塔河整治软弱基础岸坡治理方案应用研究

2021-08-03马爱华

水利规划与设计 2021年7期

蔡峰，马爱华

(新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830049)

塔里木河是中国第一大内陆河，河水很不稳定，被称为“无疆的野马”，干流及支流中下游段多为粉细砂质河床，河床冲淤变化十分剧烈，河岸极不稳定。汛期洪水极易造成河岸坍塌、河堤决口，一遇较大洪水，灾情经常发生，给沿河两岸造成严重的损失，基础设施遭到破坏，大量优质农田被冲毁变成滩地，也导致大量水土流失和生态环境改变。过去对塔河的长期治理中，国家投入了大量的资金和人力物力，建设了大量河道整治堤防工程，但很多工程运行周期短，效果不十分理想，其中包括不少失败的教训[1]。

近年来，随着各种新材料新技术在江河治理、生态保护等各项工程实践中得到应用，各种新型堤防工程岸坡防护技术也在各河道整治工程中不断推广应用。在各种堤防护岸技术不断推出的情况下，针对几种常用的软基础防护措施方案进行研究分析，选择适合不同河流地质条件的稳定可靠、经济耐用、生态环保的岸坡治理设计方案，对流域河道整治及生态工程建设有着重要的现实意义[2]。

1 工程基本情况

阿克苏河是塔河主要支流，其径流量占塔河的73.2%，全长132km，其中106km长的中下游河段为砂质河床段，具有宽、浅、乱的特点。某堤防护岸工程即位于阿克苏河下游河段，距阿克苏河终点三河汇合口(阿克苏河、叶尔羌河、和田河在此汇合为塔河干流)约25km。该护岸工程顺坝全长1.5km，保护对象为某农场0.55万人口及3万亩耕地。

工程实施前，该段河道改道频繁，汛期洪水肆虐，淘刷河岸冲毁耕地，据统计仅1998年至2011年十四年间，右岸农场已被冲毁高质量棉田1.1万亩，直接经济损失2500万元。为了应对灾害，有关部门也采取一些临时工程防护措施，如杩杈梢石堤坝、人工沙袋护岸、临时沙土坝、丁坝等，这些临时工程经历洪水后往往千疮百孔，需要不断进行加固和维护，年年需要投入大量财力物力。

2 区域河道整治工程存在问题

塔河流域综合治理方案的干流堤岸工程建设已于2003年完成，经过多年运行已有大量毁坏需要重新建设。塔河流域中下游河床多为松散的粉细砂土结构，堤身岸坡由当地材料填筑而成，如采用混凝土面板、砌石等防护措施，会由于粉细砂基础的淘刷变形而破坏冲毁。过去的河道整治工程实践证明，很多刚性防护的堤岸工程在粉细砂土等软弱堤岸基础发生淘刷、液化、管涌、沉降时极易遭到破坏。在此类工程实例中，即使采用坡脚深挖换填及深层搅拌[9]等深基础防护措施，也最终以失败告终。相关失败案例说明，塔河流域中下游河床的粉细砂土基础上修建的刚性防护结构的护岸工程很容易冲毁，必须采用适应变形的柔性或刚柔结合的防护结构[3]。

软弱河床基础上永久性堤防护岸工程结构应具有适应变形能力强、抗冲刷、稳定耐久等特性，同时便于施工、修复加固且经济合理。目前有多种岸坡防护型式在流域治理中得到应用，不同型式的设计方案应根据工程特点和施工条件因地制宜地应用。

3 工程基本形式选择

堤防护岸工程坝线布置有丁坝、顺坝、丁顺结合等型式。游荡性河流治理永久性堤防工程应尽量采用顺应河势的顺坝布置，减少采用丁坝等改变河势的布置，避免加剧河流的摆动，减少对两岸的威胁和生态影响，达到长期稳定河道的目的[4]。

该流域河道整治工程堤身一般为土堤，其优势是就地取材、经济适用、便于施工，且适应变形。堤防工程的关键环节是堤身及基础的防护措施，护岸护坡结构型式一般有砌石、混凝土、土工织物混凝土、水泥土等，基础护脚部分防护型式应根据水流、岸坡基础条件和材料来源，经技术经济比较采取抛石、石笼、沉排、土工织物枕、模袋混凝土、混凝土块体、钢筋混凝土块体、混合型式等护脚型式[5]。

阿克苏河下游某堤防工程所在河段河床以粉细砂为主，岸坎少量粘性土互层，抗冲能力弱，汛期主流靠岸或者顶冲河床时，河岸下层细砂被冲刷后，便会导致河岸崩塌。在这种河床岸坡地质条件下，混凝土、浆砌石等刚性护坡在河道主流的淘刷作用下，坡脚基础下沉导致刚性护坡发生不均匀沉降变形破坏，进而导致整个岸坡堤防遭到破坏冲毁。因此，该工程的岸坡堤防首先考虑适应岸坡基础变形的柔性护坡型式，如：抛石、铅丝石笼和格宾石笼等型式[6]。

4 防护结构方案分析与应用

4.1 结构型式初选

在该堤防工程防护结构型式方面，不仅要减少基础被淘刷引起的变形破坏，同时需防止粉细砂堤身基础的液化、管涌问题，因此堤防结构必须考虑减小液化孔隙水压力和保证反滤排水的结构措施[12]。在该工程前期，通过对河床河岸淘刷、洪水资料、地质勘察、河流游荡性水砂淤积规律分析，以及现状类似堤防工程的现状调查，进行了大量研究论证，结合粉细沙河床工程经验，初步确定几种适合此类河流水文地质条件生态环保的粉细砂基础护坡设计方案[7]。初步确定的方案有以下几种：①抛石铅丝笼护岸；②格宾箱抛石方案[8]；③混凝土板格宾笼方案；④土工膜袋混凝土长管袋方案[10]；⑤格宾护垫方案。对各方案的特性和适应条件进行论证分析，将最终选择一种优化的较为适合的防护结构型式作为该工程实施方案。

4.2 防护方案特性分析

结合该工程的实际情况，对初步确定的五种软弱基础堤岸防护方案进行分析。

(1)抛石铅丝笼方案，如图1所示。

图1 抛石铅丝笼方案设计断面(单位:cm)

断面结构：自坡脚向河床铺设铅丝笼块石水平铺盖10m，下铺散梢、钢筋网和无纺布各一层，水平铺盖上部堆块石，紧贴土堤部位采用块石压梢结构。

特性：结构简单，施工技术要求不高，具有比较好的适应性，适于在河道主流贴岸的部位施工。护坡在洪水期变形大，每年汛期需组织人力进行抛石维护，必须准备足够的备用块石，并配备专门人力组织守护，块石随沉随抛，直到下沉稳定为止。其投资方式实际上是“一次修建，分年度投入”，后期投入以及管理维护工作量较大，每年抛石量很难准确预估。

(2)格宾箱抛石方案，如图2所示。

图2 格宾箱抛石方案设计断面(单位:cm)

断面结构：自坡脚向河床铺设块石格宾箱水平铺盖18m，下铺无纺布，铺设多层块石格宾箱达到堤顶，在水平铺盖上靠堤脚处堆放抛石，以使坡脚铺盖在被冲刷下沉后，能够自动坍落保护坡脚。

特性：该方案采用格宾网箱将块石组成柔性的整体，抗冲能力强，促淤保堤，护岸效果较好，施工工序相对简单，建成后的维护费用一般。由于块石格宾箱块石和抛石体积用量很大，一次性投资较大。

(3)混凝土板格宾笼方案，如图3所示。

图3 混凝土板格宾笼方案设计断面(单位:cm)

断面结构：堤身迎水面(1∶2.5)采用现浇混凝土衬砌(厚10～15cm)，坡脚底部设混凝土齿墙，块石格宾箱水平铺盖护脚(宽15m，厚80cm)。混凝土板水面以下设排水孔，混凝土板以及块石格宾箱下设60cm级配砂砾石垫层。

特性：该方案外观较为美观，但护坡适应变形能力较差，排水能力受限。在坡脚设置格宾箱块石护脚保护根部不被淘刷，但当堤身的软弱基础发生液化、管涌及沉降变形时将导致混凝土板损坏。且齿墙施工一般在地下水位以下需排水作业，工序复杂，投入较高。

(4)土工模袋混凝土长管袋方案，如图4所示。

图4 土工膜袋混凝土长管袋方案设计断面(单位:cm)

断面结构：迎水面(1∶3.0)采用20cm厚土工模袋混凝土护坡，下设置30cm厚砂砾石垫层；护脚采用土工长管袋铺盖(宽20m，厚30cm)，上层增加块石宾格箱压重加固(宽10m，厚50cm)，垫层及坡脚铺盖下设无纺布。

特性：浇筑时柔性大适应变形，结构稳定，能够保护岸坡堤脚不受水流的淘刷，是一种较新土工材料技术的应用，但该结构在水位骤降时堤身孔隙水排出受阻，对粉细砂堤身抗液化安全不利。该方案相比混凝土板可以水下施工，进度快，但施工中需有专门施工设备，对人员的技术要求较高。

(5)格宾护垫方案，如图5所示。

图5 格宾护垫方案设计断面(单位:cm)

断面结构：护坡护脚均采用格宾护垫；坡脚处可加设一层宾格护垫，格宾护垫下设无纺布，不设垫层。

特性：适应变形能力强，结构稳定可靠，整体性好，能够维护岸坡堤脚不受水流的淘刷，反滤排水性能好，可降低堤身基础孔隙水压力，减少液化破坏的可能性，施工质量易控制。格宾护垫较石笼箱体积小，块石用量减少，投资小，后期维护成本低。

4.3 结构方案比选应用

4.3.1方案比较

对各初选方案从性能、施工、投资、运行等方面进行比较，选择适合当地综合条件的最优设计方案，对工程的实施和运行至关重要。

各防护结构型式方案比较见表1。

比较各方案的优缺点：抛石铅丝笼方案在塔河有着较多使用经验，但该方案块石用量大、投入较高，后期需不断投入，维护成本高；格宾箱抛石方案块石用量大，投资较大；混凝土板+格宾笼方案虽外观较为美观，但适应变形能力差，基础沉降变形易导致混凝土板整体损坏；土工膜袋长管袋方案适应变形和抗冲刷能力较好，但排水抗液化性一般，且施工需要专业设备人员，技术要求较高；格宾护垫方案整体稳定性好，抗冲刷、适应变形能力强，抗液化排水性好，易施工，运行周期长维护成本低，石材用量减少投资相对较低。

4.3.2方案确定与应用效果

该堤防护岸工程经比较选取采用了格宾护垫方案，该方案使用格宾这种镀锌防腐网格材料将散乱的块石装填组成柔性护垫，铺设在堤防岸坡、坡脚等易受水流淘刷破坏的部位，它结合了格宾的耐久性和雷诺护垫的适应变形及经济性[11]，在塔河整治项目中是一种较新的优化结构方案。该结构方案在此堤防护岸工程建成运行中发挥了突出的保堤护岸的防护效果，该工程建成运行以来已经历了5个洪水期(包括超设计频率洪水)，一直平稳安全运行，未出现一处毁坏及维修现象，取得了很好的治理效果。