土工袋護(hù)岸技術(shù)在塔里木河干流應(yīng)用的適宜性分析

董宗煒，李曉慶

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

塔里木河干流(以下簡(jiǎn)稱塔河干流)具有典型的游蕩性、分叉性特征。其河床地表至20m深度主要由粉土、粉細(xì)砂構(gòu)成，中值粒徑d50在0.05～0.086mm范圍，床質(zhì)松軟，抗沖能力差，水流對(duì)邊界條件的改變較為敏感[1]。河流特性與床質(zhì)特點(diǎn)致使塔河干流防汛險(xiǎn)情頻發(fā)，每年消耗大量財(cái)力物力，疲憊應(yīng)付。2018年首次嘗試了用土工織物縫制的大布袋裝土制備成土工袋進(jìn)行搶險(xiǎn)加固的方式，后經(jīng)過不斷實(shí)踐和改進(jìn)，逐漸發(fā)展成土工袋護(hù)岸技術(shù)，并在2020年用于永久性工程，經(jīng)洪水考驗(yàn)，其防護(hù)效果較好[1-2]。本文結(jié)合塔河干流的防洪搶險(xiǎn)特點(diǎn)對(duì)土工袋護(hù)岸技術(shù)的適宜性進(jìn)行綜合分析，以明晰該技術(shù)的適用范圍和技術(shù)特點(diǎn)，以期進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

1 塔河干流防洪搶險(xiǎn)技術(shù)研發(fā)和實(shí)踐方向的確定

當(dāng)前塔里木河流域綜合治理二期工程已進(jìn)入規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，鑒于塔河干流與黃河下游在河流特性、床質(zhì)特點(diǎn)上具有諸多相似性。因此，研究和借鑒黃河下游的防洪搶險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)和成熟搶險(xiǎn)技術(shù)，并結(jié)合塔河干流的實(shí)際改造應(yīng)用，提高適宜性，十分有必要。

1.1 兩河河道特性及防洪出險(xiǎn)相似性分析

塔里木河干流與黃河下游河性基本特征均是河道寬淺，河床沖淤變化頻繁。河床寬淺，平面形態(tài)寬窄相間，洪枯水河槽寬度差異大，灘槽高差小，橫比降大[3]。這一時(shí)空邊界條件決定了河勢(shì)多變，“橫河”、“斜河”時(shí)常發(fā)生，形成股流頂沖，壩岸靠溜位置上提下挫，靠溜部位受到脅迫遂演化成河灣沖刷并快速發(fā)展，致使險(xiǎn)情頻發(fā)。因上游來流方向及消漲和局部灘岸沖淤變化，難以預(yù)測(cè)，出險(xiǎn)往往具有突發(fā)性。

另外兩條河河床均是由粉沙、粉細(xì)沙堆積而成，松散易動(dòng)，易沖易淤，沖刷流速僅為1.0m/s，灘岸抗沖性差[4]。由于河床自然邊界條件的多變，決定了淤灘刷槽和塌灘淤槽的不確定性以及兩者的交互發(fā)生。另一方面，當(dāng)人工邊界條件與河流的造床作用不相適應(yīng)時(shí)，更易造成河勢(shì)突變，甚至巨變，導(dǎo)致壩岸出大險(xiǎn)。以上這些特點(diǎn)對(duì)防汛搶險(xiǎn)技術(shù)的時(shí)效性、靈活性都提出了較高的要求。

1.2 塔河干流防洪搶險(xiǎn)工程的實(shí)際

從以上分析可以看出，塔里木河干流與黃河下游堤岸出險(xiǎn)的基礎(chǔ)條件(粉細(xì)沙河床、灘岸抗沖性差)和主要因素(河勢(shì)多變、股流頂沖)是相一致的，因此，黃河下游防洪搶險(xiǎn)技術(shù)和積累經(jīng)驗(yàn)具有較高的借鑒價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，為避免生搬硬套，切實(shí)符合塔河干流防洪搶險(xiǎn)工程的實(shí)際，研究團(tuán)隊(duì)還重點(diǎn)分析了塔河干流自身的特點(diǎn)以及與黃河下游情況的差異。

(1)塔河干流防洪搶險(xiǎn)工程處于初級(jí)階段。2001年之前塔河干流基本無永久性堤防工程，處于自然河岸狀態(tài)。2001年之后為實(shí)現(xiàn)向塔里木河下游輸水目的，陸續(xù)修建了近649km的干流輸水堤，規(guī)范了河岸邊界，但防洪基礎(chǔ)設(shè)施依然薄弱，防洪搶險(xiǎn)主要為應(yīng)急行為，臨時(shí)性工程。

(2)防護(hù)理念尚未統(tǒng)一，防汛搶險(xiǎn)可行技術(shù)亟待形成。塔里木河作為具有特殊意義的生態(tài)河流，其防洪規(guī)劃、堤防布置及結(jié)構(gòu)形式還未形成明確一致的建設(shè)意見。相應(yīng)的防汛搶險(xiǎn)組織架構(gòu)和工作制度也尚未形成體系化、系統(tǒng)化。當(dāng)前階段專業(yè)人員與施工水平均無法支撐復(fù)雜施工工藝。如柳石摟廂、長(zhǎng)管袋沉排等技術(shù)的實(shí)施。

(3)塔河干流洪峰流量較黃河下游河段存在數(shù)量級(jí)上的差異，河灣最大沖刷深度相對(duì)較小，僅5～6m，在迎水面與輸水堤形成臨空面，總高度在10m范圍左右，較黃河下游要小1～2倍，這一出險(xiǎn)深度特征也使得修建防護(hù)工程時(shí)，基礎(chǔ)深度實(shí)現(xiàn)一次到位成為可能。可以避免黃河上“固壩固根、不搶不固”搶險(xiǎn)加固歷程[3]，即經(jīng)過多年的靠溜沖刷出險(xiǎn)和拋投搶險(xiǎn)過程，直至使防護(hù)物深度和坡度達(dá)到一定程度時(shí)才趨于穩(wěn)定。

1.3 黃河防洪搶險(xiǎn)技術(shù)發(fā)展予以塔河實(shí)踐方向的啟示

1.3.1黃河防洪搶險(xiǎn)技術(shù)發(fā)展歷程

黃河下游由護(hù)岸、丁壩、堤防構(gòu)成的河道整治及防護(hù)工程已形成完整體系。其護(hù)岸結(jié)構(gòu)的演化和革新大致分為2個(gè)階段[5]：第1階段，1985年前以優(yōu)化和完善傳統(tǒng)的柳石摟廂、散拋塊石、鉛絲籠填筑為主要實(shí)踐內(nèi)容。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局限性主要是修建時(shí)基礎(chǔ)淺，必須經(jīng)過搶險(xiǎn)加固以及搶險(xiǎn)頻繁負(fù)擔(dān)重、防守被動(dòng)兩個(gè)方面。第2階段，1985—2005年期間，在黃河下游進(jìn)行了一系列新結(jié)構(gòu)壩的試驗(yàn)研究工作，綜合比較，較為成熟的結(jié)構(gòu)主要有以土工織物為主要材料結(jié)合各種壓載物組成的沉排壩和以混凝土為主的混凝土透水樁壩兩大類型。完善和優(yōu)化施工工藝，尤其是水下施工工藝是實(shí)踐中解決的關(guān)鍵問題。如長(zhǎng)管袋沉排壩、褥墊式沉排壩、鉸鏈?zhǔn)侥４炷脸僚艍蔚冉Y(jié)構(gòu)，需要專業(yè)施工隊(duì)伍實(shí)施，才能保障質(zhì)量。第3階段，2005年以來主要圍繞高性能的土工織物開發(fā)和實(shí)踐新型水中筑壩與堵口技術(shù)，如大土工包(土袋籠)搶險(xiǎn)技術(shù)、大土工布及長(zhǎng)管袋護(hù)岸技術(shù)、大土工布護(hù)底技術(shù)以及大土工布網(wǎng)袋水中進(jìn)占技術(shù)。實(shí)踐表明柔性的土工織物在防護(hù)粉細(xì)砂河床方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.3.2塔河干流防洪搶險(xiǎn)技術(shù)實(shí)踐方向

通過梳理總結(jié)黃河防洪搶險(xiǎn)技術(shù)發(fā)展歷程，并結(jié)合塔河干流當(dāng)前的實(shí)際情況，其防洪搶險(xiǎn)技術(shù)的研發(fā)及實(shí)踐應(yīng)聚焦于如下方面：

(1)現(xiàn)代防洪搶險(xiǎn)技術(shù)應(yīng)充分發(fā)揮大型機(jī)械在防汛搶險(xiǎn)中的作用，顯著提高效率，以滿足防汛搶險(xiǎn)時(shí)效性的要求，亦緩解搶險(xiǎn)人力資源匱乏的窘態(tài)。

(2)注重新材料的應(yīng)用及新結(jié)構(gòu)的研發(fā)，尤其是土工織物，其具有隔斷、反濾、柔性、包裹等優(yōu)良的工程性能，在防汛搶險(xiǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。

(3)充分應(yīng)用當(dāng)?shù)匚锪鲜强沙掷m(xù)發(fā)展和降低造價(jià)的必然選擇。

(4)防洪搶險(xiǎn)技術(shù)應(yīng)操作簡(jiǎn)單，靈活可靠，應(yīng)逐漸降低施工質(zhì)量和防護(hù)成效對(duì)專業(yè)人員隱性知識(shí)的依賴程度。

依據(jù)以上的原則，結(jié)合塔河干流沖刷深度較黃河下游小的實(shí)際，重點(diǎn)以改造和優(yōu)化大土工包(土袋籠)搶險(xiǎn)技術(shù)為突破口，兼顧施工便捷性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)合理性和防護(hù)成效顯著性，最終確定以適當(dāng)規(guī)模尺寸的土工袋形成防護(hù)技術(shù)為塔河干流防洪搶險(xiǎn)技術(shù)實(shí)踐方向。

2 土工袋護(hù)岸結(jié)構(gòu)

通過持續(xù)的實(shí)踐和不斷的改進(jìn)，土工袋護(hù)岸技術(shù)基本成型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主體結(jié)構(gòu)包括護(hù)坡、護(hù)腳、護(hù)底和限位樁。護(hù)坡主要作用是隔離水流，防止水流對(duì)土質(zhì)邊坡的沖刷；對(duì)于無黏性粉細(xì)砂堤岸，亦有防止細(xì)顆粒被水流吸出的作用。護(hù)腳主要起兩方面作用，一是護(hù)坡結(jié)構(gòu)的支撐體，二是護(hù)底沖刷破壞至坡腳時(shí)，可起到一定的防護(hù)作用，亦為搶護(hù)提供時(shí)間緩沖。護(hù)底的作用是保護(hù)易動(dòng)的河床質(zhì)，避免大面積流失，其是護(hù)岸工程的主體防護(hù)結(jié)構(gòu)，如失去防護(hù)作用，繼而會(huì)延伸到護(hù)腳、護(hù)坡、乃至整個(gè)堤岸。限位樁主要目的是為了減少排體寬度。另外，當(dāng)排體端部新的沖刷坑形成后，因限位樁的支撐作用使得端頭的土工袋變形形式由坍塌轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛冃危鹤扼w，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的聯(lián)合體。

圖1 土工袋護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意圖

3 土工袋護(hù)岸技術(shù)適宜性分析

無論是黃河下游，還是塔河干流，在粉細(xì)砂河床上實(shí)施防護(hù)工程都是具有相當(dāng)困難的。實(shí)踐證明拋石護(hù)岸和土工織物軟排護(hù)底都是十分有效的措施，而土工袋護(hù)岸技術(shù)兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 土工袋護(hù)岸與拋石護(hù)岸

拋石護(hù)岸，即拋投石料以保護(hù)河床或河岸免于淘刷的一種堆砌結(jié)構(gòu)。拋石護(hù)岸的顯著特點(diǎn)就是石料的散粒體結(jié)構(gòu)，拋投后形成的堆砌結(jié)構(gòu)是可變集合體，因此對(duì)適應(yīng)粉細(xì)砂河床的大變形表現(xiàn)出極大的相容性。其顯著的工程特性還有如下幾個(gè)方面：①拋投施工簡(jiǎn)單，限制因素少，可實(shí)施人工與機(jī)械并舉；②搶險(xiǎn)加固便捷，一旦出險(xiǎn)，繼續(xù)拋投石料即可；③石料無環(huán)境污染，并且可構(gòu)建新的河岸生態(tài)景觀。

散粒體特征是拋石適應(yīng)河床變形的根本，但是反過來，由于石料是單個(gè)個(gè)體，拋投過程中受水流作用存在一定的石料損失；同時(shí)拋石形成的局部性防護(hù)，雖暫時(shí)防止了周邊河床質(zhì)的流失，但受石料阻擋，周邊流速反而加快，堆石體空隙形成的次生螺旋流將被保護(hù)的床沙吸出帶走，繼而導(dǎo)致拋石層的漸次崩塌流失及河床的下降，進(jìn)入“不搶不固”的循環(huán)，此過程在粉細(xì)砂河床上表現(xiàn)異常明顯。

而土工袋護(hù)岸技術(shù)亦是在此方面有一定的改善，土工袋裝填后的尺寸為90cm×90cm×30cm，但依然是散粒體結(jié)構(gòu)，與河床的大變形相適宜。一方面土工袋防護(hù)面積要比單體石料大許多，與河床的貼合度更好，土工袋袋體本身具有反濾作用，因此保護(hù)的河床面積大，效果好；另一方面其在粉細(xì)砂河床的沉降也相對(duì)緩慢。在黃河上發(fā)明的網(wǎng)罩護(hù)根技術(shù)和石籠工藝，也是要在保持可變性的基礎(chǔ)上提高整體性。

3.2 土工袋護(hù)岸與土工織物護(hù)底軟排

土工織物護(hù)底軟排亦是在黃河下游防汛搶險(xiǎn)中具有較高競(jìng)爭(zhēng)力的一種新型丁壩防護(hù)結(jié)構(gòu)。其是以土工織物為主要材料結(jié)合各種壓載物組成的沉排壩，亦稱之為護(hù)底沉排，即在丁壩坦坡前沿河床底部鋪設(shè)一定長(zhǎng)度和寬度的防沖反濾排體。首先在排體底部鋪設(shè)防沖反濾布，為防止水流對(duì)反濾布的沖刷散失，在其上布設(shè)壓載物并通過各種聯(lián)系結(jié)為整體，如此對(duì)于排體下部的河床形成了一個(gè)較穩(wěn)定的封閉層，使得壩體周邊的床沙得到保護(hù)。同時(shí)護(hù)底沉排與護(hù)岸形成新的邊界，并將水流沖蝕推導(dǎo)至排體外沿端部。另外，河床沖蝕刷深與排體下蟄內(nèi)收交替發(fā)展，一方面將壩前沖刷坑外移到不影響或少影響壩體安全的外圍區(qū)域，另一方面也限制了沖刷坑的深度和上溯發(fā)展，從而達(dá)到抑制丁壩因河床變形基礎(chǔ)下蟄而出險(xiǎn)[5]。

因壓載物不同沉排壩有多種結(jié)構(gòu)形式，這里就以長(zhǎng)管袋沉排壩為例進(jìn)行說明。與拋石護(hù)岸相對(duì)，沉排壩的突出特點(diǎn)是其整體性，在防護(hù)性能上表現(xiàn)優(yōu)異，但同時(shí)也有些不利方面。如：①施工工藝復(fù)雜、技術(shù)含量高，如排布鋪放、泥漿制造以及管袋充填；②排體與護(hù)坡直接相連，或插入土胎壩體內(nèi)，當(dāng)排體大變形時(shí)，受應(yīng)力傳導(dǎo)作用，根部防沖排布受力變形將直接影響到護(hù)坡或土胎壩體的穩(wěn)定；③如局部出現(xiàn)破壞，維修加固相對(duì)困難。

和護(hù)底沉排相比，土工袋護(hù)岸技術(shù)繼承了其與河床變形的良好適應(yīng)性，但在整體性上又有所降低，并設(shè)置了專門的護(hù)腳結(jié)構(gòu)，以支撐上部的護(hù)坡，護(hù)腳由排體來保護(hù)，若護(hù)腳結(jié)構(gòu)也遭受到?jīng)_刷危害時(shí)，可采取拋投土工袋的方式進(jìn)行護(hù)腳除險(xiǎn)和加固。

3.3 3種護(hù)岸形式在塔河干流應(yīng)用中的適宜性分析

一種護(hù)岸形式既要與河流特性、床質(zhì)特點(diǎn)相匹配，又要緊密結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，以下分別對(duì)3種護(hù)岸形式在塔河干流上的應(yīng)用進(jìn)行適宜性分析。

3.3.1拋石護(hù)岸的適宜性分析

拋石護(hù)岸(或格賓石籠護(hù)岸)在塔河干流應(yīng)用時(shí)面臨著如下問題：第一，塔河干流兩岸沿線缺乏石料供給，至石料開采場(chǎng)的運(yùn)距達(dá)200km，石料造價(jià)高達(dá)250元/m3；同樣格賓網(wǎng)箱或雷諾護(hù)墊，省內(nèi)也無生產(chǎn)廠家，須疆外調(diào)運(yùn)，運(yùn)費(fèi)約占材料總價(jià)格的1/4左右。第二，備防石是應(yīng)對(duì)出險(xiǎn)點(diǎn)任意、出險(xiǎn)時(shí)間突發(fā)而采取的防范措施，但是塔河有1321km長(zhǎng)沿線，備防石點(diǎn)有限，出險(xiǎn)后均會(huì)發(fā)生二次倒運(yùn)，增加成本。第三，格賓石籠的施工機(jī)械化水平較低，網(wǎng)箱制作、裝填石料、網(wǎng)箱封口基本上都是由人工完成，時(shí)效性差。同時(shí)塔河干流地廣人稀，短時(shí)間內(nèi)集合大量人工越來越難以實(shí)現(xiàn)。2015—2019年期間，塔河干流在5處險(xiǎn)工段修建了格賓石籠護(hù)岸，單公里造價(jià)達(dá)1千萬元左右，而另一方面這些工程在當(dāng)年出險(xiǎn)后再未靠溜。顯然面對(duì)生態(tài)河流、自然河岸、地廣人稀的現(xiàn)實(shí)，拋石護(hù)岸和格賓石籠護(hù)岸雖然具有良好的防護(hù)性能，但是否適宜在塔河干流上大規(guī)模推廣應(yīng)用還有待進(jìn)一步的研究和論證。

3.3.2軟體沉排的適宜性分析

20世紀(jì)90年代，在新疆的細(xì)沙河道曾使用過類似于黃河上的柳石摟廂進(jìn)行堤岸坡腳的防護(hù)，后期受物料和施工工藝限制再無使用。對(duì)于塔河干流有關(guān)軟體沉排的護(hù)岸型式一直沒有進(jìn)行過實(shí)踐，分析大致有兩個(gè)因素：一是塔河干流出險(xiǎn)的規(guī)模與沖刷坑深度較黃河下游要小很多，若采用軟體沉排，一方面受施工場(chǎng)地的限制，較難實(shí)施；另一方面造價(jià)會(huì)陡升，性價(jià)比低。二是缺少專業(yè)化的應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍，無法保證軟體沉排的施工質(zhì)量。受此兩因素限制，軟體沉排在塔河干流上應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。

3.3.3土工袋護(hù)岸的適宜性分析

通過與拋石護(hù)岸和土工織物軟排護(hù)底的對(duì)比分析，可以看出土工袋護(hù)岸技術(shù)既保留了拋石的散粒體便捷性，又繼承了排體的整體性。近年來，依托新材料、新工藝，在黃河搶險(xiǎn)上發(fā)明的大土工包、大鉛絲籠網(wǎng)袋、土工大布護(hù)底等新技術(shù)也是聚焦在這個(gè)思路上[7-8]。2019—2020年，在阿克蘇河下游段、塔里木河干流段進(jìn)行了防洪堤的水毀修復(fù)項(xiàng)目，分別對(duì)拋石護(hù)岸方案、格賓籠護(hù)岸方案、土工膜袋混凝土長(zhǎng)管袋方案、土工袋護(hù)岸方案進(jìn)行了詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，最終都推薦了土工袋(土工袋+賓格籠組合)方案[8-9]。通過對(duì)實(shí)際工程的追蹤和主要參數(shù)的量測(cè)，土工袋護(hù)岸技術(shù)的適宜性主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①?gòu)姆雷o(hù)性能上，對(duì)于粉細(xì)砂河床，土工袋護(hù)岸既實(shí)現(xiàn)了與變形河床的協(xié)調(diào)性，也保障了對(duì)易沖河床保護(hù)的整體性。②施工工藝簡(jiǎn)單，并充分利用的機(jī)械效能，1臺(tái)推土機(jī)、1臺(tái)挖掘機(jī)，配備撐袋子工2人，封口工1人，土工袋生產(chǎn)率大約1000個(gè)/臺(tái)班(8小時(shí))，方量約600m3，可滿足對(duì)搶險(xiǎn)時(shí)效性的要求。③土工袋袋體由工廠直接制作，儲(chǔ)備體積小、運(yùn)輸便捷，對(duì)于小的險(xiǎn)情或河灣的預(yù)前防護(hù)，靈活實(shí)用性更為顯著，這也為險(xiǎn)情的“搶早、搶小、搶住”創(chuàng)造了條件。④土工袋的袋體充填物為河床或河岸土料，就地取材，造價(jià)優(yōu)勢(shì)顯著，在同等情況下，是格賓石籠護(hù)岸的1/3。

4 結(jié)語

土工袋護(hù)岸技術(shù)將散粒體與整體性統(tǒng)一在一起，在對(duì)粉細(xì)砂河床的防護(hù)性能上有所提高；同時(shí)就地取材，造價(jià)低廉、機(jī)械化水平高、靈活性強(qiáng)又適應(yīng)了出險(xiǎn)的突發(fā)性，提高了搶險(xiǎn)的時(shí)效性，在塔河干流上應(yīng)用具有較高的競(jìng)爭(zhēng)性。當(dāng)然作為一種新型的護(hù)岸型式，還存在有待研究和提升的方面，如用于護(hù)坡土工袋的耐久性問題，與生態(tài)護(hù)岸結(jié)合的問題[10]，以及利用廢棄建筑垃圾等問題。