土工袋护岸技术在塔里木河干流应用的适宜性分析

董宗炜，李晓庆

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

塔里木河干流(以下简称塔河干流)具有典型的游荡性、分叉性特征。其河床地表至20m深度主要由粉土、粉细砂构成，中值粒径d50在0.05～0.086mm范围，床质松软，抗冲能力差，水流对边界条件的改变较为敏感[1]。河流特性与床质特点致使塔河干流防汛险情频发，每年消耗大量财力物力，疲惫应付。2018年首次尝试了用土工织物缝制的大布袋装土制备成土工袋进行抢险加固的方式，后经过不断实践和改进，逐渐发展成土工袋护岸技术，并在2020年用于永久性工程，经洪水考验，其防护效果较好[1-2]。本文结合塔河干流的防洪抢险特点对土工袋护岸技术的适宜性进行综合分析，以明晰该技术的适用范围和技术特点，以期进一步改进与完善。

1 塔河干流防洪抢险技术研发和实践方向的确定

当前塔里木河流域综合治理二期工程已进入规划设计阶段，鉴于塔河干流与黄河下游在河流特性、床质特点上具有诸多相似性。因此，研究和借鉴黄河下游的防洪抢险经验和成熟抢险技术，并结合塔河干流的实际改造应用，提高适宜性，十分有必要。

1.1 两河河道特性及防洪出险相似性分析

塔里木河干流与黄河下游河性基本特征均是河道宽浅，河床冲淤变化频繁。河床宽浅，平面形态宽窄相间，洪枯水河槽宽度差异大，滩槽高差小，横比降大[3]。这一时空边界条件决定了河势多变，“横河”、“斜河”时常发生，形成股流顶冲，坝岸靠溜位置上提下挫，靠溜部位受到胁迫遂演化成河湾冲刷并快速发展，致使险情频发。因上游来流方向及消涨和局部滩岸冲淤变化，难以预测，出险往往具有突发性。

另外两条河河床均是由粉沙、粉细沙堆积而成，松散易动，易冲易淤，冲刷流速仅为1.0m/s，滩岸抗冲性差[4]。由于河床自然边界条件的多变，决定了淤滩刷槽和塌滩淤槽的不确定性以及两者的交互发生。另一方面，当人工边界条件与河流的造床作用不相适应时，更易造成河势突变，甚至巨变，导致坝岸出大险。以上这些特点对防汛抢险技术的时效性、灵活性都提出了较高的要求。

1.2 塔河干流防洪抢险工程的实际

从以上分析可以看出，塔里木河干流与黄河下游堤岸出险的基础条件(粉细沙河床、滩岸抗冲性差)和主要因素(河势多变、股流顶冲)是相一致的，因此，黄河下游防洪抢险技术和积累经验具有较高的借鉴价值。在此基础上，为避免生搬硬套，切实符合塔河干流防洪抢险工程的实际，研究团队还重点分析了塔河干流自身的特点以及与黄河下游情况的差异。

(1)塔河干流防洪抢险工程处于初级阶段。2001年之前塔河干流基本无永久性堤防工程，处于自然河岸状态。2001年之后为实现向塔里木河下游输水目的，陆续修建了近649km的干流输水堤，规范了河岸边界，但防洪基础设施依然薄弱，防洪抢险主要为应急行为，临时性工程。

(2)防护理念尚未统一，防汛抢险可行技术亟待形成。塔里木河作为具有特殊意义的生态河流，其防洪规划、堤防布置及结构形式还未形成明确一致的建设意见。相应的防汛抢险组织架构和工作制度也尚未形成体系化、系统化。当前阶段专业人员与施工水平均无法支撑复杂施工工艺。如柳石搂厢、长管袋沉排等技术的实施。

(3)塔河干流洪峰流量较黄河下游河段存在数量级上的差异，河湾最大冲刷深度相对较小，仅5～6m，在迎水面与输水堤形成临空面，总高度在10m范围左右，较黄河下游要小1～2倍，这一出险深度特征也使得修建防护工程时，基础深度实现一次到位成为可能。可以避免黄河上“固坝固根、不抢不固”抢险加固历程[3]，即经过多年的靠溜冲刷出险和抛投抢险过程，直至使防护物深度和坡度达到一定程度时才趋于稳定。

1.3 黄河防洪抢险技术发展予以塔河实践方向的启示

1.3.1黄河防洪抢险技术发展历程

黄河下游由护岸、丁坝、堤防构成的河道整治及防护工程已形成完整体系。其护岸结构的演化和革新大致分为2个阶段[5]：第1阶段，1985年前以优化和完善传统的柳石搂厢、散抛块石、铅丝笼填筑为主要实践内容。传统结构的局限性主要是修建时基础浅，必须经过抢险加固以及抢险频繁负担重、防守被动两个方面。第2阶段，1985—2005年期间，在黄河下游进行了一系列新结构坝的试验研究工作，综合比较，较为成熟的结构主要有以土工织物为主要材料结合各种压载物组成的沉排坝和以混凝土为主的混凝土透水桩坝两大类型。完善和优化施工工艺，尤其是水下施工工艺是实践中解决的关键问题。如长管袋沉排坝、褥垫式沉排坝、铰链式模袋混凝土沉排坝等结构，需要专业施工队伍实施，才能保障质量。第3阶段，2005年以来主要围绕高性能的土工织物开发和实践新型水中筑坝与堵口技术，如大土工包(土袋笼)抢险技术、大土工布及长管袋护岸技术、大土工布护底技术以及大土工布网袋水中进占技术。实践表明柔性的土工织物在防护粉细砂河床方面具有明显的优势。

1.3.2塔河干流防洪抢险技术实践方向

通过梳理总结黄河防洪抢险技术发展历程，并结合塔河干流当前的实际情况，其防洪抢险技术的研发及实践应聚焦于如下方面：

(1)现代防洪抢险技术应充分发挥大型机械在防汛抢险中的作用，显著提高效率，以满足防汛抢险时效性的要求，亦缓解抢险人力资源匮乏的窘态。

(2)注重新材料的应用及新结构的研发，尤其是土工织物，其具有隔断、反滤、柔性、包裹等优良的工程性能，在防汛抢险中的应用越来越广泛。

(3)充分应用当地物料是可持续发展和降低造价的必然选择。

(4)防洪抢险技术应操作简单，灵活可靠，应逐渐降低施工质量和防护成效对专业人员隐性知识的依赖程度。

依据以上的原则，结合塔河干流冲刷深度较黄河下游小的实际，重点以改造和优化大土工包(土袋笼)抢险技术为突破口，兼顾施工便捷性、技术先进性、经济合理性和防护成效显著性，最终确定以适当规模尺寸的土工袋形成防护技术为塔河干流防洪抢险技术实践方向。

2 土工袋护岸结构

通过持续的实践和不断的改进，土工袋护岸技术基本成型，具体结构如图1所示。主体结构包括护坡、护脚、护底和限位桩。护坡主要作用是隔离水流，防止水流对土质边坡的冲刷；对于无黏性粉细砂堤岸，亦有防止细颗粒被水流吸出的作用。护脚主要起两方面作用，一是护坡结构的支撑体，二是护底冲刷破坏至坡脚时，可起到一定的防护作用，亦为抢护提供时间缓冲。护底的作用是保护易动的河床质，避免大面积流失，其是护岸工程的主体防护结构，如失去防护作用，继而会延伸到护脚、护坡、乃至整个堤岸。限位桩主要目的是为了减少排体宽度。另外，当排体端部新的冲刷坑形成后，因限位桩的支撑作用使得端头的土工袋变形形式由坍塌转变为缓慢变形，并压住桩体，形成一个相对稳定的联合体。

图1 土工袋护岸结构示意图

3 土工袋护岸技术适宜性分析

无论是黄河下游，还是塔河干流，在粉细砂河床上实施防护工程都是具有相当困难的。实践证明抛石护岸和土工织物软排护底都是十分有效的措施，而土工袋护岸技术兼有两者的优点。

3.1 土工袋护岸与抛石护岸

抛石护岸，即抛投石料以保护河床或河岸免于淘刷的一种堆砌结构。抛石护岸的显著特点就是石料的散粒体结构，抛投后形成的堆砌结构是可变集合体，因此对适应粉细砂河床的大变形表现出极大的相容性。其显著的工程特性还有如下几个方面：①抛投施工简单，限制因素少，可实施人工与机械并举；②抢险加固便捷，一旦出险，继续抛投石料即可；③石料无环境污染，并且可构建新的河岸生态景观。

散粒体特征是抛石适应河床变形的根本，但是反过来，由于石料是单个个体，抛投过程中受水流作用存在一定的石料损失；同时抛石形成的局部性防护，虽暂时防止了周边河床质的流失，但受石料阻挡，周边流速反而加快，堆石体空隙形成的次生螺旋流将被保护的床沙吸出带走，继而导致抛石层的渐次崩塌流失及河床的下降，进入“不抢不固”的循环，此过程在粉细砂河床上表现异常明显。

而土工袋护岸技术亦是在此方面有一定的改善，土工袋装填后的尺寸为90cm×90cm×30cm，但依然是散粒体结构，与河床的大变形相适宜。一方面土工袋防护面积要比单体石料大许多，与河床的贴合度更好，土工袋袋体本身具有反滤作用，因此保护的河床面积大，效果好；另一方面其在粉细砂河床的沉降也相对缓慢。在黄河上发明的网罩护根技术和石笼工艺，也是要在保持可变性的基础上提高整体性。

3.2 土工袋护岸与土工织物护底软排

土工织物护底软排亦是在黄河下游防汛抢险中具有较高竞争力的一种新型丁坝防护结构。其是以土工织物为主要材料结合各种压载物组成的沉排坝，亦称之为护底沉排，即在丁坝坦坡前沿河床底部铺设一定长度和宽度的防冲反滤排体。首先在排体底部铺设防冲反滤布，为防止水流对反滤布的冲刷散失，在其上布设压载物并通过各种联系结为整体，如此对于排体下部的河床形成了一个较稳定的封闭层，使得坝体周边的床沙得到保护。同时护底沉排与护岸形成新的边界，并将水流冲蚀推导至排体外沿端部。另外，河床冲蚀刷深与排体下蛰内收交替发展，一方面将坝前冲刷坑外移到不影响或少影响坝体安全的外围区域，另一方面也限制了冲刷坑的深度和上溯发展，从而达到抑制丁坝因河床变形基础下蛰而出险[5]。

因压载物不同沉排坝有多种结构形式，这里就以长管袋沉排坝为例进行说明。与抛石护岸相对，沉排坝的突出特点是其整体性，在防护性能上表现优异，但同时也有些不利方面。如：①施工工艺复杂、技术含量高，如排布铺放、泥浆制造以及管袋充填；②排体与护坡直接相连，或插入土胎坝体内，当排体大变形时，受应力传导作用，根部防冲排布受力变形将直接影响到护坡或土胎坝体的稳定；③如局部出现破坏，维修加固相对困难。

和护底沉排相比，土工袋护岸技术继承了其与河床变形的良好适应性，但在整体性上又有所降低，并设置了专门的护脚结构，以支撑上部的护坡，护脚由排体来保护，若护脚结构也遭受到冲刷危害时，可采取抛投土工袋的方式进行护脚除险和加固。

3.3 3种护岸形式在塔河干流应用中的适宜性分析

一种护岸形式既要与河流特性、床质特点相匹配，又要紧密结合当地的实际情况，以下分别对3种护岸形式在塔河干流上的应用进行适宜性分析。

3.3.1抛石护岸的适宜性分析

抛石护岸(或格宾石笼护岸)在塔河干流应用时面临着如下问题：第一，塔河干流两岸沿线缺乏石料供给，至石料开采场的运距达200km，石料造价高达250元/m3；同样格宾网箱或雷诺护垫，省内也无生产厂家，须疆外调运，运费约占材料总价格的1/4左右。第二，备防石是应对出险点任意、出险时间突发而采取的防范措施，但是塔河有1321km长沿线，备防石点有限，出险后均会发生二次倒运，增加成本。第三，格宾石笼的施工机械化水平较低，网箱制作、装填石料、网箱封口基本上都是由人工完成，时效性差。同时塔河干流地广人稀，短时间内集合大量人工越来越难以实现。2015—2019年期间，塔河干流在5处险工段修建了格宾石笼护岸，单公里造价达1千万元左右，而另一方面这些工程在当年出险后再未靠溜。显然面对生态河流、自然河岸、地广人稀的现实，抛石护岸和格宾石笼护岸虽然具有良好的防护性能，但是否适宜在塔河干流上大规模推广应用还有待进一步的研究和论证。

3.3.2软体沉排的适宜性分析

20世纪90年代，在新疆的细沙河道曾使用过类似于黄河上的柳石搂厢进行堤岸坡脚的防护，后期受物料和施工工艺限制再无使用。对于塔河干流有关软体沉排的护岸型式一直没有进行过实践，分析大致有两个因素：一是塔河干流出险的规模与冲刷坑深度较黄河下游要小很多，若采用软体沉排，一方面受施工场地的限制，较难实施；另一方面造价会陡升，性价比低。二是缺少专业化的应急抢险队伍，无法保证软体沉排的施工质量。受此两因素限制，软体沉排在塔河干流上应用竞争力不强。

3.3.3土工袋护岸的适宜性分析

通过与抛石护岸和土工织物软排护底的对比分析，可以看出土工袋护岸技术既保留了抛石的散粒体便捷性，又继承了排体的整体性。近年来，依托新材料、新工艺，在黄河抢险上发明的大土工包、大铅丝笼网袋、土工大布护底等新技术也是聚焦在这个思路上[7-8]。2019—2020年，在阿克苏河下游段、塔里木河干流段进行了防洪堤的水毁修复项目，分别对抛石护岸方案、格宾笼护岸方案、土工膜袋混凝土长管袋方案、土工袋护岸方案进行了详细的经济技术比较，最终都推荐了土工袋(土工袋+宾格笼组合)方案[8-9]。通过对实际工程的追踪和主要参数的量测，土工袋护岸技术的适宜性主要体现在以下4个方面：①从防护性能上，对于粉细砂河床，土工袋护岸既实现了与变形河床的协调性，也保障了对易冲河床保护的整体性。②施工工艺简单，并充分利用的机械效能，1台推土机、1台挖掘机，配备撑袋子工2人，封口工1人，土工袋生产率大约1000个/台班(8小时)，方量约600m3，可满足对抢险时效性的要求。③土工袋袋体由工厂直接制作，储备体积小、运输便捷，对于小的险情或河湾的预前防护，灵活实用性更为显著，这也为险情的“抢早、抢小、抢住”创造了条件。④土工袋的袋体充填物为河床或河岸土料，就地取材，造价优势显著，在同等情况下，是格宾石笼护岸的1/3。

4 结语

土工袋护岸技术将散粒体与整体性统一在一起，在对粉细砂河床的防护性能上有所提高；同时就地取材，造价低廉、机械化水平高、灵活性强又适应了出险的突发性，提高了抢险的时效性，在塔河干流上应用具有较高的竞争性。当然作为一种新型的护岸型式，还存在有待研究和提升的方面，如用于护坡土工袋的耐久性问题，与生态护岸结合的问题[10]，以及利用废弃建筑垃圾等问题。