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河流航道治理扭王字块运用
RSS 打印 复制链接 发布时间:2019-07-10 14:48:00
 1概述 长江上游全长约370km,为典型的大型山区河流『1],也是长江“黄金水道”的重要组成部分。随着长江三峡工程的修建,重庆以下河段的航道等级得到提高,航行条件得到改善,通航船队的规模和密度随之加大,水路运输在综合交通运输网中的地位得到提高。根据交通运输部“深下游、畅中游、延上游”的治理思路,实施了长江干线宜宾合江门至泸州纳溪(简称“叙泸段”)航道建设工程,利用整治建筑物重点对9处滩险进行治卜。在整治建筑物材料与结构形式的应用方面,国内外在20世纪5O年代以前较普遍以混凝土、石块、沥青作为整治建筑物材料,整治建筑物形式以混凝土丁坝、管桩坝、沉排、护坡以及沥青混凝土护坡、块石护岸等居多。50年代后期以来,随着产品编织工艺的发展和生产种类的增多,尤其是非织造型土工织物的出现,给土工织物的应用注人了新的活力,工程上利用它具有的隔离、反滤功效或缝制成软体排,进行河床守护;或缝制成袋,充填河沙;加工成沙枕,代替块石作为坝体充填材料。欧美和日本等发达国家应用土工织物从最初的河道护岸防冲发展到目前的水利和航道工程的排水、反滤、防渗、加筋、护底、护坡、护岸等多个方。近年来,随着河道、航道治理工程的陆续实施,整治建筑物材料、结构、工艺取得了重要进展。在坝体结构方面,从传统的堆石坝、块石坝、桩板坝向沙枕填芯和块石盖面混合坝、沙枕一模袋混凝土坝发展;在护底结构方面,有沉排护底、钢丝网石兜护底、抛石护底、抛枕护底;在护滩方面,有干砌块石护滩、预制混凝土块加排垫护滩,考虑到排垫的易老化问题,目前正在研制新型的绞链排护滩等;在护岸结构方面,有干(浆)砌块石、预制混凝土六方块、钢丝网石笼护岸等I5一】。目前,川I江航道整治建筑物主要为散抛石坝体、干砌条石和浆砌条石坝面结构,这种结构一般情况下比较稳定,但在水流流速较大(超过3m/s)的河段,坝头和坝体顶冲部位将会出现毁坏】。而扭王字块护面结构具有稳定性好、抗冲刷能力强、消能等功效。在分析山区河流整治建筑物的水毁原因后,提出利用扭王字块护面试验研究,取得了良好的工程效果。 2山区河流整治建筑物水毁形式及原因分析 2.1川江航道整治建筑物的水毁形式 由于川江两岸多为较坚硬的基岩,开采方便,且费用较低,故川江整治建筑物大都采用抛石结构】。在20世纪90年代以前,坝面厚度一般为0.5m,其结构方式则主要为干砌块石。但由于漂木的撞击、水流的渗透、大块石下部填塞的中小石块不够紧密等原因,坝体损毁严重,其原因主要是坝面结构不牢固、块石级配组成不合理,造成坝面被破坏或背水面坝体被水流淘空从而导致坝体毁坏。在20世纪90年代以后,将坝面厚度调整为1.0m,坝面结构采用浆砌条石,从而使整治建筑物的损毁现象大为减少,仅在一些流速较大或水流在某个水位会集中冲刷坝体,但损毁程度大大减轻。目前,川江航道整治建筑物的水毁形式主要表现为以下几个方面: 1)由于建筑物坝头、坝根等部位的基础和泥沙常年受到水流的冲刷和侵蚀作用,使其基础淘空,建筑物在其自身重力作用下失去支撑,导致建筑物的局部或整体崩陷塌落。 2)整治建筑物与固体颗粒在大流速水流作用下,相互摩擦,尤其是处在卵石输移带上的建筑物,磨损尤为激烈。 3)在水流和漂浮物的冲击下,石块常以滑动和滚动的形式脱离原位,被推移到下游河滩淤积。 4)建筑物在水流或漂浮物的冲击作用下,砌体从顶层开始逐层剥落,最终溃缺。 2.2川江航道整治建筑物的水毁原因 影响整治建筑物水毁的因素主要有水流泥沙动力、结构设计、鸿运国际手机版客户端、维护管理及人为破坏等因素。这些因素之间相互影响、相互作用,使整治建筑物受到不同程度的破坏。其中水流动力因素是导致整治建筑物水毁的重要原因。 1)水流和泥沙动力因素①水流顶冲。凡地处中洪水主流顶冲点上的整治建筑物,在汛期承受着很大的冲击力,在受力点处,局部集中冲刷是建筑物破坏的主要动力。破坏过程先是坝顶顶面出现单个或多个缺口剥落流失,形成小缺口,之后缺口逐步扩散,坝体断裂,破坏越来越严重。②横流冲刷。导流顺坝、堵顺坝、封弯顺坝前沿,因受弯道环流的作用将背水坡坝体或坝基(多为砂卵石)淘空,致使坝体外侧失去支撑。坝体在自重作用下失去平衡坝塌陷破坏,此外,汊道进出口处和急流进口是横流发育的河段,在该位置修建的碛头坝和堵坝,承受着较强的横向冲刷,横比降越大,分流量越大,坝体承受的冲击力越强,破坏力越大。③坝后冲刷。丁坝、锁坝、堵顺坝迎背水坡前水位差值较大,一般为l~3m,中水期坝后流速大,冲刷力强,坝后护坡块石常被急流剥落,坝基基脚常被淘空,失去支撑导致产生不均匀沉降或偏移,从而对整治建筑物上部结构产生破坏。④滑坡体、泥石流冲毁整治建筑物。当山洪爆发时,在一些陡峻山沟由于岩土丧失平衡稳定,或由于植被破坏,导致岩土瞬时凶猛地随暴雨急流下泄,形成极大的滑坡体、泥石流,对处在滑坡体、泥石流地区的整治建筑物将受到极大的损害甚至形成毁灭性的破坏。⑤河床变形作用。洪水期间,不仅是水流的破坏作用,而且水流中挟带的泥沙淤积河床,促使岸边再造,特别是在弯道处、泥沙堆积于凸岸,从而改变主流位置与方向,对凹岸产生极大的冲刷作用,从而加剧整治建筑物的破坏。⑥推移底沙作用。山区河流推移底沙颗粒较细,推移时间长,与建筑物的相互作用激烈,建筑物砌体面层磨损严重,加剧了建筑物的破坏作用。⑦漂浮物的撞击。山区河流在中、洪水期间,常有木材漂浮物顺流而下,这些漂浮物依赖于水流的水力作用,产生加速运动,形成强大的冲击力,整治建筑物在冲击力的作用下。砌体从顶部开始逐层剥落,出现断裂,从而出现溃缺。实际上,整个建筑物的破坏一般不是单一的因素形成的,大多是由于不同的各种因素组合形成的。 2)结构设计因素。①地处急流顶冲点上的坝体和护脚棱体,因断面尺寸偏小,建筑物稳定性不够,导致建筑物出现水毁。②坝位布置不当。实践证明,凡布置在汊道内的锁坝,建成后上下水位差较大,受力大,稳定性极差;凡布置在中洪水主流上的丁坝和顺坝,因承受局部集中冲刷,在顶冲点处极容易出现破坏。③坝根位置处理措施不当。特别是丁坝,其坝轴线与上游来水交角偏大,水流顶冲力相对较大,设计中未采取有效的坝根处理措施,从而产生坝根冲毁现象。④坝根与自然河有规则岸坡的连接处设计纵坡偏缓,而使坝根顶部溢流时间提前,此时坝下无水垫消能,导致后坡冲刷,引起水毁。 3)维护管理因素。对于川江上的整治建筑物,其结构为抛石结构,不能做到一劳永逸,在整治工程完工后,需对整治建筑物进行维护性的整修方能保持其整体性和牢固性。但由于航道维护经费原因,对一些整治建筑物未能及时进行维护性整修,从而造成建筑物水毁。 4)人为破坏因素。随着城乡建设的发展,沿江村民为获取建材利益,汛后常在建筑物的坝根和坝基处挖沙,采卵石出售,甚至直接搬走坝面的条石,致使坝体松动而出现整体性破坏。 3扭王字块的设计与试验 3.1设计思路 在山区河流中,整治建筑物的坝头由于处在水流顶冲的关键部位,毁坏相当严重,特别是坝头水流流态较乱,采用铰链排等片状护面结构易于被水流冲翻,失去保护功能,因此将海港工程中防波堤护面结构中常用的扭王字块首次用于长江上游。扭王字块的稳定性在海港防波堤中是对一定的波高提出相应的稳定要求,而未对流速提出相应的计算公式。因此在内河整治建筑物的应用中,仍参照JTJ3l2—2003《航道整治工程技术规范》推荐的公式进行估算:d=0.04;(1)本河段中滩险洪水期的最大表面流速为3.5~4-3m/s,按上式计算得块石等容粒径:坝体的抛筑块石的等容粒径0.49~0.74m,对应块石质量在为150~420kg,考虑到山区河流由于卵石的移动造成整治建筑物的磨损,因此,考虑到川江整治建筑物多年应用的经验显示,单个块体稳定的质量在500kg以上,适当增加1.5~2倍的质量,确保扭王字块的稳定,设计质量为800kg,扭王字块的高度h为1094ITlm,护面计算厚度为0.99Ill。依托叙泸段一期工程,进行了扭王字块护面结构的试验研究。在杨柳碛上丁坝(1丁坝)坝头20m长范围的坝面及迎、背水坡采用扭王字块护面(图1)。坝体迎水坡边坡为1:1.5,背水坡边坡为1:2。坝头1013范围内,坝顶加宽至5n-i,坝头坡1:3。工程于200712008年枯水期施工。 3.2结构方案 坝心仍采用块石,在迎、背水坡及坝顶约1m厚的坝面抛一层扭王字块进行护面,扭王字块的高度为1.094m,单块质量0.8t,混凝土的厚度等级为C30。扭王字块的结构见图2和图3。 3.3施工工艺 扭王字块的制作需要定型钢模在预制场进行预制,待混凝土强度达到75%后拆模,拆模后集中堆放,然后用吊车转运至运输船,再由船舶运至抛放现场用吊车进行抛放。抛放时,从坝体坡脚至坝顶方向进行,抛放网点排距和间距为0.85m,但排与排间应按0.42m错位进行抛放,起到消能作用。扭王字块预制和安放分别按JTJ3l4—2004《航道整治工程质量检验评定标准》中预制混凝土铺砌块和异型块体安装进行检验。 3.4试验效果分析 为了分析扭王字块试验和工程整治效果,工程实施后,分别于2008年8月、2009年1月、2010年1月对杨柳碛进行了3次原型观测。从坝顶高程分析,2008年8月测图表明,上丁坝坝头高程255.66m,坝根高程256.44m;之后2次测图上丁坝坝头高程为255.6m,坝根高程为256.4m。结果表明,坝头最大沉降处为6cm,坝根最大沉降处为10cm,发生在2008年汛后,之后趋于稳定。从坝体边坡分析,2008年测图上坝迎水坡坡比为1:1.46,背水坡坡比为1:2.0l,坝头坡比为1:2.9l;2009年1月及2010年1月测图表明,迎水坡、背水坡、坝头坡比均为1:1.5,1:2,1:3。坝体区域河床地形稳定,无大的冲刷坑及明显的淤积。从坝区河床地形分析看,坝头前河床地形冲刷不明显,但勾头下游约30m处有约4m×6m的冲刷坑,冲深近2m,但范围和深度均较小,不危及坝头安全。在丁坝坝根段,丁坝上游河床无明显冲淤现象,在丁坝下游有约35mx15m的冲刷坑,最大冲深近3.5m,不影响坝体总体稳定。总体上来看,经过3个水文年后坝体总体稳定,但局部存在一定变形,主要表现在上、下丁坝的背水坡脚局部位置被水流淘蚀,坝体块石被水流带走,形成空隙,范围较小。在杨柳碛滩成功应用后,在叙泸段的金鱼碛丁顺坝的拐角处、风簸碛滩倒置丁顺坝的丁坝段、铜鼓滩顺坝坝头等均得以成功应用。 4结语 扭王字块是一种应用于防波堤、护岸、拦沙堤、导流堤等海港水工工程的护面结构,其功能是消浪和护面。试验研究结果表明,扭王字块的使用突破了其用于防波堤的惯用手法,应用于内河航道整治建筑物的坝体护面,具有较好的稳定性,也有消能功效,是一种值得大力推广的整治建筑物结构形式。  
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