塔里木河河床穩(wěn)定性分析及護岸工程設(shè)計施工

吾斯曼卡熱·依馬木

(新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車 844700)

0 引言

2020年7月，我國南方眾多地區(qū)出現(xiàn)洪災(zāi)，洪水規(guī)模甚至超過1998年時期，這就使河道治理工程再次成為國民關(guān)注的焦點。河道對于行洪、排澇、流域生態(tài)等均具有決定性作用，塔里木河作為南疆地區(qū)最為重要的一條河流，流域沿岸生態(tài)環(huán)境脆弱。隨著“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的不斷深入，塔里木河的治理工程已經(jīng)被提上日程。

1 河段概況

塔里木河為我國第一大內(nèi)陸河，全長2137 km，由葉爾羌河、和田河、阿克蘇河等匯流而成，由于來自冰山融水含沙量較大，且水量不穩(wěn)定，被當(dāng)?shù)厝朔Q為“無韁的野馬”，這也說明了塔里木河變化無常，大大增加了治理難度。本文所分析的阿拉爾段全長123.6 km，本次治理工程主要是針對第9建設(shè)兵團轄區(qū)的1.2 km河段的護岸沖刷、生態(tài)恢復(fù)等問題。

2 塔里木河阿拉爾段水沙特征及河床穩(wěn)定性分析

2.1 塔里木河阿拉爾段水沙特征

本次分別在阿拉爾段上游和中游位置供選擇了3處水文站資料作為依據(jù)，其中上游水位高程1000 m，中游水位高程1020 m。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)從1989年～2019年共40 a，其年平均徑流量和輸沙量統(tǒng)計值具體見表1和圖1。從數(shù)據(jù)和折線圖走勢分析可知：①塔里木河阿拉爾段年平均徑流量基本在45億m3左右，年平均輸沙量在2300萬t左右，且均集中在6月～9月份夏季汛期；②該河段年平均輸沙量變化趨勢與徑流量變化趨勢基本與一致；③該河段平均輸沙量變化幅度比徑流量變化幅度要明顯大[1]。

表1 塔里木河阿拉爾段年徑流量和輸沙量統(tǒng)計值

圖1 塔里木河阿拉爾段年徑流量和輸沙量統(tǒng)計曲線圖

2.2 塔里木河阿拉爾段河床穩(wěn)定性分析

從歷史發(fā)展來看，塔里木河是典型的“游蕩型河流”，尤其是中、下游地區(qū)。經(jīng)實地調(diào)查：阿拉爾段存在多處河道彎曲、河床土質(zhì)松散、泥沙沉積嚴(yán)重河段，有些河寬水淺處年淤積厚度可達(dá)10 cm，主河道過流能力不足理論量的20%。塔里木河的河床不穩(wěn)定因素很大部分正是由河水含沙量高造成的，具體其穩(wěn)定性計算如下[2]。

(1)縱向穩(wěn)定性分析

在此分析塔里木河縱向穩(wěn)定性引入“洛赫金系數(shù)φ”，計算公式見式(1)[3]，φ值越大，表示河床越穩(wěn)定。其中阿拉爾段河床縱向穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

表2 塔里木河阿拉爾段河床穩(wěn)定性計算

(1)

式中：d為床沙中徑，取值0.25 mm～0.42 mm；J為河道比降，取值0.125%～0.139%。

(2)橫向穩(wěn)定性分析

分析塔里木河橫向穩(wěn)定性利用公式(2)計算[4]，ψ值越大，表示河床越穩(wěn)定。其中阿拉爾段河床橫向穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

(2)

式中：b為枯水河槽寬度，取值90.2 m～273.6 m；B為平灘河寬，取值390 m～460 m。

由表2數(shù)據(jù)可知：塔里木河阿拉爾段河床縱向和橫向穩(wěn)定性均很差，因此治理河道的基礎(chǔ)就是先要穩(wěn)定河床，降低河水含沙量。

3 塔里木河阿拉爾段護岸工程設(shè)計和施工

本項目涉及到的1.2 km河段治理工程為河漫灘地形，周圍人煙較少，若采用常見的固土樁、現(xiàn)澆筑混凝土或預(yù)制混凝土護岸工程形式，有著工期長、造價高、效果不理想等缺點，因此結(jié)合其他工程經(jīng)驗，本項目采用“模袋混凝土護坡+充砂長管袋護底”的護岸工程形式[5]。

3.1 護岸工程設(shè)計要點分析

3.1.1 模袋混凝土護坡工程設(shè)計

模袋混凝土護坡形式具有整體性好、抗沖刷能力強、壽命長、綜合造價低等優(yōu)點，適合各種地形，其主要設(shè)計參數(shù)包括：模袋充填厚度、灌注料配合比、抗滑穩(wěn)定性分析等。

①模袋充填厚度設(shè)計

模袋混凝土充填厚度d需考慮抗彎及抗浮性，由于該河段護岸平坦，因此主要滿足抗浮性即可，理論計算公式見式(3)[6]。經(jīng)估算確定本河段d≥0.25 m，再結(jié)合其他工程經(jīng)驗，最終確定d取0.3 m。

(3)

式中：C為面板系數(shù)，護面有濾點取值1.5，無濾點取值1.0；H為波浪高度，0.5 m～1.0 m；L為波浪長度，28 m～40 m；B為與水邊線垂直的護面長度，6.0 m～8.0 m；a為坡角，取值20°；γw、γc為水、混凝土容重，分別取9.8 kN/m3、23.6 kN/m3。

②模袋灌注料配合比設(shè)計

常見的模袋灌注料包括：水泥砂漿和混凝土，其中混凝土適合護岸沖刷侵蝕嚴(yán)重情形，符合本項目要求?；炷僚浔纫M行試驗對比，為保證充填工作的順利，模袋灌注料對流動度要求較高。由于試驗過程繁瑣，在此不再詳述，本項目最終設(shè)計的配合比為水泥：砂子∶石子=1∶2.5∶2.0，其中水泥規(guī)格PO32.5級，石子粒徑5 mm～25 mm，坍落度23±2 cm[7]。

③模袋護坡抗滑穩(wěn)定性分析

模袋護坡抗滑穩(wěn)定性取決于模袋與邊坡基礎(chǔ)產(chǎn)生的摩擦力，抗滑穩(wěn)定系數(shù)k的理論計算見式(4)，經(jīng)計算k=1.88，大于規(guī)范要求值1.5，所以滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

(4)

式中：L3、L2為模袋底部、斜面長度，分別取0.8 m、6.2 m；F為模袋與邊坡基礎(chǔ)摩擦系數(shù)，取0.6。

3.1.2 “充砂長管袋+格賓網(wǎng)石籠”護底工程設(shè)計

本項目的護底底層工程采用充砂長管袋平鋪形式，結(jié)果簡單，其中長管袋具體技術(shù)指標(biāo)見表3，充砂長管飽滿度80%即可。二層采用厚度0.5 m的格賓網(wǎng)石籠鋪設(shè)，充填石料就地取材即可，每側(cè)護底工程充砂長管袋均設(shè)計20 m寬，格賓石籠設(shè)計10 m寬，斷面結(jié)構(gòu)見圖2。

表3 充砂長管袋技術(shù)指標(biāo)

圖2 護岸工程斷面結(jié)構(gòu)形式示意圖

3.2 護岸工程施工要點分析

(1)模袋護坡施工要點

①模袋鋪設(shè)施工時，首先順著岸坡方向展開鋪平。使模袋處于自然松弛狀態(tài)，每5塊為一組，利用“雙線鎖扣鏈形”進行縫接，要求針腳不大于10 mm，接口處最小張力不小于60 N。

②模袋固定時，將模袋長度的5%左右收縮余量安設(shè)在穩(wěn)定槽以外，然后用鋼管穿入模袋布留設(shè)的管套內(nèi)，鋼管由兩個對稱安設(shè)的松緊器進行調(diào)節(jié)，最后將固定鋼釬打入基礎(chǔ)固定，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

③混凝土充填時，按照“先下后上、先兩邊后中間、先上游后下游”的原則施工。本項目要求充填速度控制在10 m3/h～15 m3/h，出口壓力0.2 MPa。充填管插入模袋深度不小于30 cm并捆扎牢固，當(dāng)模袋接近飽滿時暫停充填10 min，待里面的水泡完全析出后再充填飽滿。初凝前找平作業(yè)由工人穿膠鞋踩平。

圖3 模袋固定結(jié)構(gòu)示意圖

(2)“充砂長管袋+格賓網(wǎng)石籠”護底施工要點

①首先需要對河床進行清淤和開挖作業(yè)，保證河床滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高程。本項目設(shè)計采用高壓水泵沖擊河底砂堆，泥沙淤積嚴(yán)重地段采用挖掘機開挖。

②檢查河床沒有尖銳石塊后，將長管袋鋪設(shè)在河床底層，扎緊袖口，之后利用泥沙泵往里充填稀釋后的河砂。待充砂長管袋全部充填結(jié)束后，再開始鋪設(shè)格賓網(wǎng)石籠。

4 結(jié)語

工程于2018年4月中旬開工，10月底竣工，共計6個月。塔里木河阿拉爾段地質(zhì)條件松散，導(dǎo)致河水沖刷問題嚴(yán)重，也會造成河流改道現(xiàn)象頻繁，采用“模袋護坡+充砂長管袋護底”工程，可有效固定河道，再結(jié)合加強上游生態(tài)環(huán)境管理，恢復(fù)植被，盡量減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、旅游熱點是完全有可能的。