里运河南关坝坝体结构及施工工艺考证

刘建军，刘学应，杨卫锋

(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 建筑工程学院，浙江 杭州 310018；3.高邮市水利局，江苏 扬州 225600)

古堰坝有很多称呼﹐如堰、坝、捻、楔、埭、堤、陂等,其中人们称呼最多的是堰。古堰坝以灌溉农田为主,解决了农田旱灾,消除了水患,保证了粮食生产。在古代基础设施薄弱、科学不发达的情况下,堰坝对我国农村发展起到了重要作用[1]。根据筑造材料的不同，堰坝主要可以分为土坝、木坝、草木坝、灰坝、木笼填石坝等[2]。

清代初年，淮河水害日趋严重。为减少洪水对运河的冲击，在里运河运堤上建立减水闸、减水坝等水利设施。康熙十九年(1680年)，将原有的五里闸和车逻港闸改建为减水坝，并增建了南关旧大坝、柏家墩坝、八里铺坝、永平港坝等6座归海坝，奠定了近代归海坝的基础，这也深刻影响了高邮灌区的常态发展[3]。归海坝经过多次改建，起到了泄洪排水的功效，这就是历史上著名的“归海五坝”[4]。南关坝为“归海五坝”工艺中的典型代表。

1 南关坝概况

里运河南关坝建造于明永乐十二年(1414年)，坝体全长211 m，采用条石砌筑，条石之间用铁锭连接，石灰糯米汁灌缝。清康熙二十年(1681年)，对南关坝进行改建，将原土坝改建成三合土坝(熟土、砂石和石灰搅拌而成)，改建后的南关坝为滚水坝面，滚水坝设定了一定高度，在保证漕运通畅情况下，让多余的水尽早排出，以减轻运堤压力。

南关坝的主体结构为条石砌块,条石之间用石灰糯米汁灌缝(图1),铁锭连接。坝面设定了一定高度，坝底的流线型设计，可以引导漫水，降低水的阻力，避免造成坝体的冲刷破坏。条石下用3～8 m排列密集的杉木桩作基础,杉木桩周围采用三合土填充，整个坝体结构严谨,坚固耐用。

图1 南关坝坝体结构

2 坝体的地基处理分析

南关坝将原土坝改建成三合土坝[5]。原土石坝坝身不能溢流，黏性土料的填筑受水流等条件影响较大，坝身需定期维护。改建后的南关坝，基地采用杉木桩处理，杉木桩周围用三合土进行填充。

杉木桩地基处理时，先在下桩之处对砂土进行振动，孔隙水压力部分被释放出来，再夯击木桩；将杉木桩改为5根一组的梅花桩形式打桩，夯筑过程中有序振动，使残存孔隙水压力同时释放出来，防止地基塌陷而破坏桩基周围的三合土，保证地基的稳定性。

杉木桩作为地基的作用表现在两个方面：

(1) 对软弱土体的置换和挤压。杉木桩的桩距较密，打入硬土层，对软弱土体的置换和挤密作用较为明显。这种作用机理与碎石桩、CFG桩等对软土的置换和挤密的作用机理相似。加固土层的承载力特征值fspk为

fspk=3sv[1+m(n-1)]

(1)

式中：sv为桩间土的抗剪强度；m为面积置换率；n为桩土应力比，一般取2～4[6]。

由式(1)可知：当面积置换率为m=10%时，fspk可提高10%～30%，被加固的土层抗剪强度相应也提高10%～30%。

(2) 杉木桩自身的抗滑作用。南关坝中采用杉木桩为地基桩，选择5根一组的梅花桩形式打桩(图2)，打入硬土层的长度满足锚固长度。杉木桩周边为三合土，三合土能改善土体的摩擦角，增加抗剪强度，更重要的是使杉木桩形成一个整体，共同承担下滑力。

图2 杉木桩基础

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2017)，单个杉木桩竖向承载力特征值为

(2)

式中：Up为杉木桩的周长；n为桩氏范围内所划分的土层数；qsi为桩周第i层上的侧阻力,kPa；lpi为第i层土的厚度,m；ap为桩端阻力发挥系数；qp为桩端阻力特征值；Ap为桩的承载面积。

考虑杉木桩为摩擦型桩，由式(2)可知单个杉木桩竖向承载力为10.4 kPa，能够有效地保证坝体结构的稳定。杉木桩采用5根一组的梅花桩形式多排共同作用，更有利于受弯，有效提高了地基承载力。

3 坝面条石处理分析

3.1 条石的铺设

南关坝宽211 m，坝面采用长2～3 m、宽0.2～0.35 m巨大的条石砌筑铺设(图3)。先铺一层灰浆(第一层不用)，将灰浆抹平，铺上条石，用挽钐铁棒手撬动，使条石与条石相依平顺，再用大木椎敲击，进一步减少条石间缝隙[7]。若石缝间缝隙过大，或表面不整齐，用石灰糯米汁灌缝。

图3 条石砌块结构

条石砌筑体属于松散结构，抗扰动性能需要其他工程措施弥补。在不断的实践过程中，承袭明代五纵五横铺设的基本思路，将塘身条石丁(向)、顺(向)砌筑，参差压缝，使条石间相互牵制，在迎水面的丁、顺石间，钻凿箫筍，均用铁锭、铁锔相连，进一步提升了坝身整体稳定性。为防止灰浆被潮水吸出，条石层内用胶灰砌筑，又在临水侧砌石，四周缝隙间用桐油石灰杂以苧麻筋嵌挤结实。坝身砌石收分，改良明代每两层一收分(塘顶以下四层为一层一收分)为上下均一收分，由下而上收分逐渐减少形成变坡，以顺应潮势，减少潮浪对堰坝的冲击力。

3.2 铁锭扣连接

坝体均采用长约2～3 m、宽0.2～0.35 m、厚约0.31 m、重约350 kg的条石筑成，每两块条石之间用长0.16 m、宽0.11 m的“束腰生铁锭扣榫”(图4)相连锁定[8]，连接成一体，一般以两石的拼缝为中心线，按铁锭扣的大小划线凿槽打入连接。在铁锭与石材之间用白矾水或石灰浆填充，以此来加固坝体间的石块，以及山石之间的水平联系，增强整体性。南关坝坝面采用铁锭锁定，有效增强了抵御海潮的冲击能力。

图4 束腰生铁锭扣榫

改建后的南关坝坝底采用流线型(图5)，在湖面漫水时降低水的阻力，从而减小水流对坝体的冲刷破坏力。滚水坝面设定了一定高度，坝的建筑形状略成弧形，弓背向着迎水面，增加了坝的预应力。为保证跌水坡与坝基的安全，又在坝的跌水面修了一道缓冲槛，水经缓冲槛而缓速，减轻了对坝的冲击力。

图5 流线型坝面

4 结 语

通过对里运河南关坝实地探勘和文献阅读，从南关坝坝体结构的施工工艺视角出发，对南关坝的建造工艺有了一定的认识。南关坝地基采用杉木桩，木桩周围采用三合土填充，提高其地基承载力，保证了坝体地基的稳定性；坝面采用条石铺设，条石之间采用石灰糯米汁灌注，提高了坝身整体稳定性；南关坝条石间采用铁锭扣连接，用以加固条石之间的水平联系，增强了坝体间的整体性，用腰铁锁定，有效增强了抵御海潮冲击的能力；坝面型式为滚水坝，滚水坝设定了一定高度，坝的建筑形状略成弧形，弓背向着迎水面，增加了坝的预应力。