白鹤梁题刻原址水下保护工程交通廊道的止水连接设计

郭 晓，章荣发 （长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉430010）

白鹤梁位于重庆市涪陵城北长江之中，下距乌江与长江汇合处约1km，为一砂岩天然石梁，长约1600m，宽约10～15m，东西向延伸，与长江平行。白鹤梁背脊标高约为138m，比常年最低水位高出2～3m，比库区正常蓄水位低30多米，长年淹没在水中，仅在冬末长江枯水季节露出水面。前人根据石梁露出水面的高度变化可以确定长江枯水水位，因而相继采用题刻的方式记录了一千多年间的长江枯水水位变化情况，为研究长江上游的历史枯水水位变化规律提供了可靠的尺度标准。

由于江水的冲刷切割，白鹤梁被划分为上、中、下3段，题刻主要分布在长约220m的中段石梁上，迄今发现石梁上有文字题刻163段，3万余字，石鱼14尾。其中宋代最多，约在百段之多，元、明、清代次之。题刻记载了唐广德元年至本世纪初共1200余年间的72个枯水年份的长江水位资料，堪称保存完好的世界 “第一古代水文站”。

1 白鹤梁题刻工程的保护与设计范围

1．1 保护范围

白鹤梁题刻中段东区长约45m、宽约10m范围为石刻密集区域，包括著名的唐代双鱼等重要题刻138则，为题刻重点保护区。从题刻重要性、工程一次性投资及运行维护费用等综合分析，白鹤梁原址水下保护的范围为中段东区长约45m、宽约10m的区域。对其他区域零散的脱落题刻拟搬入陈列室陈展，其他少量题刻让其自然淤积掩埋。

1．2 设计范围

保护工程由地面陈列馆、交通及参观廊道、水下保护体3部分组成。

1）地面陈列馆 地面陈列馆沿长江南岸滨江大道与长防堤之间绿化带部位布置，作为水下参观出入口及水下保护体之地面标志建筑。主要功能为人流集散、为水下保护体提供设备支持、办公及管理、陈列与展览。同时提供沿江观景平台，形成以白鹤梁题刻为背景的人文景点。

2）交通及参观廊道 为提供近题刻观赏空间，以承压廊道自地面陈列馆至水下保护体内环绕一周，连接地面陈列馆与保护体为交通廊道，保护体内近题刻处为参观廊道，以承压窗口通视题刻。

3）水下保护体 水下保护体为椭圆形平面的单跨拱形壳体结构，壳体结构履盖白鹤梁题刻，壳体内置换清水，满足参观通视要求，内外水压平衡形成 “无压容器”，永久保护题刻不受泥沙淤埋和冲淘破坏。

2 工程条件

2．1 水文、气象

①涪陵区多年平均降水量为1073．5mm。降水年内分配不均，多集中在4～10月，其降水占全年降水量的80%以上；4～10月均会出现暴雨，夏季暴雨尤多，历年最大一日降水量高达324．0mm；多年平均暴雨日数为2．2d；多年平均降水日数150．1d。②涪陵区多年平均气温为18．1℃。以1月气温最低，多年平均气温为7．1℃，7月最高，多年平均气温28．7℃；极端最高气温42．2℃，极端最低气温为-2．2℃。③涪陵站年平均风速0．9m／s，历年最大风速24．4m／s。区境多静风，频率高达53%，全年主导风向东北风，频率7%，其次北风，频率6%。④多年平均蒸发量为1126．8mm。涪陵区处于高湿区，多年平均相对湿度为79%；雾日较多，年平均雾日数为32．2d；无霜期长，年均无霜期315d，年均日照时数为1297h。

1）白鹤梁历史枯水位及最高洪水位 ① 涪陵的零水位高程为138．7m （吴淞高程）。②涪陵白鹤梁历史枯水位为1813年的137．19m，历史最高洪水位为1870年的170．7m。

2）三峡水库拟定的调度方案对涪陵河段水位的影响 三峡水库拟定的调度方案：2003～2007年汛期坝前运行水位为135m；2007～2009年汛期水库按156m方案调度运行；2009年汛后三峡水库具备蓄水至175m，达到按最终规模运行的条件。在水库蓄水初期涪陵河段将分别处于水库回水末端和回水变动区中下段，从水库正常运行期开始该河段已处于常年回水区上段，届时白鹤梁题刻将长期淹没于水中。

3）流量、流速 ①根据长江寸滩水文资料及有关研究成果，涪陵长江河段多年平均流量为11200m3／s，三峡工程坝区最高通航流量56700m3／s。②三峡水库按拟定的156m方案运行时，白鹤梁河段最大流速5．6m／s，最小流速3．4m／s；按175m方案运行时，白鹤梁河段最大流速4．3m／s，最小流速2．5m／s。

2．2 泥沙淤积分布与白鹤梁的覆盖情况

①涪陵长江河段多年平均悬移质输沙量为4．6×108t（0．028mm），多年平均沙质推移质为6×106t（0．014mm），卵石推移质为28．97×104t（51mm），汛期淤积，汛后冲刷，年内基本保持平衡。②在三峡水库按135m水位运行的前5年，由于受水库回水较小，涪陵长江河段泥沙淤积甚少；水库运行到第10年末淤积泥沙已逐渐逼近白鹤梁题刻，从第15年起开始全面覆盖白鹤梁题刻，到第20年末白鹤梁题刻已完全为淤积泥沙所覆盖。

3 工程布置

3．1 平面设计

1）交通廊道 沿堤坡为坡形交通廊道，沿江底为水平交通廊道，均为线形平面，总长290m，净宽3．4m。内部空间分为1．4m宽双人步道 （或梯道）及0．9m宽单人自动扶梯 （预留）。交通廊道单侧设展示空间。

2）参观廊道 平面为 “U”形，支撑于保护体内壁，围绕题刻布置。廊道净宽2．2m，总长约80m，按潜艇分舱方式以承压水密门分为3个舱室。

3）水下保护体 根据内部题刻分布形状及外部水流条件，保护体采用圆弧相接的椭圆形平面、拱壳顶结构，内空长轴64m，短轴16m。

3．2 剖面设计

1）坡型交通廊道 从长江行洪过流和沿江景观等方面综合考虑，采用贴坡浅埋方式，埋深约3m。坡型廊道地面建筑高程自地面陈列馆室内▽176．2m分单坡自动扶梯下至水平廊道接口▽136．2m，总高40m，坡度27°。

2）水平交通廊道 为避免水下基岩过大开挖，保证交通流线便捷，以直线连接坡形交通廊道及参观廊道。水平交通廊道地面高程自▽136．2m～▽137．2m，纵坡0．7%作为地面排水坡。

3）水下保护体 拱顶高程▽143．0m。

4）参观廊道 保护体拱顶143．0m，从协调结构受力及施工安装工艺要求等因素考虑，参观廊道地面高程最大值为▽137．30m，与水平廊道接口处高程为▽137．2m，纵坡0．3%作地面排水。参观廊道横断面净宽2．2m，净高2．2m，四处局部加宽1．2m。

4 交通廊道变形缝、施工缝及连接设计

由于廊道内外侧混凝土存在着温差，管段纵向可能产生很大的拉应力而导致混凝土开裂，地基的不均匀沉降等影响也会导致管段开裂。为此，交通廊道按计算及构造要求需设置变形缝、施工缝，水平交通廊道及钢质参观廊道间的连接应进行专门的接头设计。

4．1 变形缝、施工缝的设置

①坡型交通廊道每18．5m设变形缝一道，中间设一道施工缝。②水平交通廊道每20m设变形缝一道，中间设一道施工缝。③坡型交通廊道与水平交通廊道的连接处按结构形式平顺过渡，端部加强配筋，坡型交通廊道端部下设混凝土基础或振墩，不设接头。

1）变形缝设计 变形缝的防水不仅要考虑结构沉降、伸缩的位移变形，而且在充分变形的状况下保证其水密性［1］。该工程变形缝宽度根据计算设为15mm，缝内的止水带应能承受0．5MPa左右水压。据此，变形缝采用外贴橡胶止水带、中埋式可注浆式钢边橡胶止水带、内装可卸式Ω橡胶止水带3道防水及聚胺脂密封胶、遇水膨胀腻子止水条、SM胶等辅助防水措施，止水橡胶均采用氯丁橡胶。①外贴橡胶止水带宽度为320mm，厚8mm，沿缝周设置。②中埋可注浆式钢边橡胶止水带宽度为350mm，厚10mm，沿缝周设置。③内装可卸式Ω橡胶止水带宽200mm，厚10mm，内设帆布夹层，沿缝周设置。

2）施工缝设计 ①坡型交通廊道施工缝采用中埋式钢边橡胶止水带及遇水膨胀腻子止水条2道防水。橡胶止水带宽度为320mm，厚10mm，沿缝周设置。遇水膨胀腻子止水条为20×30mm。②水平交通廊道施工缝采用中埋式钢边橡胶止水带及外贴式橡胶止水带。中埋式钢边橡胶止水带宽度为320mm，厚10mm；外贴式橡胶止水带宽度为240mm，厚8mm，均沿缝周设置。

3）止水带构造 止水带构造如图1所示。

图1 止水带构造

4．2 水平交通廊道 （混凝土）与参观廊道 （钢结构）连接设计

交通廊道端部预埋12mm厚钢板与参观廊道端部焊接在一起，交通廊道内预埋环向金属止水环，由于金属板与混凝土间极易产生收缩裂缝，因此，施工时应提高变形缝2侧混凝土的密实性，预埋钢板时，应在钢板与混凝土接触面设置遇水膨胀密封胶［2］。水平交通廊道 （混凝土）与参观廊道 （钢结构）连接设计如图2所示。

图2 水平交通廊道 （混凝土）与参观廊道 （钢结构）连接设计

5 止水连接的施工技术要求

5．1 变形缝、施工缝的施工技术要求

①橡胶止水带必须埋设准确，其中心应与变形缝中心线重合。②止水带在浇筑混凝土前，必须妥善固定于专用的钢筋套中并在止水带的边沿处用镀锌铁丝绑牢或用扁钢焊牢，以防止位移。③内装可卸式止水带有帆布夹层，其小齿与预埋角钢接触部位应平铺未硫化丁基橡胶腻子薄片。④角钢压板及橡胶止水带的预留孔位置应严格对准，并预装一次，浇混凝土时必须防止预埋件移动。⑤可卸式止水带设置时，应先固定4个转角，且先上后下排铺止水带，同时止水带上的压条应连续排布。⑥作为可注浆式钢边橡胶止水带注浆管的附件，杯状泡沫块应预制并与止水带同时设置定位。注浆口钢罩内的海绵橡胶，加工时外侧应确保做结皮处理，以保证混凝土浇筑中水泥浆不渗入其内。⑦可注浆式钢边橡胶止水带在水平设置时除了应保证止水带盆形安装外，泡沫块及吊环螺母应严格控制位于混凝土面以下，谨防压注使用前受损。此外，还应注意注浆管的定位 （即止水带的定位）。⑧钢边橡胶止水带在转角处宜采用圆弧转角，转圆角的半径不低于125mm；止水带接头不得设在底部或转角处，应设在边墙较高位置。⑨钢边橡胶止水带的钢板宜采用冷扎钢板，并应作热浸锌处理。⑩ 外贴橡胶止水带接槎不得在拐角处，接头应设在顶板中部，收口处必须用密封胶作封头处理。[11]施工缝浇灌前，应将其表面清理干净，并刷涂水泥净浆或混凝土界面处理剂，并及时浇灌砼。[12]遇水膨胀止水条外涂缓胀剂，缓胀剂缓胀时间大于8～10h，在浇灌新混凝土前应严防水浸泡失效。

5．2 水平交通廊道 （混凝土）与参观廊道 （钢结构）接头施工技术要求

水平交通廊道 （混凝土）与参观廊道 （钢结构）接头施工技术要求［1］如下：①混凝土交通廊道端部预埋型挡水板及12mm厚钢板。②交通廊道内设环向钢板止水环。为防止钢板与混凝土间产生收缩裂缝，预埋钢板时，在钢板与混凝土接触面设置遇水膨胀密封胶。③挡水板与参观廊道连接角部以密封胶连接填实。④钢板止水带必须采用镀锌钢板，镀锌厚度不低于50μm。接头焊接和凿穿固定孔造镀锌层的损伤，应采用无机富锌类涂料修补。

［1］GB50108-2001，地下工程防水技术规范 ［S］．

［2］陈韶章 ．沉管隧道设计与施工 ［M］．北京：科学出版社，2002．

［3］周化 ．水工砼结构设计手册 ［M］．北京：中国水利水电出版社，1999．