拋石固岸在賽里木湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程中的應(yīng)用

王凱博，高保玲，卓 磊

（1.博州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 博樂 833400；2.博爾塔拉河流域管理處，新疆 博樂 833400）

1 項(xiàng)目概況

賽里木湖古稱“凈?！保挥谛陆査莶肥芯硟?nèi)北天山山脈中，緊鄰伊犁州霍城縣，是新疆海拔最高、面積最大、風(fēng)光秀麗的高山湖泊，又是大西洋暖濕氣流最后眷顧的地方，因此又有“大西洋最后一滴眼淚”的說法。湖面海拔2071 m，東西長(zhǎng)30 km，南北寬25 km，面積453 km2，蓄水量達(dá)210億m3，湖水清澈透底，透明度達(dá)12 m。

2 固岸工程必要性

賽里木湖是博爾塔拉—伊犁區(qū)域重要的水源涵養(yǎng)地，對(duì)博爾塔拉—伊犁區(qū)域的氣候、環(huán)境起著重要的調(diào)節(jié)作用，賽里木湖的降水量直接決定周邊區(qū)域的農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的豐欠，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞，將對(duì)區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來顯著影響，更潛在地影響著北疆地區(qū)乃至整個(gè)新疆大氣環(huán)流的變化。近年來，賽里木湖流域生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)不斷退化趨勢(shì)，實(shí)施賽里木湖生態(tài)保護(hù)工程刻不容緩。一是從保護(hù)濕地生態(tài)安全出發(fā)，實(shí)施賽里木湖生態(tài)固岸工程十分必要。賽里木湖是重要的水源涵養(yǎng)地，湖畔草原是艾比湖流域生態(tài)的重要組成部分，對(duì)整個(gè)北疆地區(qū)的氣候起著重要的調(diào)節(jié)作用，當(dāng)前，環(huán)湖岸坎多處坍塌，坎上植被成片塌落在湖灘上，造成瀕湖濕地的生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，對(duì)全湖景觀造成嚴(yán)重影響。只有對(duì)坍塌岸坎進(jìn)行固岸治理，才能有效遏制賽里木湖岸線區(qū)域草場(chǎng)減少進(jìn)而沙化退化，保持全湖生態(tài)安全；二是從保護(hù)生物多樣性出發(fā)，實(shí)施賽里木湖固岸對(duì)草地植被恢復(fù)十分必要。賽里木湖濕地氣候類型多樣，野生動(dòng)植物物種資源十分豐富，是許多重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物（如天鵝、猛禽）棲息、繁殖或南北遷徙之地，具有很強(qiáng)的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。實(shí)施賽里木湖生態(tài)固岸工程有利于恢復(fù)賽里木湖濕地功能，對(duì)于保護(hù)生物多樣性具有非常重要的特殊意義。

3 固岸方案

賽里木湖湖岸的地層巖性較為單一，主要為粉砂層，岸坡由于粉砂層的凝聚力小，在無外力作用下都可自然塌方，形成坡積物，加之湖水的風(fēng)浪沖擊以及冰塊沖擊、冰拔導(dǎo)致侵蝕力度加快。湖岸岸底地基巖層主要是粉砂層，處在地下水潛水位以下，潛水位標(biāo)高與湖水標(biāo)高一致，湖積堤一帶碎石層工程地質(zhì)條件較差，強(qiáng)透水性，地基土碎石承載力容許值200 kPa，粉土層地基承載力容許值為130 kPa。無凝聚力，遇地震容易形成液化現(xiàn)象。

根據(jù)觀測(cè)，湖水風(fēng)浪爬高在1～4 m 不等，冰體沖高在1～3 m不等。

考慮就地取材及盡量不在景區(qū)采用混凝土等人為痕跡較為明顯的處理方式，由于冬季冰爬及春季冰推破壞護(hù)岸，湖東岸岸線較長(zhǎng)，植被較南岸稀少，游客較少，且岸坎遭受波浪及冰推破壞，坍塌嚴(yán)重，岸坎高度高，最高可達(dá)13.7 m，故湖東岸采用拋石固岸方案。

4 固岸工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.1 固岸工程安全超高計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）表2.2.1的規(guī)定取得安全加高值，再加風(fēng)壅水面高度與波浪爬高計(jì)算得固岸工程的超高值。

4.1.1 設(shè)計(jì)風(fēng)速

根據(jù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)風(fēng)速取多年平均最大風(fēng)速的1.5 倍，賽里木湖多年平均最大風(fēng)速為17.4 m/s，則設(shè)計(jì)風(fēng)速為26.1 m/s。

4.1.2 波浪要素的計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013），采用莆田公式計(jì)算。

4.1.3 平均波浪爬高Rm的計(jì)算

在風(fēng)的直接作用下，來波為正向的不規(guī)則波，在護(hù)坡為1.5≤m≤5的單坡的爬高按下式計(jì)算：

式中：Rm為平均波浪爬高，m；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)；KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp 為爬高累積頻率換算系數(shù)，對(duì)允許越浪的堤防，爬高累積頻率宜取13%；為平均波高，m；L為平均波長(zhǎng)，m；m為斜坡坡度。

波浪爬高計(jì)算表見表1。

固岸工程位置湖東岸月亮灣至北門坍塌區(qū)斜坡坡度m經(jīng)驗(yàn)系數(shù)kv風(fēng)區(qū)長(zhǎng)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斜坡糙率及滲透系數(shù)kΔ 0.55 0.55 1.02 1.02爬高累積頻率換算系數(shù)1.54 1.54 18 900 18 900 46.4 46.4 1.5 1.5堤前波長(zhǎng)L/m 45.97 45.97波浪爬高Rp/m 1.97 1.73 5.43 5.43計(jì)算風(fēng)速v/（m/s）26.1 26.1

4.1.4 風(fēng)壅高度e的計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）公式C.2.1計(jì)算：

式中：K 為綜合摩阻系數(shù)，計(jì)算時(shí)一般取3.6×10-6；V為水面以上10.0 m 處的風(fēng)速，m/s；d 為水域的平均水深，m；F為風(fēng)向長(zhǎng)度，m；β為風(fēng)向與堤軸線的法線所成的交角。

風(fēng)壅高度計(jì)算表見有2。

治理段樁號(hào)湖東岸月亮灣至北門坍塌區(qū)綜合摩阻系數(shù)K設(shè)計(jì)風(fēng)速V/（m/s）距離F/m水域平均水深d/m夾角β/（°）風(fēng)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

根據(jù)工程規(guī)模，按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013），本工程為5 級(jí)堤防工程，堤防安全加高值取為0.3 m。

4.1.6 固岸工程超高計(jì)算

為了防止風(fēng)浪等因素沖刷湖岸，造成湖岸坍塌，在湖水水位上加上安全超高、風(fēng)浪爬高及風(fēng)雍高度，最終確定固岸工程堤頂高程。堤頂高程按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）公式7.3.1計(jì)算如下：

式中：Y為堤頂超高，m；R為設(shè)計(jì)波浪爬高，m，可按附錄C計(jì)算確定；e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度，m，可按附錄C 計(jì)算確定；A 為安全加高，m，按本規(guī)范表3.2.1確定為0.3 m。

固岸工程超高計(jì)算表見表3。

固岸工程位置湖東岸月亮灣至北門坍塌區(qū)波浪爬高Rp/m 1.97安全加高A/m 0.3設(shè)計(jì)風(fēng)壅增高e/m 0.05堤頂超高/m 2.32 1.73 0.3 0.05 2.09

根據(jù)堤頂超高計(jì)算，超高值為2.09～2.32 m，并考慮冬季爬冰影響，取3 m。

根據(jù)湖岸坎實(shí)測(cè)資料，岸坎高度大于3 m時(shí)，拋石高度按照水面以上3 m 確定，岸坎高度小于3 m時(shí)，拋石高度與實(shí)際岸坎高度保持齊平。

4.2 拋石粒徑計(jì)算

根據(jù)《堤防工程手冊(cè)》，拋石大小的穩(wěn)定性與拋石部位和水流條件有關(guān)。

4.2.1 用沖刷基本公式計(jì)算拋石粒徑

順?biāo)鲿r(shí)計(jì)算抗沖拋石大小公式：

式中：D為拋石直徑，m；v為垂線平均流速，取為2.5 m/s；s為拋石比重，為2.78 t/m3；h為拋石處水深，0.5 m；θ為邊坡坡角。

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 用斯蒂芬森公式計(jì)算拋石粒徑

該公式按照坡面任意流向的水流分析拋石的抗滑穩(wěn)定性的。

（1）當(dāng)水平向流動(dòng)，拋石粒徑為：

式中：ψ為摩擦角。

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

（2）沿坡面向下流動(dòng)，拋石粒徑為：

以上計(jì)算結(jié)果均較沖刷公式計(jì)算結(jié)果小。

4.2.3 波浪沖擊下拋石粒徑計(jì)算

拋石護(hù)坡在波浪往返循環(huán)沖擊下，拋石層內(nèi)也產(chǎn)生往返瞬變滲流場(chǎng)，波浪爬高再回到波谷時(shí)滲流溢出是其破壞條件，在靜水面以下1/3 波浪高度范圍內(nèi)的坡面將是浪擊集中破壞區(qū)。

當(dāng)最危險(xiǎn)的浪擊誘發(fā)滲流水平流出時(shí)，控制下滑穩(wěn)定性的單個(gè)拋石粒徑計(jì)算公式為：

式中：H 為波浪高度，為1.73 m；θ 為邊坡坡角，為14.2°；S為塊石比重，為2.78 t/m3；ψ為摩擦角，為37°。

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

4.2.4 用帕特蘭公式計(jì)算拋石粒徑

帕特蘭公式：

式中:Q50為拋石層中塊石的平均重量，kN；H為波浪高度，為1.73 m；L為波浪長(zhǎng)度，45.97 m；m為壩坡坡率（m=3.5、4時(shí)）；a，b均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與壩坡坡度有關(guān)，分別查表得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。

拋石層塊石平均粒徑D50為：

可得D50=（0.42、0.38）m

綜合以上4 種計(jì)算方式，計(jì)算得拋石粒徑最小為0.18 m，最大為0.45 m。

4.2.5 冬季凍冰時(shí)拋石粒徑計(jì)算

當(dāng)冰塊撞擊拋石固岸工程時(shí)，冰塊的運(yùn)行方向大致垂直于建筑物的正面時(shí)（冰的運(yùn)行方向與建筑物證明之間的夾角80°～90°），動(dòng)冰壓力值Pbd，可按下式計(jì)算:

式中：Vb為冰塊的流動(dòng)速速，m/s，對(duì)于河流和有流動(dòng)水流的湖泊，等于水流流速，實(shí)測(cè)水流最大流速為0.6 m/s；Ab為冰塊面積，m2，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料或參考類似工程資料采用；hb為計(jì)算冰厚，1.2 m；Kb為與流冰的極限抗碎強(qiáng)度Rb值有關(guān)的系數(shù)，查表得2.9。

迎水面單個(gè)拋石的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為:

式中：W 為單個(gè)拋石重量，t；f 為單個(gè)拋石與墊層的摩擦系數(shù)，查表為0.45（砌石沿濕砂面）。

通過試算，當(dāng)迎水面拋石粒徑為1.13 m 時(shí)，抗滑穩(wěn)定系數(shù)為：

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

所以迎水面采用拋石粒徑1.2 m，可滿足抗滑穩(wěn)定系數(shù)不小于1.0的規(guī)范要求。

4.3 拋石固岸工程試驗(yàn)段觀測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)理論分析及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行拋石固岸，為檢驗(yàn)拋石固岸效果并為后期大規(guī)模實(shí)施提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確保決策科學(xué)，賽里木湖于2014 年在湖東岸實(shí)施近300 m 長(zhǎng)拋石固岸試驗(yàn)，該試驗(yàn)段迎水面采用粒徑1.2 m 拋石，寬度6 m。經(jīng)過一年的運(yùn)行，經(jīng)歷風(fēng)浪及冬季冰推和春季融冰冰拔的考驗(yàn)。博州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)該拋石段冬季選取的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，結(jié)果表明：拋石固岸工程運(yùn)行一年后平面位移僅為0.008～0.05 cm，位移極小。試驗(yàn)段治理效果見圖1。

圖1 試驗(yàn)段治理效果

4.4 推薦拋石粒徑及結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)規(guī)范大石塊尺寸應(yīng)大于石塊平均粒徑的1.5 倍，根據(jù)計(jì)算出的最大塊石粒徑值0.45 m，可取為0.7 m，但該粒徑不能滿足抗冰抗滑穩(wěn)定要求，結(jié)合賽里木湖實(shí)際300 m 試驗(yàn)段數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)采用粒徑1.2 m。結(jié)構(gòu)型式為當(dāng)岸坎高度大于1.0 m 時(shí)，治理寬度8 m，迎湖水面拋石粒徑≥1.2 m，其余拋石粒徑0.5～0.8 m（見圖2）。當(dāng)岸坎高度介于0.5～1 m 之間時(shí)，治理寬度6 m，迎湖水面拋石粒徑≥1 m，其余拋石粒徑0.3～0.8 m（見圖3）。其物理力學(xué)指標(biāo)為石質(zhì)堅(jiān)硬，遇水不易破碎或水解，石材不允許使用薄片形狀、風(fēng)化的塊石，石材強(qiáng)度等級(jí)≥MU30，軟化系數(shù)Kd≥0.75，密度不小于2.65 t/m3。

圖2 坎高大于1 m拋石固岸橫斷面圖

圖3 坎高1 m以下拋石固岸橫斷面圖

5 結(jié)語

自2015 年大規(guī)模實(shí)施拋石固岸環(huán)境保護(hù)工程以來，通過近4年的運(yùn)行觀測(cè)，賽里木湖湖岸采用拋石固岸達(dá)到了遏制風(fēng)浪及冰推和冰拔對(duì)岸坎的侵蝕的目的，從觀測(cè)檢查數(shù)據(jù)來看平面位移為0.008～0.05 cm，位移極小。結(jié)果表明:設(shè)計(jì)所用的拋石固岸方案及選取的拋石粒徑是合理的，且取得了意外的景觀效果，即在初冬季節(jié)由于在風(fēng)浪和氣溫降低的雙重作用下在拋石固岸區(qū)域形成了“卷簾珠”（倒掛的冰凌）及春季融冰后固岸區(qū)域推冰在陽(yáng)光照射下形成“藍(lán)冰”等奇異的冰雪景觀。