丁坝维修结构选型初步探究

■文/苏伟 胡宝月 陈雯 史亚立

丁坝维修结构选型初步探究

■文/苏伟 胡宝月 陈雯 史亚立

依据实际航道整治工程中的统计数据，分析丁坝损毁部位、损毁原因和损毁程度的差异，深入剖析丁坝不同部位的损毁原因、水流特性以及维修工程的自身特点，有针对性的进行坝面，坝体和坝头等部位进行维修结构设计，在实际工程中应用达到了很好的效果。

丁坝 维修结构 选型

一、概述

丁坝的损毁主要受河段的水流特性，自身结构、整治功能以及床沙运动强度等因素的影响而有所差异。对于水毁丁坝的修复措施，一般采用原样修复使其恢复原设计尺度，或采用加宽坝头、放缓边坡的办法进行加固，而不能根本改变水毁频繁出现的状况，因此丁坝的防护及水毁修复技术还有待进一步完善和创新。由于丁坝类型不同、损毁部位不同，损毁原因和程度各异，因此，在进行丁坝维修结构设计时，深入剖析丁坝不同部位的损毁原因、水流特性以及维修工程的自身特点，在近期航道整治工程和维修工程中取得的成功经验和失败教训的基础上，有针对性的进行结构选型和设计显得非常必要。

二、坝面维修结构

坝面的破坏主要由于水流顶冲作用、河床推移质磨损、漂浮物的撞击以及下部坝体失稳、沉陷引起的。当坝体被淹没时，水流的最大流速会作用在坝面上，这时会对坝面产生很强的冲击力，而且水流中会携带大量泥沙，这些泥沙会对丁坝坝面产生冲击和磨损作用，从这些方面来看，要想加强坝体的稳定性和强度，保护坝面不受损害就特别重要。为此拟在坝体上部采用钢筋混凝土箱体结构以达到加强坝面强度的目的。另一方面，在水流的拖拽作用下，坝体背水坡的块石常以滑动和滚动的形态脱离原位，从而导致坝体破坏。针对这种情况，可考虑将抛石坝体的背水坡采用砼铰链排保护起来，增加坝体的整体性。由于坝面在枯水期时露出水面成为周围生态环境的组成部分，因此维修时除根据其破坏的程度和原因进行结构型式的选择外还应充分考虑与周边生态环境的协调性。

①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抗冲能力较强的钢筋混凝土现浇坝面，通过锚固钢筋与坝体连结成一个整体（图1）。当整治建筑物处于城镇或者对整治建筑物外观要求较好的河段还可考虑用钢丝网箱坝面或预制混凝土箱体等坝面结构型式。

②对于主要是由于卵石推移质磨损造成的坝面破坏在维修时可考虑采用高强度砼外加纤维材料或在砼坝顶中嵌埋坚硬石材（如鹅卵石）等方式，增强坝面的耐磨性。坝体下部仍为抛块石，距离坝顶高程0.6m时的坝面为块石砼，只是在面层20cm厚范围内嵌入卵石，呈梅花状布置：即C30砼坝面嵌入直径为12～18cm的大卵石，卵石外露2～3cm，该结构主要是用于卵石输移带的坝体表面，增强坝面的卵石耐磨性能（图2）。

③对于主要受河床变形影响而引起的坝面破坏，维修时应首先加强对基础淘刷严重部位的护底和加固，选用适应变形能力更强的大块石压顶坝面和人工砼构件压载等，如扭王字块坝面（图3）。

图2 金鱼碛砼嵌卵石护坝面

图3 扭王字块坝面

三、坝体（坝芯）维修结构

造成坝体的破坏因素众多，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。因此，在进行坝体维修时应认真分析其破坏原因和丁坝附近水流特征，选取合理的结构型式。

①对于主要受水流顶冲破坏的坝体可选择整体性较强的钢丝石笼结构进行维修（图4）。但对于卵石输移带上的丁坝，由于卵石对钢丝网的磨损较为严重，在维修时可考虑用大粒径的块石或砼预制构件进行护面（图5）。

图4 钢丝石笼结构坝体

图5 扭王字块坡面

②对于水流作用特别强烈的坝体损毁段除采用整体性强的结构外，还应根据受力分析结果，采用加大断面尺寸、减缓边坡等方式进行处理。此外对于边坡破坏严重的丁坝还应采用预制砼构件对边坡进行加糙、消能，减小下切水流对坡脚外侧河床的淘刷而引起上部坝体失稳破坏。

③对于河床淘刷严重，冲刷坑较大的丁坝，在对损毁部位进行修复时，还应在坡脚外加抛菱体以增强其稳定性或采用柔性材料或散抛块石进行护底处理。

四、坝头维修结构

丁坝坝头破坏的情况较为普遍，特别是丁坝坝头和勾头段长期受水流顶冲剧烈，头部易形成泡漩、乱水，坝头外侧易形成较大的冲刷坑引起坝体坍塌、失稳破坏。在进行坝头维修设计时，可考虑从以下几个方面进行坝头加固处理。

①增强坝头结构

在对损毁坝头进行维修时，首先应从维修设计上考虑增强坝头结构，以提高坝头抵御水流剧烈顶冲的能力。可采用加宽坝头、放缓坝头边坡、采用圆弧倒角减小对水流的扰动等措施进行处理的办法对坝头结构进行加固。

②扭王字块守护坝头

在山区河流中，丁坝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。因此可借鉴海港工程中防波堤护面结构中常用的扭王字块对坝头进行守护，以减小水流对坡面的破坏。坝头段坝心仍采用块石，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（图6）。扭王字块的高度为1.094m，单块重0.8t，砼的标号为C30。扭王字块的安放采用定点随机安放，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，扭王字块具有较强的咬合力，其预制、堆放、安装施工均为成熟工艺。该结构主要用在丁坝坝头20m长范围内的坝体护面。

③坝头河床护底

在复杂情况下，当坝头冲刷坑发育，靠近原有坝头一段的坝身坍塌较多，任其发展将影响设计功能时，必要时应根据水流的冲刷强度采用散抛石坝或采用强度更高的扭王制块对外侧河床进行护底或在坡脚加抛棱体增强其稳定性。

图6 落锅滩坝头扭王字块护面

五、结论

通过对长江上游整治建筑物水毁修复实例进行研究，得出了山区河流整治建筑物的维修对策：（1）钢筋混凝土现浇坝面和砼嵌卵石耐磨坝面，扭王字块坝体、坝头坡面及镇脚（护底）结构，钢丝石笼坝心结构的效果较好，可以在维修工程以及新建坝体的结构设计中推广使用。（2）对于坝头的维修可采用加宽坝头、放缓坝头边坡、采用圆弧倒角减小对水流的扰动等措施，还可以采用扭王字块对坝头进行守护，以减小水流对坡面的破坏。

[1]苏伟，王平义，喻涛，等.不同结构形式丁坝水毁过程分析[J].水运工程，2012，（4）:119-124.

[2]应强，焦志斌.丁坝水力学[M].北京：海洋出版社，2004.

[3]吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，1992.

（作者单位：河北农业大学）

河北省高等学校科学技术研究项目（Z2015158）