长江航道整治建筑物坝体损毁原因及维修对策研究

仲伟斌

目前长江航道整治建筑物维护工作还处于起步阶段，随着航道整治建筑物竣工数量的逐渐增多，航道整治建筑物维修工程量的逐渐加大，分析研究整治建筑物的损毁原因，提出科学、合理的整治建筑物维修措施及工艺，对提高今后日益繁重的航道整治建筑物维护工作质量和效率有着非常重要的意义。

长江干线已建坝体整治建筑物主要有丁坝、顺坝、锁坝、潜坝等类型，丁坝、顺坝、潜坝由护底（上游坝体有的无护底）、坝体、坝面、坝头、坝根组成；锁坝两端接岸或江心洲没有坝头，有2处坝根。截止2013年，长江上游现有坝体建筑物近100座，坝体结构主要为抛石坝体、钢丝石笼、块石混凝土、扭王字块坝体；长江中下游已竣工或已完工各类坝体建筑物近200座，坝体工程结构一般采用D型排护底（早期采用系袋排护底），坝体采用全抛石或沙枕填心＋抛石盖面结构［1］。

1 坝体损毁原因分析

1.1 长江上游坝体损毁情况

长江上游已建整治建筑物的坝体结构型式基本相同，但由于其整治功能各异，其承受的水流作用力也存在较大差异，由此造成建筑物发生损毁的部位、损毁程度和破坏时间等也具有很大的差别。

1.1.1 丁坝

（1）坝头。丁坝坝头一般处于主流区内，起调整水流流向作用，丁坝坝头与主流交角较大，水流流速大，流态紊乱，三维紊动强，泡漩乱水丛生，损毁几率较高，破坏也相对严重，见图1。

图1 小南海生板堆上丁坝坝头破坏

（2）坝身。背水坡坡面块石出现松动、滑落，破坏面不断向坝轴线方向发展，引起坝面的破坏，见图2。

图2 关刀碛上丁坝背水坡破坏

（3）坝根。坝体和岸坡衔接部位容易形成回流等不良流态，淘蚀岸坡造成串沟发育，串沟逐渐扩大冲深形成缺口，造成了坝根破坏，见图3。

图3 小米滩上丁坝坝根破坏

1.1.2 顺坝

顺坝常见的损毁部位主要集中在坝头和两侧边坡等部位。

（1）坝头。顺坝坝头部位斜向水流和绕流发育，易引起坝头块石失稳，被水流冲走造成坝头段的破坏。

（2）坝身。顺坝附近近坝流等次生流态发育，容易引起边坡块石松动、滑落，造成顺坝边坡及坝身的破坏。

（3）坝根。建于江中洲体上的顺坝，坝根埋置在碛坝内，坝根也常因埋入碛坝的长度和深度有限或江心洲岸坡条件较差而出现坝根段破坏［2］。

1.1.3 潜坝、锁坝

潜坝坝体相对维护工作量较小，其损毁部位主要发生在受床沙推移质磨损较严重的坝面部分。锁坝的损毁部位主要集中在受水流顶冲的坝体部分，坝体易在水流的冲击和翻坝水持续作用下出现破损，然后不断发展扩大、冲深，最终形成明显缺口和在背水坡外侧形成冲刷坑，见图4。

图4 小南海滩车亭子锁坝坝身破坏

1.2 长江中下游已建坝体损毁情况

长江中下游发生破坏的坝体类型为丁坝和锁坝2类，顺坝很少发生破坏。

（1）坝头破坏。坝头破坏主要发生在早期建设的丁坝上，如长江下游武穴水道3号丁坝，坝头出现局部垮塌，坝心沙枕出露，见图5。

图5 武穴3号丁坝坝头局部垮塌

（2）坝身破坏。坝身破坏常常表现在坝身出现缺口。

（3）坝根破坏。长江中下游坝根破坏主要表现在坝体下游近岸侧护底区域出现比较大的冲刷坑，形成缺口；或坝根护岸守护长度不够，岸坡发生局部崩塌。

（4）坝面破坏。坝面破坏通常是一些小型的破坏，如坝面块石流失、坝面小型塌陷等，在块石流失后，坝体内侧的沙枕往往暴露在阳光下，产生老化破坏。

1.3 损毁影响因素

造成坝体损毁的影响因素众多，但归纳起来主要包括自然因素和人为因素2个方面。

1.3.1 自然因素

（1）水流动力作用。水流对坝体的作用力主要有推力以及上举力。推力是由于水流绕过坝体块石出现的肤面摩擦及迎流面和背流面的压力差所构成，而上举力则是由于顶部流速大、压力小，底部流速小、压力大所造成。总体而言，水流对坝体的破坏常见形式主要包括：急流顶冲、横向冲刷、坝后淘刷等。

①急流顶冲。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，在着力点处，局部集中冲刷是整治建筑物破坏的主要动力。破坏过程先是坝顶或坡面出现单个或多个缺口剥落流失，形成小缺口，之后缺口扩散冲深，坝体断裂，破坏越来越严重。

②横向冲刷。导流顺坝、堵顺坝、封弯顺坝前沿因受弯道横向环流的作用将坝基（多为沙卵石）淘空，致使坝体外侧失去支撑，导致坝体在自重作用下失去平衡而塌陷破坏。

③坝后冲刷。丁坝、锁坝迎、背水坡两侧往往水位差值较大。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，从而导致整治建筑物上部结构产生破坏。

（2）基础变形。相对于块石而言，河床或边、心滩上的泥沙由于粒径较小，重量较轻，更容易起动而发生冲淤变形。坝体修筑之后，由于流速增大、水流紊动增强等原因，坝体附近河床、洲滩变形更为剧烈，进而导致坝体基础局部或整体被冲刷淘空而发生局部或整体坍塌破坏。

（3）其他自然环境。航道整治建筑物的破坏过程和影响因素十分复杂，如山区河流推移底沙颗粒较粗，输移时间长，与建筑物的相互作用激烈，建筑物砌体面层磨损严重等，这些都加剧了建筑物的破坏作用。

1.3.2 人为因素

人类在整治建筑物附近的生产、生活活动也会对整治建筑物的稳定性产生影响，主要表现在：

（1）随意采挖沙卵石、无序超量采砂。沿江村民为获取暂时的眼前利益，常在坝根处开挖沙石，将基脚挖空，形成隐患。

（2）拾取水柴，撬拗坝顶块石。洪水期，随洪流漂移的枯枝残根，常卡落在丁坝、顺坝、洲头坝等坝体的缝隙中，村民为拾取柴火，用钢钎随意撬拗石块、抽取水柴，使坝体松动，密实度降低，咬合功能减弱，洪水一到，极易成为水毁的突破口。

（3）无序地围河造地，护岸保土。沿江村民为了各自的利益，随意地筑堤围地，破坏了天然河流的动态平衡，危及河势和稳定，如小米滩上、下丁坝。

2 坝体各部位损毁原因分析

2.1 坝头损毁原因

坝头上游水流行进丁坝时，在坝前分成2部分：一部分直接绕过坝头，另一部分在坝前受阻变为螺旋水流冲刷床面，并直接绕过坝脚向下游扩散。二者的综合作用引起坝头以及坝体周围的冲刷。在冲刷初期，旋涡的尺度和规模较小，但对坝头床面的冲刷作用却很强，同时水流往下游挟运泥沙形成淤积。随着冲刷坑迅速扩大，冲刷量增大，床面泥沙被直接带走，形成大范围的冲刷坑。

在中下游，丁坝总体上是比较稳定的，主要原因是长江中下游丁坝非常重视坝体的护底设计，通过护底大大提高了沙质河床的抗冲性；同时延长了水流行程，减小了水流对坝基部位的冲刷强度，使坝体下部河床形成较稳定的封闭层，因此靠近坝体的床沙得到保护，免遭水流淘刷。

2.2 坝体其他部位损毁原因

长江上游的坝身破坏主要是坝体自身结构在水流的长期冲击作用下发生垮塌；而长江中下游坝身破坏主要是因护底受到冲刷坑溯源破坏而引起，主要表现在坝体中部形成缺口和边坡坡脚外侧形成深坑导致坡面破坏。同样，在坝身、坝根的冲刷变形处理上，中下游根据坝体根部护岸及坝下游不同的变形情况分别采取了垂直水流沉排与顺水流沉排方式，取得了较好的效果。

3 各影响因素引起的坝体破坏

3.1 基础淘刷

基础淘刷引起的各类坝体破坏虽程度上有所差异，但其破坏的过程基本相同，破坏均是一个循序渐进的过程。首先表现为水流紊动，造成河床冲刷变形形成深坑；然后坝体边坡石料出现松动，逐层滚落至深坑内使边坡坍塌；最后造成坝面上部悬空、失稳进而造成坝顶坍塌破坏。

3.2 流顶冲

地处中洪水主流顶冲部位或弯曲河段凹岸侧水流坐弯顶冲部位的整治建筑物，由于坝体顶冲部位承受着强大的水流冲击力，在着力点处，局部集中冲刷是散抛石坝破坏的主要动力。

3.3 推移质磨损或漂浮物撞击

长江上游属大型山区河流，具有水流急、推移质强度大、粒径粗、输移时间长、与建筑物的相互作用剧烈等特点。加之20世纪80～90年代，长江上游大量木材采用木筏或独木顺水流运输至下游地区的影响，坝体常在推移质的磨损和漂浮物撞击作用下出现坝面破坏［3］。

3.4 自身结构强度

坝体建筑物的破坏还与自身结构强度密切相关。长江干线已建坝体建筑物主要为抛石坝体，且筑坝石料就近开采，建筑材料自身强度低，在水流和推移质常年磨蚀下，变形十分严重，见图6，7。

图6 坝体块石磨蚀

图7 护面铰链排破坏

3.5 人为因素

一些人为活动，如采砂、抛锚等，造成排体破坏，进而导致坝体失稳等。有的坝头冲刷坑在10 m以上，这一现象显示很可能有采砂行为的发生。

4 坝体维修对策

坝体整治建筑物的类型不同，与水流和床沙运动的相互作用存在明显区别，其破坏的原因和损毁程度也各异。因此，在维修时应通过深入剖析其损毁的原因，有针对性地进行结构选型和设计。

（1）坝面。对于主要受水流顶冲和漂浮物的撞击造成破坏的坝面，可选择整体性和抗冲能力较强的钢筋混凝土现浇坝面和预制混凝土箱体等坝面结构型式。对于上游主要是由于粗颗粒推移质磨损造成的坝面破坏，维修时可考虑采用高强度混凝土外加纤维材料或在混凝土坝顶中嵌埋坚硬石材（如鹅卵石）等方式，增加坝面的耐磨性。

（2）坝体。造成坝体破坏的因素众多，主要受水流顶冲、河床沉降、翻坝水流淘蚀以及近坝流等次生不良流态的影响等。对于主要受水流顶冲破坏的坝体可选择整体性和抗冲性较强的钢丝石笼结构进行维修。但对于处于卵石推移质带上的整治建筑物，由于卵石对钢丝网的磨损较为严重，在维修时可考虑采用大粒径的块石或混凝土预制构件进行维修。

（3）坝根。整治建筑物与岸相连的坝根部分常因回流、绕流等不良流态的影响造成坝根段破坏，或由于整治建筑物所处岸坡部分地质条件较差而引起岸坡失稳破坏。

维修时需重点考虑岸坡地质条件进行结构型式的选择。除采用加长坝体埋入岸坡长度和深度，干砌块石或浆砌块石（混凝土）格梁护岸等方式对其进行加固外，还可采用整体性和透水性较好的钢丝网护垫（见图8）对岸坡加强守护，并做好反滤层和排水设施等工作，必要时还可在坡脚处设置挡墙等支护结构增强其稳定性，见图9。

图8 钢丝网垫及格梁生态护岸图

图9 坝头扭王字块护面

此外，对于坝根破坏严重的整治建筑物除应加强对岸坡守护外，还应重点对整治建筑物与岸线相连的三角形区域采用抛石、混凝土预制件等方式进行加强守护，防止坝根淘刷破坏。在对损毁坝头进行维修时，除采用加大断面尺寸、放缓坝头坡、采用圆弧倒角减小对水流的扰动等措施进行处理外，还可以采用扭“王”字块或扭“工”字块等方法减小水流对坡面的破坏，必要时根据水流的冲刷强度采用散抛块石对外侧河床进行护底或在坡脚加抛菱体增强其稳定性［4］。

5 结语

长江航道整治建筑物的坝体结构型式基本相同，由于其整治功能各异，所在河段的地理差异，造成建筑物发生损毁的部位、损毁程度和破坏时间等也有很大的差别。在日常的观测中应具有针对性，对不同类型的坝体宜各有侧重，且维护措施也需相应调整。在日常工作中，宜建立起损毁预测机制，通过综合评价分析坝体的损毁程度以及安全状态，为可靠决策提供依据，维护坝体。

［1］ 顾宏骅.长江航道整治建筑物修复工程技术探讨［J］.中国水运，2011（7）：38－39.

［2］ 张 嘎，王爱霞，张建民，等.土工织物加筋土坡变形和破坏过程的离心模型试验［J］.清华大学学报：自然科学版，2008，48（12）：2057－2058.

［3］ 王 豪，林 锋，李敏博.西南某水电站左岸坝头边坡变形分析［J］.甘肃水利水电技术，2010，46（9）：22－24.

［4］ 贾 晓，伍文俊，吴华林.长江中下游洲滩守护工程概化 模 型 试 验 研 究 ［J］.水 运 工 程，2012（2）：123－127.