塔里木河干流土工袋護(hù)岸邊坡穩(wěn)定分析

董宗煒，徐生武，王相峰

（1.塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒 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）

0 引言

塔里木河位于天山以南，塔克拉瑪干沙漠北緣，是我國最大的內(nèi)陸河[1]。目前塔里木河主要由阿克蘇河、葉爾羌河、和田河三大水系（簡稱三源流）匯聚而成。三源流的來水主要由這3 條河流上游的山區(qū)暴雨及冰雪融水共同形成，其中冰川融水超過60%。塔里木河徑流量年內(nèi)變化很大，在6—9 月汛期水量占全年徑流量的70%～80%。從阿拉爾斷面的水文資料來看，每年發(fā)生1 000 m3/s以上的洪水2 次左右[2]。

為了減輕塔里木河洪水造成的危害，協(xié)調(diào)解決生產(chǎn)生活用水和生態(tài)用水的矛盾，保護(hù)胡楊林自然生態(tài)，根據(jù)“上游重控導(dǎo)、中游重險(xiǎn)段、下游重生態(tài)”的原則，在各個(gè)河段修筑了攔蓄水庫、堤防和護(hù)岸工程等。2015 年以來，結(jié)合塔里木河周邊建筑原材料情況，開始采用土工袋護(hù)岸技術(shù)，在塔里木河中游修建土工袋堤防。該堤防具有造價(jià)低、施工速度快等特點(diǎn)。然而土工袋裝沙漠土作為永久性護(hù)岸工程的材料，并沒有可參照的國家規(guī)范，下文就當(dāng)?shù)睾拥啦牧咸畛涞耐链鳛橛谰眯宰o(hù)坡面臨的岸坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究。

1 自然岸坡穩(wěn)定性分析

塔里木河輸水堤筑堤土料均就近取材，河道周邊土質(zhì)主要是粉土和粉細(xì)砂，一般表層為粉土層，厚2.0～4.3 m，下層為深厚粉細(xì)砂層，部分河段粉細(xì)砂層出露于地表。兩岸堤頂寬5.0 m 左右，一般高2.5～3.0 m。汛期來臨，水流裹挾著泥沙沿河而下，沖刷堤腳。在河道轉(zhuǎn)彎處，最大沖刷深度可達(dá)3.0 m 左右，部分河段河堤垮塌，形成決口。為了綜合分析各河段河堤的穩(wěn)定性，分別取沖刷深度為1.0，2.0，3.0，4.0 m，沖坑壁坡比為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，有無地下水和不同土質(zhì)情況的岸堤進(jìn)行計(jì)算分析。因干流沿線土質(zhì)的物理參數(shù)有一定的差異，因此，此次的穩(wěn)定性分析以土體抗剪強(qiáng)度偏弱的堤段為計(jì)算對象，其具體的物理力學(xué)參數(shù)見表1，不同情況下的安全系數(shù)見圖1，2。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

從圖1，2 整體情況來看，岸坡的安全系數(shù)隨著沖坑坡度系數(shù)的增大而增大，呈線性關(guān)系，但增長率緩慢。沖坑深度越深，沖坑坡度與安全系數(shù)關(guān)系曲線斜率越大，不同沖坑深度曲線隨著沖坑坡度變緩，有逐漸匯聚的趨勢。說明沖坑坡度較陡時(shí)，沖坑深度對岸坡安全系數(shù)的影響較大，而沖坑坡度越緩，沖坑深度對岸坡的安全系數(shù)影響也越小。

圖1 岸坡在無地下水情況下的安全系數(shù)

圖2 岸坡在有地下水情況下的安全系數(shù)

由圖1，2 分別對比可以看出，岸坡土體內(nèi)地下水對岸坡穩(wěn)定性影響較為顯著，當(dāng)岸坡土質(zhì)為粉細(xì)砂且考慮地下水時(shí)，無論沖坑多深，岸坡的穩(wěn)定性都無法保證。當(dāng)岸坡土質(zhì)為粉土?xí)r，若沖坑深度小于2.0 m，岸坡的安全性能夠得到滿足；若沖坑深度大于2.0 m 時(shí)，岸坡將整體性滑塌。在考慮地下水時(shí)，沖坑深度對沖坑坡度系數(shù)與安全系數(shù)之間關(guān)系的影響更明顯。

總體來說，塔河岸坡邊坡穩(wěn)定最主要由堤身土體性質(zhì)決定，粉土質(zhì)岸坡的安全性要優(yōu)于粉細(xì)砂質(zhì)岸坡的安全性，塔河岸坡的防護(hù)不宜采用就近的粉細(xì)砂作為護(hù)岸材料，使用就近的粉土作為護(hù)岸材料時(shí)，也需要仔細(xì)分析，慎重設(shè)計(jì)。

2 土工袋護(hù)岸邊坡穩(wěn)定性分析

河海大學(xué)劉斯宏教授[3-7]提出了一種新型加筋土材料-土工袋。這種加筋土材料可就地取材，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，還具有良好的減震消能性能，在邊坡、擋墻、公路路基、堤防等工程中得到了應(yīng)用。塔河干流管理局結(jié)合塔里木河實(shí)際情況，借鑒土工袋加筋土材料，改進(jìn)施工工藝，研究出了適合塔河流域岸坡防護(hù)的無紡布土工袋護(hù)岸技術(shù)。

2.1 土工袋護(hù)岸技術(shù)

邊坡采用無紡布土工袋，臺(tái)階狀疊加碼放，自下向上逐層錯(cuò)開疊放，整平壓實(shí)，確保不形成貫通裂縫。坡腳和河底采用無紡布土工袋水平鋪蓋（厚度0.6 m）。具體形式見圖3，土工袋規(guī)格尺寸2.0 m×1.5 m（長×寬），裝土成型直徑約0.9 m，高0.5～0.6 m。

土工袋的袋體材料選用長絲紡粘針刺非織造土工布，具體參數(shù)見表2。土工袋填充材料就近現(xiàn)場開挖臨河側(cè)的無腐殖質(zhì)的砂土，取土點(diǎn)距坡腳不小于50.0 m。袋體裝填土料最大粒徑小于5 cm。土工袋的充填密度大于14.5 kN/m3，充滿度為80%～90%。土工袋采用機(jī)械裝土、人工輔助，配套與土工袋規(guī)格相適宜的模具裝袋、封口。土工袋袋口采用專用手持式縫紉機(jī)進(jìn)行雙道尼龍線縫合，縫合針腳間距小于2 cm，土工袋封口線至袋口邊緣距離不小于3 cm，封口部位的斷裂（拉伸）強(qiáng)度大于袋體強(qiáng)度。土工袋每鋪設(shè)1 層，采用手持式平板振動(dòng)夯整平壓實(shí)。施工期間，根據(jù)天氣情況對施工層面與制備好的土工袋采取遮蓋措施，避免受到雨水沖刷與陽光曝曬。

圖3 土工袋疊放圖

土工模袋護(hù)坡的特點(diǎn)是反濾保土、適應(yīng)變形能力強(qiáng)，地域適應(yīng)性強(qiáng)，施工便利、就地取材、造價(jià)較低，生態(tài)功能好；但耐久性欠佳，鋪設(shè)過程中容易損傷且不易被發(fā)現(xiàn)。

表2 土工袋的技術(shù)指標(biāo)

為了研究土工袋護(hù)坡對邊坡安全系數(shù)的影響，分別對使用土工袋護(hù)坡后的岸坡進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析和土工袋與岸坡土體接觸面的抗滑穩(wěn)定性分析。

2.2 土工袋護(hù)坡整體穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，假設(shè)土工袋護(hù)坡體與其后土體間無相對滑動(dòng)，土工袋護(hù)坡體與其后土體統(tǒng)一進(jìn)行條分。分別對粉土在考慮地下水、不考慮地下水、不同坡高、不同邊坡系數(shù)的情況，使用瑞典圓弧法進(jìn)行了分析。

圖4～7給出了不考慮和考慮地下水的情況下，未防護(hù)和使用土工袋防護(hù)后岸坡的安全系數(shù)情況?？梢钥闯?，無論是否考慮地下水，使用土工袋防護(hù)后岸坡的穩(wěn)定性都有所增加。一般情況下，隨著岸坡逐漸變緩，岸坡安全系數(shù)增長率逐漸降低。

考慮地下水時(shí)，土工袋防護(hù)岸坡安全系數(shù)的提高更明顯，由圖5 可以看出，不考慮地下水時(shí)土工袋防護(hù)岸坡安全系數(shù)提高率為4%～16%，由圖7可以看出，考慮地下水時(shí)土工袋防護(hù)岸坡的安全系數(shù)提高率為6%～30%。

圖4 粉土在無地下水情況下的安全系數(shù)

圖5 粉土在無地下水情況下的安全系數(shù)增長率

圖6 粉土在有地下水情況下的安全系數(shù)

圖7 粉土在有地下水情況下的安全系數(shù)增長率

岸坡高度越高，使用土工袋防護(hù)后岸坡的安全系數(shù)提高率也越大，不考慮地下水和考慮地下水情況下，岸坡高度為9.0 m 時(shí)土工袋防護(hù)的岸坡安全性比未防護(hù)的岸坡安全性分別提高了11%～15.5%和23%～30%；岸坡高度為7.0 m 時(shí)土工袋防護(hù)的岸坡安全性比未防護(hù)的岸坡安全性分別提高了6%～15%和9%～14%；岸坡高度為5.0 m 時(shí)土工袋防護(hù)的岸坡安全性比未防護(hù)的岸坡安全性分別提高了4%～7%和6%～5%。

2.3 土工袋與岸坡土體接觸面穩(wěn)定性分析

土工袋鋪設(shè)于岸坡上，土工袋與岸坡之間的接觸面是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)岸坡較陡時(shí)，可能還存在抗滑穩(wěn)定性問題。分別取坡高5.0，7.0，9.0 m，邊坡系數(shù)為0.5，0.8，1.2，2.0，3.0，岸坡內(nèi)存在地下水和不考慮地下水等，進(jìn)行了分析計(jì)算。驗(yàn)算時(shí)，護(hù)坡體后土壓力采用庫倫主動(dòng)土壓力公式計(jì)算，安全系數(shù)為沿滑面的抗滑力除以滑動(dòng)力，計(jì)算簡圖見圖8。

圖9 給出了各種情況下土工袋與岸坡土體接觸處的抗滑安全系數(shù)?？梢钥闯觯?dāng)岸坡系數(shù)為0.8 時(shí)，安全系數(shù)最低，當(dāng)岸坡緩于或陡于0.8 時(shí)，抗滑安全系數(shù)都逐漸增大；考慮水的作用時(shí)，抗滑安全系數(shù)下降25%～40%；隨著坡高逐漸增高，抗滑安全系數(shù)逐漸下降。只有當(dāng)坡高大于7.0 m，且邊坡系數(shù)小于1.2 時(shí)，土工袋與土體接觸處的安全系數(shù)才無法滿足安全要求。

圖8 土工袋護(hù)坡計(jì)算簡圖

3 結(jié)語

塔里木河干流岸坡在未采取任何工程措施的情況下，自身的岸坡穩(wěn)定性一般，且洪水期存在淘刷而導(dǎo)致決堤的問題。當(dāng)?shù)胤奂?xì)砂不適宜單獨(dú)做岸坡填筑材料；粉土作為岸坡填筑材料時(shí)，也要精心設(shè)計(jì)，仔細(xì)驗(yàn)算其穩(wěn)定性。使用土工袋作為護(hù)坡體對岸坡的穩(wěn)定性有一定的積極作用。同時(shí)，由于土工袋的整體性作用比當(dāng)?shù)胤奂?xì)砂和粉土好，因此，土工袋還起著一定的抗沖刷作用。使用土工袋防護(hù)岸坡時(shí)，土工袋與岸坡土體接觸處的抗滑安全性要優(yōu)于岸坡整體的安全系數(shù)，因此，岸坡整體的安全系數(shù)成為岸坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)。

圖9 土工袋與岸坡土體抗滑穩(wěn)定系數(shù)圖