抛石固岸在赛里木湖生态环境保护工程中的应用

王凯博，高保玲，卓 磊

（1.博州水利水电勘测设计院，新疆 博乐 833400；2.博尔塔拉河流域管理处，新疆 博乐 833400）

1 项目概况

赛里木湖古称“净海”，位于新疆博尔塔拉州博乐市境内北天山山脉中，紧邻伊犁州霍城县，是新疆海拔最高、面积最大、风光秀丽的高山湖泊，又是大西洋暖湿气流最后眷顾的地方，因此又有“大西洋最后一滴眼泪”的说法。湖面海拔2071 m，东西长30 km，南北宽25 km，面积453 km2，蓄水量达210亿m3，湖水清澈透底，透明度达12 m。

2 固岸工程必要性

赛里木湖是博尔塔拉—伊犁区域重要的水源涵养地，对博尔塔拉—伊犁区域的气候、环境起着重要的调节作用，赛里木湖的降水量直接决定周边区域的农牧业经济生产的丰欠，该区域的生态环境一旦遭到破坏，将对区域内经济社会的可持续发展带来显著影响，更潜在地影响着北疆地区乃至整个新疆大气环流的变化。近年来，赛里木湖流域生态环境呈现不断退化趋势，实施赛里木湖生态保护工程刻不容缓。一是从保护湿地生态安全出发，实施赛里木湖生态固岸工程十分必要。赛里木湖是重要的水源涵养地，湖畔草原是艾比湖流域生态的重要组成部分，对整个北疆地区的气候起着重要的调节作用，当前，环湖岸坎多处坍塌，坎上植被成片塌落在湖滩上，造成濒湖湿地的生态环境严重破坏，对全湖景观造成严重影响。只有对坍塌岸坎进行固岸治理，才能有效遏制赛里木湖岸线区域草场减少进而沙化退化，保持全湖生态安全；二是从保护生物多样性出发，实施赛里木湖固岸对草地植被恢复十分必要。赛里木湖湿地气候类型多样，野生动植物物种资源十分丰富，是许多重点保护野生动物（如天鹅、猛禽）栖息、繁殖或南北迁徙之地，具有很强的科学研究价值。实施赛里木湖生态固岸工程有利于恢复赛里木湖湿地功能，对于保护生物多样性具有非常重要的特殊意义。

3 固岸方案

赛里木湖湖岸的地层岩性较为单一，主要为粉砂层，岸坡由于粉砂层的凝聚力小，在无外力作用下都可自然塌方，形成坡积物，加之湖水的风浪冲击以及冰块冲击、冰拔导致侵蚀力度加快。湖岸岸底地基岩层主要是粉砂层，处在地下水潜水位以下，潜水位标高与湖水标高一致，湖积堤一带碎石层工程地质条件较差，强透水性，地基土碎石承载力容许值200 kPa，粉土层地基承载力容许值为130 kPa。无凝聚力，遇地震容易形成液化现象。

根据观测，湖水风浪爬高在1～4 m 不等，冰体冲高在1～3 m不等。

考虑就地取材及尽量不在景区采用混凝土等人为痕迹较为明显的处理方式，由于冬季冰爬及春季冰推破坏护岸，湖东岸岸线较长，植被较南岸稀少，游客较少，且岸坎遭受波浪及冰推破坏，坍塌严重，岸坎高度高，最高可达13.7 m，故湖东岸采用抛石固岸方案。

4 固岸工程规划设计

4.1 固岸工程安全超高计算

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）表2.2.1的规定取得安全加高值，再加风壅水面高度与波浪爬高计算得固岸工程的超高值。

4.1.1 设计风速

根据规范要求，设计风速取多年平均最大风速的1.5 倍，赛里木湖多年平均最大风速为17.4 m/s，则设计风速为26.1 m/s。

4.1.2 波浪要素的计算

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），采用莆田公式计算。

4.1.3 平均波浪爬高Rm的计算

在风的直接作用下，来波为正向的不规则波，在护坡为1.5≤m≤5的单坡的爬高按下式计算：

式中：Rm为平均波浪爬高，m；KΔ为斜坡的糙率及渗透性系数；KV为经验系数；Kp 为爬高累积频率换算系数，对允许越浪的堤防，爬高累积频率宜取13%；为平均波高，m；L为平均波长，m；m为斜坡坡度。

波浪爬高计算表见表1。

固岸工程位置湖东岸月亮湾至北门坍塌区斜坡坡度m经验系数kv风区长度F/m水域平均水深d/m堤前平均波高Hv/m平均波周期T 3.5 4.0斜坡糙率及渗透系数kΔ 0.55 0.55 1.02 1.02爬高累积频率换算系数1.54 1.54 18 900 18 900 46.4 46.4 1.5 1.5堤前波长L/m 45.97 45.97波浪爬高Rp/m 1.97 1.73 5.43 5.43计算风速v/（m/s）26.1 26.1

4.1.4 风壅高度e的计算

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）公式C.2.1计算：

式中：K 为综合摩阻系数，计算时一般取3.6×10-6；V为水面以上10.0 m 处的风速，m/s；d 为水域的平均水深，m；F为风向长度，m；β为风向与堤轴线的法线所成的交角。

风壅高度计算表见有2。

治理段桩号湖东岸月亮湾至北门坍塌区综合摩阻系数K设计风速V/（m/s）距离F/m水域平均水深d/m夹角β/（°）风壅高度e/m 0.0 000 036 26.1 18 900.0 46.4 0 0.05

4.1.5 安全加高

根据工程规模，按照《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），本工程为5 级堤防工程，堤防安全加高值取为0.3 m。

4.1.6 固岸工程超高计算

为了防止风浪等因素冲刷湖岸，造成湖岸坍塌，在湖水水位上加上安全超高、风浪爬高及风雍高度，最终确定固岸工程堤顶高程。堤顶高程按照《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）公式7.3.1计算如下：

式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m，可按附录C计算确定；e为设计风壅水面高度，m，可按附录C 计算确定；A 为安全加高，m，按本规范表3.2.1确定为0.3 m。

固岸工程超高计算表见表3。

固岸工程位置湖东岸月亮湾至北门坍塌区波浪爬高Rp/m 1.97安全加高A/m 0.3设计风壅增高e/m 0.05堤顶超高/m 2.32 1.73 0.3 0.05 2.09

根据堤顶超高计算，超高值为2.09～2.32 m，并考虑冬季爬冰影响，取3 m。

根据湖岸坎实测资料，岸坎高度大于3 m时，抛石高度按照水面以上3 m 确定，岸坎高度小于3 m时，抛石高度与实际岸坎高度保持齐平。

4.2 抛石粒径计算

根据《堤防工程手册》，抛石大小的稳定性与抛石部位和水流条件有关。

4.2.1 用冲刷基本公式计算抛石粒径

顺水流时计算抗冲抛石大小公式：

式中：D为抛石直径，m；v为垂线平均流速，取为2.5 m/s；s为抛石比重，为2.78 t/m3；h为抛石处水深，0.5 m；θ为边坡坡角。

D=（v/0.75（g（s-1）（cosθ））1/2）3/h1/2

=（2.5/0.75（9.8（2.78-1）cos14.2°））1/2）3/0.51/2

=0.41 m

4.2.2 用斯蒂芬森公式计算抛石粒径

该公式按照坡面任意流向的水流分析抛石的抗滑稳定性的。

（1）当水平向流动，抛石粒径为：

式中：ψ为摩擦角。

D=0.25×2.52/[9.8×（2.78-1）cos14.2°（tan237°-tan214.2°）0.5]=0.13 m

（2）沿坡面向下流动，抛石粒径为：

以上计算结果均较冲刷公式计算结果小。

4.2.3 波浪冲击下抛石粒径计算

抛石护坡在波浪往返循环冲击下，抛石层内也产生往返瞬变渗流场，波浪爬高再回到波谷时渗流溢出是其破坏条件，在静水面以下1/3 波浪高度范围内的坡面将是浪击集中破坏区。

当最危险的浪击诱发渗流水平流出时，控制下滑稳定性的单个抛石粒径计算公式为：

式中：H 为波浪高度，为1.73 m；θ 为边坡坡角，为14.2°；S为块石比重，为2.78 t/m3；ψ为摩擦角，为37°。

D=0.12 × 1.73（1 + tan14.2° tan37°）/[（2.78-1）（tan14.2°-tan37°）]=0.45 m

4.2.4 用帕特兰公式计算抛石粒径

帕特兰公式：

式中:Q50为抛石层中块石的平均重量，kN；H为波浪高度，为1.73 m；L为波浪长度，45.97 m；m为坝坡坡率（m=3.5、4时）；a，b均为经验系数，与坝坡坡度有关，分别查表得a1=0.232，b1=0.8 125；a2=0.265，b2=0.875；

代入公式可知，Q50=（0.55、0.75）kN。

抛石层块石平均粒径D50为：

可得D50=（0.42、0.38）m

综合以上4 种计算方式，计算得抛石粒径最小为0.18 m，最大为0.45 m。

4.2.5 冬季冻冰时抛石粒径计算

当冰块撞击抛石固岸工程时，冰块的运行方向大致垂直于建筑物的正面时（冰的运行方向与建筑物证明之间的夹角80°～90°），动冰压力值Pbd，可按下式计算:

式中：Vb为冰块的流动速速，m/s，对于河流和有流动水流的湖泊，等于水流流速，实测水流最大流速为0.6 m/s；Ab为冰块面积，m2，根据实际观测资料或参考类似工程资料采用；hb为计算冰厚，1.2 m；Kb为与流冰的极限抗碎强度Rb值有关的系数，查表得2.9。

迎水面单个抛石的抗滑稳定系数为:

式中：W 为单个抛石重量，t；f 为单个抛石与垫层的摩擦系数，查表为0.45（砌石沿湿砂面）。

通过试算，当迎水面抛石粒径为1.13 m 时，抗滑稳定系数为：

Kc=f W/Pbd

=0.45[3.142×（1.13/2）2×2.78]/[2.9×0.6×1.2×(1.13×0.3)0.5]

=1.03

所以迎水面采用抛石粒径1.2 m，可满足抗滑稳定系数不小于1.0的规范要求。

4.3 抛石固岸工程试验段观测数据

根据理论分析及计算结果进行抛石固岸，为检验抛石固岸效果并为后期大规模实施提供实践经验，确保决策科学，赛里木湖于2014 年在湖东岸实施近300 m 长抛石固岸试验，该试验段迎水面采用粒径1.2 m 抛石，宽度6 m。经过一年的运行，经历风浪及冬季冰推和春季融冰冰拔的考验。博州水利水电勘测设计院对该抛石段冬季选取的3个观测点进行检查，结果表明：抛石固岸工程运行一年后平面位移仅为0.008～0.05 cm，位移极小。试验段治理效果见图1。

图1 试验段治理效果

4.4 推荐抛石粒径及结构型式

根据规范大石块尺寸应大于石块平均粒径的1.5 倍，根据计算出的最大块石粒径值0.45 m，可取为0.7 m，但该粒径不能满足抗冰抗滑稳定要求，结合赛里木湖实际300 m 试验段数据设计采用粒径1.2 m。结构型式为当岸坎高度大于1.0 m 时，治理宽度8 m，迎湖水面抛石粒径≥1.2 m，其余抛石粒径0.5～0.8 m（见图2）。当岸坎高度介于0.5～1 m 之间时，治理宽度6 m，迎湖水面抛石粒径≥1 m，其余抛石粒径0.3～0.8 m（见图3）。其物理力学指标为石质坚硬，遇水不易破碎或水解，石材不允许使用薄片形状、风化的块石，石材强度等级≥MU30，软化系数Kd≥0.75，密度不小于2.65 t/m3。

图2 坎高大于1 m抛石固岸横断面图

图3 坎高1 m以下抛石固岸横断面图

5 结语

自2015 年大规模实施抛石固岸环境保护工程以来，通过近4年的运行观测，赛里木湖湖岸采用抛石固岸达到了遏制风浪及冰推和冰拔对岸坎的侵蚀的目的，从观测检查数据来看平面位移为0.008～0.05 cm，位移极小。结果表明:设计所用的抛石固岸方案及选取的抛石粒径是合理的，且取得了意外的景观效果，即在初冬季节由于在风浪和气温降低的双重作用下在抛石固岸区域形成了“卷帘珠”（倒挂的冰凌）及春季融冰后固岸区域推冰在阳光照射下形成“蓝冰”等奇异的冰雪景观。