塔里木河河床稳定性分析及护岸工程设计施工

吾斯曼卡热·依马木

(新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎车 844700)

0 引言

2020年7月，我国南方众多地区出现洪灾，洪水规模甚至超过1998年时期，这就使河道治理工程再次成为国民关注的焦点。河道对于行洪、排涝、流域生态等均具有决定性作用，塔里木河作为南疆地区最为重要的一条河流，流域沿岸生态环境脆弱。随着“西部大开发战略”的不断深入，塔里木河的治理工程已经被提上日程。

1 河段概况

塔里木河为我国第一大内陆河，全长2137 km，由叶尔羌河、和田河、阿克苏河等汇流而成，由于来自冰山融水含沙量较大，且水量不稳定，被当地人称为“无缰的野马”，这也说明了塔里木河变化无常，大大增加了治理难度。本文所分析的阿拉尔段全长123.6 km，本次治理工程主要是针对第9建设兵团辖区的1.2 km河段的护岸冲刷、生态恢复等问题。

2 塔里木河阿拉尔段水沙特征及河床稳定性分析

2.1 塔里木河阿拉尔段水沙特征

本次分别在阿拉尔段上游和中游位置供选择了3处水文站资料作为依据，其中上游水位高程1000 m，中游水位高程1020 m。

统计数据数据从1989年～2019年共40 a，其年平均径流量和输沙量统计值具体见表1和图1。从数据和折线图走势分析可知：①塔里木河阿拉尔段年平均径流量基本在45亿m3左右，年平均输沙量在2300万t左右，且均集中在6月～9月份夏季汛期；②该河段年平均输沙量变化趋势与径流量变化趋势基本与一致；③该河段平均输沙量变化幅度比径流量变化幅度要明显大[1]。

表1 塔里木河阿拉尔段年径流量和输沙量统计值

图1 塔里木河阿拉尔段年径流量和输沙量统计曲线图

2.2 塔里木河阿拉尔段河床稳定性分析

从历史发展来看，塔里木河是典型的“游荡型河流”，尤其是中、下游地区。经实地调查：阿拉尔段存在多处河道弯曲、河床土质松散、泥沙沉积严重河段，有些河宽水浅处年淤积厚度可达10 cm，主河道过流能力不足理论量的20%。塔里木河的河床不稳定因素很大部分正是由河水含沙量高造成的，具体其稳定性计算如下[2]。

(1)纵向稳定性分析

在此分析塔里木河纵向稳定性引入“洛赫金系数φ”，计算公式见式(1)[3]，φ值越大，表示河床越稳定。其中阿拉尔段河床纵向稳定性计算结果见表2。

表2 塔里木河阿拉尔段河床稳定性计算

(1)

式中：d为床沙中径，取值0.25 mm～0.42 mm；J为河道比降，取值0.125%～0.139%。

(2)横向稳定性分析

分析塔里木河横向稳定性利用公式(2)计算[4]，ψ值越大，表示河床越稳定。其中阿拉尔段河床横向稳定性计算结果见表2。

(2)

式中：b为枯水河槽宽度，取值90.2 m～273.6 m；B为平滩河宽，取值390 m～460 m。

由表2数据可知：塔里木河阿拉尔段河床纵向和横向稳定性均很差，因此治理河道的基础就是先要稳定河床，降低河水含沙量。

3 塔里木河阿拉尔段护岸工程设计和施工

本项目涉及到的1.2 km河段治理工程为河漫滩地形，周围人烟较少，若采用常见的固土桩、现浇筑混凝土或预制混凝土护岸工程形式，有着工期长、造价高、效果不理想等缺点，因此结合其他工程经验，本项目采用“模袋混凝土护坡+充砂长管袋护底”的护岸工程形式[5]。

3.1 护岸工程设计要点分析

3.1.1 模袋混凝土护坡工程设计

模袋混凝土护坡形式具有整体性好、抗冲刷能力强、寿命长、综合造价低等优点，适合各种地形，其主要设计参数包括：模袋充填厚度、灌注料配合比、抗滑稳定性分析等。

①模袋充填厚度设计

模袋混凝土充填厚度d需考虑抗弯及抗浮性，由于该河段护岸平坦，因此主要满足抗浮性即可，理论计算公式见式(3)[6]。经估算确定本河段d≥0.25 m，再结合其他工程经验，最终确定d取0.3 m。

(3)

式中：C为面板系数，护面有滤点取值1.5，无滤点取值1.0；H为波浪高度，0.5 m～1.0 m；L为波浪长度，28 m～40 m；B为与水边线垂直的护面长度，6.0 m～8.0 m；a为坡角，取值20°；γw、γc为水、混凝土容重，分别取9.8 kN/m3、23.6 kN/m3。

②模袋灌注料配合比设计

常见的模袋灌注料包括：水泥砂浆和混凝土，其中混凝土适合护岸冲刷侵蚀严重情形，符合本项目要求。混凝土配比要进行试验对比，为保证充填工作的顺利，模袋灌注料对流动度要求较高。由于试验过程繁琐，在此不再详述，本项目最终设计的配合比为水泥：砂子∶石子=1∶2.5∶2.0，其中水泥规格PO32.5级，石子粒径5 mm～25 mm，坍落度23±2 cm[7]。

③模袋护坡抗滑稳定性分析

模袋护坡抗滑稳定性取决于模袋与边坡基础产生的摩擦力，抗滑稳定系数k的理论计算见式(4)，经计算k=1.88，大于规范要求值1.5，所以满足抗滑稳定性要求。

(4)

式中：L3、L2为模袋底部、斜面长度，分别取0.8 m、6.2 m；F为模袋与边坡基础摩擦系数，取0.6。

3.1.2 “充砂长管袋+格宾网石笼”护底工程设计

本项目的护底底层工程采用充砂长管袋平铺形式，结果简单，其中长管袋具体技术指标见表3，充砂长管饱满度80%即可。二层采用厚度0.5 m的格宾网石笼铺设，充填石料就地取材即可，每侧护底工程充砂长管袋均设计20 m宽，格宾石笼设计10 m宽，断面结构见图2。

表3 充砂长管袋技术指标

图2 护岸工程断面结构形式示意图

3.2 护岸工程施工要点分析

(1)模袋护坡施工要点

①模袋铺设施工时，首先顺着岸坡方向展开铺平。使模袋处于自然松弛状态，每5块为一组，利用“双线锁扣链形”进行缝接，要求针脚不大于10 mm，接口处最小张力不小于60 N。

②模袋固定时，将模袋长度的5%左右收缩余量安设在稳定槽以外，然后用钢管穿入模袋布留设的管套内，钢管由两个对称安设的松紧器进行调节，最后将固定钢钎打入基础固定，具体结构见图3。

③混凝土充填时，按照“先下后上、先两边后中间、先上游后下游”的原则施工。本项目要求充填速度控制在10 m3/h～15 m3/h，出口压力0.2 MPa。充填管插入模袋深度不小于30 cm并捆扎牢固，当模袋接近饱满时暂停充填10 min，待里面的水泡完全析出后再充填饱满。初凝前找平作业由工人穿胶鞋踩平。

图3 模袋固定结构示意图

(2)“充砂长管袋+格宾网石笼”护底施工要点

①首先需要对河床进行清淤和开挖作业，保证河床满足设计标准高程。本项目设计采用高压水泵冲击河底砂堆，泥沙淤积严重地段采用挖掘机开挖。

②检查河床没有尖锐石块后，将长管袋铺设在河床底层，扎紧袖口，之后利用泥沙泵往里充填稀释后的河砂。待充砂长管袋全部充填结束后，再开始铺设格宾网石笼。

4 结语

工程于2018年4月中旬开工，10月底竣工，共计6个月。塔里木河阿拉尔段地质条件松散，导致河水冲刷问题严重，也会造成河流改道现象频繁，采用“模袋护坡+充砂长管袋护底”工程，可有效固定河道，再结合加强上游生态环境管理，恢复植被，尽量减少水土流失以控制河水泥沙含量，把塔里木河流域打造成宜居、旅游热点是完全有可能的。