下溪山堰坝卵石面层损坏机理分析与加固技术研究

杨华泉，陈晓东

(1.安徽建筑大学 研究生院，安徽 合肥 230601；2.浙江水利水电学院 水利与海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

浙江地区的堰坝作为重要的水利工程设施，不仅能解决人畜饮水、农田灌溉的问题，还具有改善水环境、提升水景观的功能，消除了水患。通过调查得知，浙江存在着大小堰坝上千座，而在实际施工过程中，受到现场施工环境、施工工艺等因素的影响，堰坝的质量无法得到保证，容易产生各种问题，如渗漏、开裂、损坏及护面脱落等[1]。下溪山堰坝是江山市碗窑灌区重要的水利工程，也是重要的蓄水工程，能大大提高灌区的节水功能，为农民增收致富和改善农业生态环境提供有力保障[2]。

由于受到当地施工条件、环境的限制，对于堰坝的施工处理不够规范，导致下溪山堰坝鹅卵石护面逐渐损坏。在水流长年累月的冲刷下，堰坝鹅卵石面层脱落的面积增大，最终可能会危及堰坝的主体结构[3]。因此，根据现场的勘察，对下溪山堰坝鹅卵石护面损坏的机理进行分析，并针对其原因提出高强抗冲混凝土材料、钢筋混凝土网格镶嵌卵石加固修复等措施进行初步探讨与研究。

1 下溪山堰坝概况

下溪山堰坝位于江山市石门镇下溪沿村附近的石门溪干流河道内，灌溉溪底、延岭、泉塘等村占地约133.33 hm2耕地。该堰坝原为砌石坝，受技术及投资的影响，设计标准较低，基础埋深浅，冲刷渗漏严重，于2014年被洪水冲毁，2016年进行了重建。根据地形测量及堰坝总体布置，堰坝轴线长47.89 m，堰坝高2.26 m，重建坝体结构主体形式采用C 20混凝土灌砌石，堰顶高程157.26 m，堰坝坝体采用曲线型台阶式，台阶高宽比1:3，表面铺设鹅卵石护面。下游设置7 m×50 cm(长×厚)的C 25混凝土护底，堰坝两侧设置C 25混凝土挡墙，堰坝上游10 m、下游20 m范围内采用干砌石护坡，堰坝基础开挖至基岩，基础坐落在基岩上。下溪山堰坝位于江山港中下游两岸河谷盆地和丘陵地区，地理纬度较低，属于亚热带季风气候区，以温暖湿润、四季分明、雨量充沛为主要气候特征，主要灾害天气有低温、寒流、梅雨和台风。该地区多年平均降水量1 773 mm,汛期洪水常发在5—7月，最大洪峰流量为4 900 m3/s，平均流速为6.64 m/s。

2 破坏现状

堰坝主体结构材料采用混凝土灌砌块石，表层采用水泥浆砌鹅卵石，堰坝主要的损坏形式是堰坝表层鹅卵石部分面积脱落，卵石之间的水泥浆被水冲刷严重，包裹在鹅卵石层的土石块已裸露出来，坝面的卵石经常以滚动或滑动的方式脱离原来的位置。经过水流的冲刷以及渗透的作用，卵石表层无法保护混凝土灌砌块石的主体结构。堰坝的破坏一般都是从坝面开始逐层损坏，最终危及堰坝的主体结构安全[3]。经测量计算，堰坝表面破坏面积为41.57 m2，堰坝表层破坏率约为31%，堰坝的破坏现状见图1。

图1 鹅卵石面层局部现状

3 下溪山堰坝卵石面层损坏机理分析

3.1 流量快冲刷力大

下溪山堰坝属于江山市钱塘江水系，钱塘江水系流域面积占全市总面积的91.3%，江山港为钱塘江上游的一级支流，全长134 km，其中江山境内105 km。该水系具有源短流急、降水年际年内分配不均、洪枯变化大的特点。在每年汛期洪水高发时段5—7月，洪水流量较大，坝上水位较高，河流内的水流流速较快，平均流速达到6～8 m/s。因此，在较大流速水流的冲刷下，黏聚在鹅卵石之间缝隙中的水泥砂浆就被水流挟带冲走，使得坝面铺设的鹅卵石脱落。

3.2 卵石混凝土层黏合力小

由于卵石表面十分光滑，混凝土对卵石的握裹力取决于铺卵石的方式。卵石镶嵌进混凝土表面有两种方式，即平铺与立铺。由于下溪山堰坝的水流量较大，因此，堰坝表面需立铺卵石与混凝土结合，且水泥比例要大，鹅卵石在混凝土中埋置要较深，保证结合更牢固，才能避免卵石被洪水冲走[4]。堰坝表层采用现浇C 20混凝土，黏聚性较低，强度较低，抗渗透性和抗冻性等耐久性能比较差。该地区年平均降水量较大，最低气温可降至-11.2 ℃，汛期和低温的天气会对强度较低的现浇混凝土产生损坏[1]。同时，铺设在坝面的鹅卵石形态不一，表面光滑，因此采用黏聚性较低的混凝土无法粘牢，导致堰坝表层在水流的渗透和冲刷力的作用下脱落损坏。

3.3 漂浮重物撞击

山溪性河流河水暴涨暴落，石块、泥沙和树木等杂物撞击堰坝，造成损坏；洪水汛期，在上游冲落的漂浮物的撞击以及水流的作用下，坝面的鹅卵石与大块固体的颗粒产生相互碰撞摩擦，使得坝面的石块出现松动而脱落[5]。在水流推移力和撞击力的作用下，粘在堰坝护面的鹅卵石便以滑动、滚动等运动形式脱落并流到下游[5]。

3.4 高速水流对水泥砂浆的掏蚀作用

在堰坝面层铺设鹅卵石护面时，鹅卵石间是有缝隙的，具有透水性。在汛期堰坝的上下游的水压力差作用下，灌砌整个石堰坝的卵石间缝隙都会成为水流的渗透路径[3]。在可控范围的渗流量下，堰坝的面层不会发生溶虑破坏，但洪水时期，河道水位上涨，堰坝的渗流增大，在水流的渗透和冲刷作用下，卵石间的渗透路径增大，会把鹅卵石间嵌缝的水泥浆冲走，影响了鹅卵石间的黏合，因此，流土的冲刷会对堰坝的面层甚至结构发生溶虑破坏，进而引起溃坝事故[6]。在水流的冲刷下，当鹅卵石之间的水泥浆嵌缝被冲掉时，无法对鹅卵石面层形成有效的填充作用，在水流动量较大的河流中，水流挟带冲走的水泥砂也明显增多。当坝面某一处出现卵石松动脱落，可能会导致整个坝面的鹅卵石表层全部损毁。其中，鹅卵石面层的水泥浆嵌缝见图2；高速水流对水泥砂浆的淘蚀作用见图3。

图2 鹅卵石面层的水泥浆嵌缝

图3 高速水流对鹅卵石面层的水泥砂浆的淘蚀作用

4 下溪山堰坝卵石面层加固措施

4.1 提高堰坝鹅卵石面层的施工材料性能

在汛期，河道的水流量较大，为了提高堰坝的鹅卵石面层的抗冲能力，防其脱落，可以通过提高堰坝鹅卵石面层的施工材料性能。在河道中，不仅有水流的冲刷作用，还有大块漂浮物撞击的影响。为了避免堰坝的冲磨破坏，并增加堰坝鹅卵石面层的黏合力，可以采用高强抗冲混凝土铺设鹅卵石。在高强抗冲混凝土铺设施工中，除需要提高混凝土高标号外，还需要在混凝土中加入钢纤维、防渗材料及其他的添加剂等抗冲材料[4]，提高混凝土间的抗冲能力、防渗能力和耐磨性能。

4.2 增大鹅卵石镶嵌面积

图4为坝面嵌入卵石剖面示意图。由于鹅卵石的硬度和抗冲能力比混凝土都要强，因此采用鹅卵石贴面不仅能保护主体结构，还能让堰坝更加美观，贴合附近的环境。但是上述损毁原因是由于在水流动力和渗流下，混凝土无法粘牢鹅卵石。钢筋混凝土网格镶嵌鹅卵石是在堰坝的表层先浇筑钢筋混凝土网格，将主体结构牢牢罩住，再在网格中镶嵌鹅卵石，这种施工工艺能将原大面积铺设卵石层分成若干小面积网格，增加坝体的整体性，能更好裹住鹅卵石，增加卵石间的黏合力，使得卵石与坝面更紧密地贴合，防止其脱落，从而避免坝面鹅卵石大面积脱落损坏[7]。同时在原设计中，鹅卵石在混凝土中的埋深较浅，黏合面积较小，因此,鹅卵石与坝面混凝土的黏合力较小，由于鹅卵石表面较光滑，为了增大混凝土与鹅卵石间的黏合力，可以通过增大混凝土与鹅卵石面层的镶嵌面积，因此在铺设鹅卵石时，应适当增加镶嵌的埋深[8]。

图4 坝面嵌入卵石剖面示意图

4.3 提升卵石与坝体黏合度

在加固施工中需先将原损坏的坝面铲除，然后在坝体结构上浇筑钢筋混凝土网格(见图5)，再通过现浇C 25混凝土压顶并嵌入直径为10 cm左右的鹅卵石。考虑到江山市石门溪属于钱塘江水系，水流流速较大，为了增大后期加固的混凝土与原坝体的整体性，在施工过程中，可以通过在坝中插入0.5 m×0.5 m间距的钢筋，使得加固的混凝土镶嵌的卵石与坝体黏合更好，形成一个整体[4]。

图5 钢筋混凝土网格镶嵌卵石平面示意图

对于上述措施，高强抗冲混凝土材料加固技术虽具有较强的耐磨性能和粘合性能，但是施工工程量大、设计标号高、水胶比小、外掺材料多，且施工受河道水位的影响很大；钢筋混凝土网格镶嵌卵石加固技术具有坚固耐用、整体美观、效益高、施工简便等优点，网格内不但能够满足水流冲刷的要求，而且能美化环境，改善生态环境[9]。经过对比分析表明，钢筋混凝土网格镶嵌卵石更符合本堰坝修复加固工程。采取增加鹅卵石镶嵌的埋深以及将整块坝面分块成若干块网格的施工方法，即使出现卵石护面脱落，也是在钢筋混凝土网格的范围内脱落，不会对整个堰坝的面层造成破坏，不仅不会造成鹅卵石面层大面积脱落，而且其施工工艺原理简单，经济效益高。钢筋混凝土网格镶嵌卵石的施工方法还可以对坝面起到抗冲防渗的作用。