016》中所规定的公式进行扭王字块稳定性估算，其中为块石质量，为块石等容粒径。碛滩在洪水期内水流流速最大达到3.5～4.3m/s，根据该式，当坝体抛填块石的等容粒径在0.49～0.74m 之间时，块石质量应在150～420kg之间；由于甑柄碛滩水流中卵石移动会对整治建筑物造成一定程度磨损，结合类似工程处治经验，应将单个扭王字块块体稳定质量控制在500kg 及以上。最终将长江上游航道甑柄碛滩整治建筑物损毁维修的扭王字块质量确定为单块0.8t，高1094mm，护面厚度为0.99mm，详见图1。

图1 扭王字块结构（单位：mm）

甑柄碛滩一期工程正式施工前进行了扭王字块坝体护面试验。在甑柄碛滩丁顺坝坝头20m 内的坝面、迎水坡、背水坡等处均设置扭王字块护面。迎水坡和背水坡边坡坡度分别为1:1.5 和1:2.0，坝头10m 内坝顶加宽至5.0m。坝心填筑块石，在迎水坡和背水坡、坝顶均设置一层扭王字块护面（图2），采用C30 混凝土。

图2 扭王字块护面坝体断面

3.2 扭王字块施工工艺

甑柄碛滩丁坝坝头坝体护面扭王字块在预制场预制，并待混凝土实际强度达到设计值的75%后拆模，集中码放；通过吊车转运至运输船，运至抛放现场后通过吊车抛投。抛投网点间距和排距均为0.85m，抛放时相邻排之间必须错位0.45m，达到消能的效果。将扭王字块护面从坝体坡脚抛放至坝顶后按照《航道整治工程质量检验评定标准JTJ 314-2004》进行施工效果检验。

3.3 维修加固效果

为进行甑柄碛滩整治建筑物维修加固效果检验，在整体施工结束后，于2019 年7 月、2020 年1 月和2020年12 月分别对甑柄碛滩整治建筑物扭王字块护面进行了原型观测。①坝顶高程：2019 年7 月观测结果显示，丁顺坝坝头、坝根高程分别为255.47m 和256.36m；此后进行的两次观测显示的坝头和坝根高程均分别为255.4m 和256.3m。根据观测结果，丁坝坝头和坝根处最大沉降为6cm 和10cm，均出现在2019 年汛期后。②坝体边坡坡比：2019 年所测量得丁坝迎水坡、背水坡和坝头坡比分别为1:1.46、1:2.01、1:2.91；此后两次观测结果显示，迎水坡、背水坡和坝头坡比分别为1:1.5、1:2.0 和1:3.0。丁坝坝体河床稳定，不存在较大冲刷坑和淤积。③河床地形：丁坝坝头前河床地形无明显冲刷，而坝头下游27.5m 处存在深度近2.0m 的冲坑，但不影响坝头安全。丁坝坝根处河床也无明显冲刷，且无较大冲坑，坝体结构基本稳定。

通过以上观测结果及分析，甑柄碛滩整治建筑物经过扭王字块护面加固处理后历经3 个水文年后运行良好，虽然丁坝背水坡脚处部分区域遭到水流淘蚀，坝体局部区域块石受水流的裹挟后出现运移，形成较小空隙，但是均不影响航道整治建筑物整体运行效果，只需及时处治局部淘蚀和空隙即可。

4 结论

综上所述，扭王字块在长江上游航道整治建筑物坝体损毁维修方面具有很强的适应性，可用作护岸、防波堤、导流堤、拦砂堤等航道整治建筑物的护面结构，发挥消浪、护面加固作用，维修加固效果较为理想。但是扭王字块结构存在脱模困难、吊装施工期间边棱很容易遭到破坏，连接钢筋易腐蚀等问题，对块体结构强度和稳定性均存在较大影响。为此，必须积极借鉴国内外较为成功的经验，尝试维修效果较好的新材料和新结构，减少维修次数，降低维修成本。