塔里木河河岸土工織物袋防護(hù)措施性能實(shí)例研究

申 俊

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

河岸侵蝕是塔里木河沿岸面臨的主要自然災(zāi)害之一。在過(guò)去的100年里，塔里木河呈現(xiàn)出河道擴(kuò)張的趨勢(shì)，當(dāng)河流進(jìn)入阿拉爾市到曲毛格金范圍時(shí)，坡度突然減小，大量沉積物沉積，導(dǎo)致河流橫向發(fā)展。隨著汛期開(kāi)始，河流的輸沙量增加，水深開(kāi)始發(fā)生變化，河床上的沉積物以砂壩和島嶼的形式出現(xiàn)[1]。前人對(duì)塔里木河阿拉爾到曲毛格金河段的河岸侵蝕進(jìn)行了研究，表明在1914—1975年間，兩岸都發(fā)生了顯著的侵蝕，而在1975—1998年間，河流經(jīng)歷了一個(gè)主要的沉積階段。嚴(yán)重的河岸侵蝕，導(dǎo)致每年大量肥沃土地流失。這種額外的沉積物導(dǎo)致了河道中部砂壩的形成、河岸侵蝕和加寬[2]。

隨著土工織物材料在建筑行業(yè)的日益普及，塔里木河上遭受侵蝕的河段河岸已經(jīng)應(yīng)用了土工織物袋、土工織物管等工程措施。使用放置在土工織物過(guò)濾層上的土工織物袋進(jìn)行護(hù)岸，修建適當(dāng)?shù)暮拥勒喂こ?，如填充有土工織物袋的鋼石籠以規(guī)則的間隔放置，增強(qiáng)沖刷保護(hù)措施的穩(wěn)定性[3-4]。但現(xiàn)有的文獻(xiàn)中很少有關(guān)于使用諸如土工織物袋的這些護(hù)岸措施的效果的研究[5]。本文采用簡(jiǎn)化鉆孔方法，以及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和分析確定了岸邊土的性質(zhì)，并預(yù)測(cè)護(hù)岸工程竣工后第一年、第三年因淤積而導(dǎo)致的砂壩形成情況，揭示了塔里木河河岸保護(hù)工程對(duì)河流誘發(fā)淤積和水流模式的影響。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域在地域上包括塔里木盆地、周邊向中心聚流的九大水系、114條源流和塔里木河干流、塔克拉瑪干大沙漠及東部荒漠區(qū)。流域總面積102萬(wàn)km2，流域內(nèi)有5個(gè)地(州)的42個(gè)縣(市)和兵團(tuán)4個(gè)師的55個(gè)團(tuán)場(chǎng)，全流域總?cè)丝?02萬(wàn)，流域內(nèi)現(xiàn)有耕地2044萬(wàn)畝。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、庫(kù)車河、喀什噶爾水系、葉爾羌河、和田河、克里雅河和車爾臣河。塔里木河是一個(gè)封閉的內(nèi)陸水循環(huán)和水平衡的相對(duì)獨(dú)立的水文區(qū)域，該河干流上段從阿拉爾到曲毛格金河段屬動(dòng)蕩型河道，河勢(shì)的變化非常頻繁且幅度較大，河流周圍地區(qū)一直存在洪水泛濫和河岸侵蝕等問(wèn)題，該河段護(hù)岸工程的長(zhǎng)度為650m，位于曲毛格金上游約12km處，見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)概況

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及相關(guān)試驗(yàn)研究

2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

近幾十年來(lái)塔里木河干流實(shí)施了一系列的護(hù)岸工程，本文選取塔里木河干流上游一段護(hù)岸工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，護(hù)岸具體工程技術(shù)細(xì)節(jié)見(jiàn)圖2、表1。

圖2 塔里木河護(hù)岸工程示意圖

表1 塔里木河干流護(hù)岸工程技術(shù)細(xì)節(jié)

2.2 相關(guān)試驗(yàn)研究

2.2.1 土壤樣品測(cè)試

在該保護(hù)工程附近對(duì)塔里木河河岸土壤的巖土特性進(jìn)行了取樣調(diào)查，包括深度直至地下水位的河岸土壤。由于侵蝕造成的破壞深度通常較淺，因此需要收集土壤分層的詳細(xì)信息，以便進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。沖洗鉆孔和螺旋鉆孔都是最常用的地下鉆孔方法，但它們會(huì)產(chǎn)生高度擾動(dòng)的土壤樣本，并且很難識(shí)別較薄的底土層。為了獲得更詳細(xì)的土壤分層數(shù)據(jù)，本次取樣采用一根長(zhǎng)2.5m、內(nèi)徑70mm、厚3mm的中空鍍鋅鐵管，通過(guò)人工將管子反復(fù)向上、向下移動(dòng)到土壤中，將鉆孔取下。每穿透30cm后，將管道從鉆孔中取出，并通過(guò)輕輕敲擊管道外部小心地將土壤從管道中取出。隨后收集土壤樣品，密封在有標(biāo)記的容器中，并運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。該方法可有效地用于采集地下水位以下深度的土壤樣品。利用現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切儀測(cè)量了不同深度岸坡土的抗剪強(qiáng)度。

將現(xiàn)場(chǎng)采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，以確定河岸土壤的巖土特性。剪切強(qiáng)度由在現(xiàn)場(chǎng)密度下制備的重塑樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)試確定。為了測(cè)定剪切強(qiáng)度，直接剪切試驗(yàn)在不排水條件下進(jìn)行。

2.2.2 野外測(cè)量

在防護(hù)工程竣工后的第1年，觀察到研究區(qū)域產(chǎn)生了新的淤積，形成砂壩。為了研究淤積產(chǎn)生的形式和程度以及砂壩的形成，進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查。這次的測(cè)量工作使用了電子經(jīng)緯儀，將勘測(cè)區(qū)域劃分為20m×9m×20m的網(wǎng)格，并確定了各網(wǎng)格點(diǎn)處高度，目的是繪制沙洲的等高線圖。

2.2.3 河岸土壤的特性

從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔獲得的鉆孔測(cè)井見(jiàn)圖3。它展示了深度為0.9m的表層粉砂土，超過(guò)該深度的土壤主要是黏質(zhì)砂。地下水位位于1.46m處。由于采用了簡(jiǎn)化的鉆孔方法，可以更詳細(xì)地獲得岸土的分層情況。由表2可以看出不同深度現(xiàn)場(chǎng)采集的并由實(shí)驗(yàn)室測(cè)試獲得的岸土巖土特性。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔獲得的鉆孔測(cè)井

表2 五種不同深度的河岸土壤的巖土特性

2.3 土工織物材料的性能和物理?xiàng)l件

2015年，在河岸的填筑場(chǎng)地發(fā)現(xiàn)了一些未使用過(guò)的土工織物袋，將其收集起來(lái)用于對(duì)比評(píng)估同一批土工織物袋在暴露于野外條件3年后的物理狀況。將土工織物材料在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)其單位面積的質(zhì)量、厚度、拉伸強(qiáng)度和穿刺強(qiáng)度。使用直徑為50mm的柱塞在CBR儀器中測(cè)試穿刺強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

檢測(cè)結(jié)果顯示，該河道防護(hù)工程中使用的土工織物材料為非織造材料，土工織物在暴露于野外條件下3年后，性質(zhì)沒(méi)有表現(xiàn)出嚴(yán)重惡化。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，在這項(xiàng)工程中使用的非織造土工織物袋材料，即使經(jīng)過(guò)3年的現(xiàn)場(chǎng)暴露，也沒(méi)有顯示出物理退化的跡象，其強(qiáng)度僅下降15%

表3 土工織物袋材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

3 防護(hù)措施對(duì)河道淤積和水流偏轉(zhuǎn)的影響

3.1 河道淤積

在阿拉爾到曲毛格金河段使用土工織物袋作為河道護(hù)岸。本節(jié)研究了護(hù)岸工程引起的河岸附近河流流態(tài)的變化以及由此產(chǎn)生的淤積情況。

由于在河床中安裝了下水護(hù)坦，河岸附近的流速降低，泥沙開(kāi)始沉積。隨著泥沙淤積量的增加，河流的主流流向逐漸偏離河岸，淤積面積逐漸擴(kuò)大。洪水過(guò)后，隨著水位的下降，淤泥沉積最多的地區(qū)首先出現(xiàn)在河流水面上的砂壩上。河水繼續(xù)在這些小砂壩周圍流動(dòng)。隨著水進(jìn)一步退去，水面上出現(xiàn)了下一層淤泥沉積區(qū)。隨著河水水位繼續(xù)下降，更多的泥沙淤積區(qū)出現(xiàn)了。因此，河流中砂壩的不同基準(zhǔn)面高度代表了它們相對(duì)于時(shí)間形成的不同階段。淤積導(dǎo)致砂壩形成的剖面圖可以間接用于估計(jì)護(hù)岸工程竣工后河流流態(tài)的變化。

為了估計(jì)漸進(jìn)砂壩形成的程度，通過(guò)詳細(xì)的地面勘測(cè)繪制了區(qū)域等高線圖。于2018年8月對(duì)2015年修建護(hù)岸措施后形成的砂壩進(jìn)行了勘察。通過(guò)將整個(gè)區(qū)域分成20m的網(wǎng)格，使用數(shù)字經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量。等高線圖采用等高線間隔為25cm的插值方法繪制?；鶞?zhǔn)面高度為99.25m、99.00m、98.75m、98.50m、98.25m和98.00m處的砂壩見(jiàn)圖4。

圖4 淤積形成的砂壩情況

3.2 水流偏轉(zhuǎn)

借助衛(wèi)星照片，研究了修建護(hù)岸工程后研究區(qū)內(nèi)河流水向的變化。采用2015年3月和2018年3月拍攝的谷歌地球衛(wèi)星照片，圖5(a)、圖5(b)分別顯示了2018年3月和2015年3月河道和砂壩的水流偏轉(zhuǎn)情況，在此期間產(chǎn)生的新侵蝕以及新砂壩的形成情況。圖5(c)給出了2015—2018年期間因河道流向變化導(dǎo)致的新侵蝕區(qū)域范圍和新淤積產(chǎn)生的區(qū)域。

圖5 水流流態(tài)與砂壩情況

4 討 論

河岸土壤的可蝕性和抗剪強(qiáng)度是兩個(gè)最重要的強(qiáng)度指標(biāo)。低黏聚力和低塑性指數(shù)的岸土更容易受到侵蝕。研究中的堤岸由具有低黏聚力的土壤構(gòu)成，使其易受侵蝕。試驗(yàn)結(jié)果還表明剪切參數(shù)非常低。十字板抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)顯示，隨著土壤變得飽和，抗剪強(qiáng)度急劇下降。這表明在洪水期間，淹沒(méi)條件下河岸土壤的穩(wěn)定性急劇下降。

由于安裝護(hù)坦后流速降低，在護(hù)坦上游端附近可以看到淤積跡象。圖4(a)顯示了在距離河岸約300m的位置，河道中部開(kāi)始淤積，這表明河流流向偏離護(hù)岸工程。由圖4(b)～(d)可以看出，隨著洪水消退，淤積區(qū)域由最初河道中部砂壩周圍向靠近下水護(hù)坦的下游側(cè)增加。這表示河水流動(dòng)逐漸偏離河岸。圖4還展示了護(hù)岸工程的保護(hù)區(qū)域，從河岸延伸至河流中350m處，該距離是下水護(hù)坦10.5m寬度的近30倍。

隨著洪水消退，水流逐漸偏離河岸繞行，進(jìn)一步引發(fā)護(hù)岸工程上游的淤積，砂壩逐漸形成，圖4(e)、圖4(f)顯示，盡管下水護(hù)坦成功地將河道水流從護(hù)岸工程上游端附近的河岸分流，并導(dǎo)致新砂壩的形成，但在護(hù)岸工程下游沒(méi)有立即發(fā)生淤積，水流在河床護(hù)坦下游端處急劇向河岸回流。由于河岸土壤易受侵蝕，從土工試驗(yàn)中可以看出，河流向防護(hù)工程下游河岸的急劇流動(dòng)導(dǎo)致其極易受到侵蝕。圖5清楚地展示出河道已經(jīng)急劇地回到岸邊。該河道已經(jīng)在緊鄰護(hù)岸工程的下游開(kāi)始了新的河岸侵蝕過(guò)程。在該河流的下游段，2015—2018年3年期間，該河流向西岸改變了路線，導(dǎo)致河岸侵蝕和河道中部砂壩的形成，表明需要對(duì)換工程下游的河岸進(jìn)行保護(hù)。

5 結(jié) 論

在對(duì)塔里木河河岸保護(hù)措施竣工后的侵蝕、淤積以及對(duì)土工織物袋河床保護(hù)效果的研究得出以下結(jié)論：

a.防護(hù)工程將河流從受保護(hù)的河岸分流，導(dǎo)致泥沙淤積，形成了一個(gè)砂壩，其延伸距離幾乎是下水護(hù)坦寬度的30倍。

b.盡管河流從受保護(hù)河段的堤岸分流，但水流將會(huì)急劇回流至堤岸，剛好超出護(hù)岸工程的下游端，因此護(hù)岸工程下游的堤岸更容易受到侵蝕。

c.河岸底土的不良巖土性質(zhì)導(dǎo)致其更容易受到侵蝕。

d.下游的護(hù)岸工程對(duì)河岸造成了不利影響，在3年內(nèi)造成了侵蝕和河流流向的偏移。土工織物袋構(gòu)成的河岸保護(hù)措施，雖然在受保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)有效，但有可能將侵蝕區(qū)移至同一河岸的下游區(qū)域。