雅魯藏布江某裸露沙洲河段治理措施研究

諸 青，黃 偉

（長江河湖建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430010）

雅魯藏布江中游某寬谷河段內(nèi)有大面積的沙洲，枯水期水流集中在沙洲間的枯水深槽內(nèi)，河道內(nèi)沙灘大面積裸露。地形和風(fēng)場耦合形成狹管效應(yīng)，強(qiáng)風(fēng)情況下沙灘泥沙起動形成揚(yáng)沙天氣，沙塵嚴(yán)重時(shí)迫使附近機(jī)場的飛機(jī)無法安全起飛或返航，因機(jī)場周邊揚(yáng)沙導(dǎo)致飛機(jī)停飛或返航的事件幾乎每年都會發(fā)生數(shù)次。揚(yáng)沙天氣也影響了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娙粘５纳a(chǎn)、生活，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，制約了地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)健康發(fā)展，也給西藏地區(qū)的國防安全留下了隱患。為落實(shí)國家治邊穩(wěn)藏方略，顯著緩解機(jī)場周邊的沙害問題，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)，維護(hù)國家安全，支撐沿岸社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)施雅魯藏布江中游某機(jī)場周邊河道沙化應(yīng)急治理是非常必要、非常迫切的。工程建設(shè)內(nèi)容包括濕地面積846.7 hm2、生態(tài)治沙面積2 666.7 hm2、生態(tài)護(hù)岸8 段總長23.3 km，初步匡算工程投資約17.4 億元。河段內(nèi)裸露沙洲治理面積2 013.3 hm2，沙地治理率37.19%，河道內(nèi)裸露沙洲占比由36.50%降至22.93%。此外，工程實(shí)施后，T8灘面可形成約1 506.7 hm2土地，遭遇5 a 一遇洪水時(shí)不會被淹沒。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 徑流泥沙

羊村水文站多年平均流量為933 m3/s，徑流量為294億m3，徑流年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在6—10月，約占全年的80.1%；8月平均流量為3 100 m3/s，1—4月平均流量僅為252～283 m3/s，僅占8月平均流量的8.1%～9.1%。羊村水文站多年平均輸沙量為1 512 萬t，多年平均含沙量為0.51 kg/m3。羊村水文站年內(nèi)輸沙量分配也極不均勻，6—10 月輸沙量占全年的97.8%，其余月份輸沙量合計(jì)僅占全年的2.2%[1]。

1.2 設(shè)計(jì)洪水位

本次推薦采用《雅魯藏布江流域綜合規(guī)劃》成果，確定羊村水文站100、50 a 一遇洪水流量分別為10 200、9 340 m3/s。對比工程區(qū)灘面高程以及不同頻率洪水位可以看出，CS1 斷面工程區(qū)灘面平均高程約3 569 m，與10 a一遇洪水位基本齊平；CS2斷面工程區(qū)灘面平均高程約3 568 m，與30 a一遇洪水位基本齊平；CS3斷面工程區(qū)灘面高程平均約3 566 m，與5 a 一遇洪水位基本齊平[2]?？偟膩碚f，工程區(qū)的灘面高程相對較高。

1.3 地質(zhì)概況

工程區(qū)內(nèi)雅魯藏布江流向自西向東，河谷呈“U”形寬谷或較寬谷，為辮狀河道，心灘、邊灘發(fā)育，汊流密布，水流較平緩，水面寬200～400 m，洪水期最寬可達(dá)5 km；兩岸Ⅰ級階地或漫灘順河向發(fā)育，規(guī)模大小不一，寬度為0.1～2.5 km。工程區(qū)內(nèi)第四系地層廣泛分布，主要為全新統(tǒng)新近沖積層（Q42al）粉細(xì)砂、砂礫（卵）石，部分為洪積層（Qpl）碎石土、沖洪積層（Qal+pl）碎石土、砂礫（卵）石及上更新統(tǒng)河湖積層（Q3hl）粉細(xì)砂、砂礫石。不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為崩岸、風(fēng)沙侵害及凍融侵蝕。主要工程地質(zhì)問題有抗沖穩(wěn)定問題和飽和砂土液化問題。新建護(hù)岸工程岸坡工程總長10.36 km，岸坡穩(wěn)定狀態(tài)為工程地質(zhì)條件差（D 類）為主。為此，應(yīng)采取防護(hù)處理措施，對岸基上部厚度不大的粉細(xì)砂層可與清表結(jié)合清除，對厚度較大的粉細(xì)砂層根據(jù)需要采取夯實(shí)及必要的抗液化處理措施。

2 沙化成因及治理思路

2.1 沙粒運(yùn)動基本原理

沙粒在重力、推力、升力共同作用下以震動、滾動、飛升、跳躍幾種形式起動。地表沙粒由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)的臨界風(fēng)速約為4.5～5 m/s。沙粒蠕移運(yùn)動（0.5～2.00 mm），約占總輸沙量的20%～25%；躍移運(yùn)動（0.05～0.50 mm），為風(fēng)沙運(yùn)動的主體成分，約占總輸沙量的75%；懸移運(yùn)動（一般＜0.05 mm），約占總輸沙量5%以下，為沙塵暴（浮塵）的主要來源。輸沙率影響因素有風(fēng)力、粒徑、地面粗糙度、地面斜度、濕度、植被蓋度。

氣流搬運(yùn)的沙量約80%在0～10 cm 的高度內(nèi)，約90%在30 cm 高度內(nèi)。這對防沙工程設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。例如，沙障高于沙面20～30 cm 即可收到良好效果。引起揚(yáng)沙的風(fēng)向中，東風(fēng)占33.3%，偏西風(fēng)占38.4%，受偏東風(fēng)和偏西風(fēng)的影響最大；引起浮塵的風(fēng)向中，偏東風(fēng)占74.55%，受東風(fēng)影響最大[3]。

工程區(qū)域全年風(fēng)向以東風(fēng)和西風(fēng)為主，其中東風(fēng)發(fā)生頻率14.27%、西風(fēng)發(fā)生頻率10.00%；11—次年4 月風(fēng)向以東風(fēng)和西風(fēng)為主，其中東風(fēng)發(fā)生頻率10.95%、西風(fēng)發(fā)生頻率12.53%，所以偏東（西）風(fēng)對沙塵的形成影響較大。

受河段地質(zhì)構(gòu)造影響，上游峽谷段水沙進(jìn)入寬谷河段后流速降低，泥沙持續(xù)淤積，枯水期徑流集中在沙洲間的枯水深槽內(nèi)，河段內(nèi)形成了大面積的裸露洲灘；且河沙粒徑小，以粉砂為主。雅魯藏布江流域河床沙以極細(xì)沙為主（58%），為風(fēng)沙災(zāi)害形成提供了最主要的物源，并以就地起沙的方式在河道北岸、江心洲、河漫灘和山麓地帶形成沙地。大風(fēng)來臨時(shí)，河道洲灘均可能出現(xiàn)起沙現(xiàn)象[4]。

2.2 治理思路

由風(fēng)沙運(yùn)動學(xué)原理及沙化成因分析可知，防沙治沙須從沙粒狀態(tài)和起沙的動力條件2 個(gè)方面入手，通過采取措施增加沙粒起動難度或降低風(fēng)速進(jìn)而控制風(fēng)沙災(zāi)害。本著分階段、分部位、優(yōu)先治理的原則，本次試點(diǎn)工程（以下簡稱本工程），根據(jù)2億元投資規(guī)模，結(jié)合《應(yīng)急治理實(shí)施方案》，治理對象選擇距離機(jī)場較近、沙地面積較大且治理對機(jī)場風(fēng)沙災(zāi)害有明顯效果的T8 洲灘先期開展工程措施部分。該河段總長度31 km，其中機(jī)場上游段14 km、下游段17 km。其橫向治理范圍為河道管理范圍線內(nèi)的區(qū)域，為后續(xù)的沙障、生物固沙等措施奠定基礎(chǔ)。

2.3 河道演變分析

由于風(fēng)沙運(yùn)動影響，本工程河段總體呈緩慢淤積態(tài)勢。長期來看，自然條件下，由于河道不斷淤積，枯水期裸露的灘面面積將逐漸增大，河道沙化現(xiàn)象趨于嚴(yán)重，揚(yáng)沙天數(shù)也呈增加趨勢。受天然或人工節(jié)點(diǎn)控制，工程河段總體河勢變化趨于穩(wěn)定。

3 治理方案比選和工程設(shè)計(jì)

3.1 治理方案比選分析

治理方案工程分布如圖1—2 所示，治理方案對比分析詳見表1。

表1 治理方案對比分析

圖1 方案1工程分布

圖2 方案2工程分布

從與《應(yīng)急治理實(shí)施方案》的銜接、保障工程治理效果的角度考慮，經(jīng)過綜合比較推薦方案2，但填方區(qū)具體的形態(tài)還需結(jié)合防洪、河勢等要求進(jìn)一步優(yōu)化完善[5，6]。

3.2 工程主要類型和設(shè)計(jì)

3.2.1 疏浚工程

為保障疏挖區(qū)在枯水期也被水淹沒、避免該區(qū)域泥沙被風(fēng)吹起、減少揚(yáng)沙天數(shù)，本次挖方底高程確定為設(shè)計(jì)枯水位，高程范圍為3 561.49～3 564.92 m，疏挖方量為249.8 萬m3。本工程疏浚區(qū)的土質(zhì)以砂性土為主，根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS181-5-2012），結(jié)合類似工程的經(jīng)驗(yàn)，河道側(cè)疏浚邊坡設(shè)計(jì)坡比為1∶5。

3.2.2 土方填筑工程

249.8 萬m3疏浚砂及護(hù)岸工程開挖料全部用于T8疏浚區(qū)北側(cè)填筑，填筑區(qū)面積約473.3 hm2，填筑至5 a一遇設(shè)計(jì)洪水位，高程范圍為3 563.88～3 565.3 m，填筑區(qū)邊坡坡比為1∶4。

3.2.3 護(hù)岸工程

坡式護(hù)岸工程主要有干砌塊石、漿砌塊石、預(yù)制混凝土六方塊、預(yù)制混凝土植生塊、土工格柵石墊、雷諾石墊等形式。綜合交通、經(jīng)濟(jì)、施工等多個(gè)因素，經(jīng)過比選，生態(tài)護(hù)岸工程水上護(hù)坡采用格賓石籠擋墻結(jié)構(gòu)。水下護(hù)腳形式主要有拋石、模袋混凝土、鉸鏈排、格賓石籠等。經(jīng)過比選，生態(tài)護(hù)岸工程水下護(hù)腳采用格賓石籠結(jié)構(gòu)。根據(jù)施工總進(jìn)度要求及施工特性，本工程施工程序一般遵循“先護(hù)坡，后護(hù)腳，最后路面”的原則[7]。

T8 洲灘回填是將回填區(qū)域外圍區(qū)域疏挖，并用疏挖料回填抬高回填區(qū)，土方填筑工程量約256.99萬m3。考慮到T8洲灘回填施工是在枯水期進(jìn)行，且枯水期大部分疏挖區(qū)域位于設(shè)計(jì)枯水期水位以上，因此疏挖回填施工方式以挖掘機(jī)配自卸汽車挖運(yùn)為主、鏈斗式挖泥船疏挖為輔。

（1）護(hù)坡設(shè)計(jì)。格賓石籠擋墻墻底高程位于設(shè)計(jì)枯水位以下0～0.5 m，墻頂高程與5 a 一遇洪水位一致。參考類似工程的經(jīng)驗(yàn)，擋墻迎水側(cè)設(shè)置為階梯形狀，每級臺階高0.5 m、寬0.5 m，背水側(cè)采用直立邊坡，墻高2 m 或2.5 m。單個(gè)格賓石籠的規(guī)格采用6 m×2.0（1.0/1.5）m×0.5 m（長×寬×高），本次設(shè)計(jì)格賓石籠充填塊石粒徑范圍為0.10～0.25 m。擋墻基礎(chǔ)位于承載力較差的砂土層，為確保墻體穩(wěn)定，基礎(chǔ)采用塊石換填基礎(chǔ)，換填厚度為0.5～2.0 m，平均厚度約1 m。塊石料平均粒徑范圍為20～25 cm。護(hù)坡橫截面，如圖3所示。

圖3 護(hù)坡橫截面

為降低墻后土壓力和工程風(fēng)險(xiǎn)，墻后填土選用含礫砂土回填。為保障T8洲灘的防汛交通，在護(hù)岸工程后方建設(shè)1條防汛便道，便道采用碎石路面，碎石厚度50 cm，路肩寬5 m，路面寬4.5 m。

（2）護(hù)腳設(shè)計(jì)。本工程擬建護(hù)岸工程護(hù)寬依據(jù)護(hù)岸范圍內(nèi)各斷面水下地形情況具體確定，最小護(hù)寬為8 m，迎流頂沖段取10 m。參照已建類似的施工經(jīng)驗(yàn)，格賓石籠厚度取0.5 m。設(shè)計(jì)水深取2.5 m，設(shè)計(jì)流速取2.5 m/s，經(jīng)計(jì)算沖刷深度1.0 m，所需格賓石籠量為3.75 m3/m。本次設(shè)計(jì)水下最小護(hù)寬8.0 m，厚度0.5 m，方量最小4.0 m3/m，可以滿足沖刷計(jì)算的要求。護(hù)腳格賓石籠鋼絲網(wǎng)技術(shù)參數(shù)與格賓石籠擋墻鋼絲網(wǎng)參數(shù)一致。

3.3 擋墻穩(wěn)定計(jì)算

擋墻穩(wěn)定計(jì)算工況分為3 種：①工況1：基本荷載組合，墻前水位與墻頂齊平，墻后水位與墻前水位相同；荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、基底揚(yáng)壓力以及坡頂汽車活荷載。②工況2：基本荷載組合，墻前水位與墻底齊平，墻后水位與墻前水位相同；荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、基底揚(yáng)壓力以及坡頂汽車活荷載。③工況3：特殊荷載組合Ⅰ，墻前水位由墻頂驟降最大墻高，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、基底揚(yáng)壓力以及坡頂汽車活荷載。

在3 種計(jì)算工況下，按照抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算擋墻穩(wěn)定性[8]，具體數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 擋墻穩(wěn)定計(jì)算成果

4 結(jié)語

本工程是《應(yīng)急治理實(shí)施方案》中T8 洲灘生態(tài)治理的部分工程。本工程疏浚及土方填筑工程實(shí)施后，形成了面積約473.3 hm2的灘地，在遭遇5 a 一遇以下洪水時(shí)不會被淹沒。根據(jù)《應(yīng)急治理實(shí)施方案》，為減少揚(yáng)沙天數(shù)，還應(yīng)在473.3 hm2填筑區(qū)實(shí)施沙障、植樹種草等治沙措施。因此，為達(dá)到減少沙化面積、降低揚(yáng)沙天數(shù)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的目的，建議及時(shí)跟進(jìn)本工程對應(yīng)的生態(tài)治沙措施，以保障治沙效果。同時(shí)，工程區(qū)相關(guān)資料欠缺，為分析本工程效果，建議在本工程實(shí)施前后加強(qiáng)水文、泥沙、揚(yáng)沙等的觀測。另外，總結(jié)本工程經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)《應(yīng)急治理實(shí)施方案》其他區(qū)域治沙提供借鑒，確保投入取得實(shí)效。