塔河整治軟弱基礎岸坡治理方案應用研究

蔡 峰，馬愛華

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

塔里木河是中國第一大內陸河，河水很不穩定，被稱為“無疆的野馬”，干流及支流中下游段多為粉細砂質河床，河床沖淤變化十分劇烈，河岸極不穩定。汛期洪水極易造成河岸坍塌、河堤決口，一遇較大洪水，災情經常發生，給沿河兩岸造成嚴重的損失，基礎設施遭到破壞，大量優質農田被沖毀變成灘地，也導致大量水土流失和生態環境改變。過去對塔河的長期治理中，國家投入了大量的資金和人力物力，建設了大量河道整治堤防工程，但很多工程運行周期短，效果不十分理想，其中包括不少失敗的教訓[1]。

近年來，隨著各種新材料新技術在江河治理、生態保護等各項工程實踐中得到應用，各種新型堤防工程岸坡防護技術也在各河道整治工程中不斷推廣應用。在各種堤防護岸技術不斷推出的情況下，針對幾種常用的軟基礎防護措施方案進行研究分析，選擇適合不同河流地質條件的穩定可靠、經濟耐用、生態環保的岸坡治理設計方案，對流域河道整治及生態工程建設有著重要的現實意義[2]。

1 工程基本情況

阿克蘇河是塔河主要支流，其徑流量占塔河的73.2%，全長132km，其中106km長的中下游河段為砂質河床段，具有寬、淺、亂的特點。某堤防護岸工程即位于阿克蘇河下游河段，距阿克蘇河終點三河匯合口(阿克蘇河、葉爾羌河、和田河在此匯合為塔河干流)約25km。該護岸工程順壩全長1.5km，保護對象為某農場0.55萬人口及3萬畝耕地。

工程實施前，該段河道改道頻繁，汛期洪水肆虐，淘刷河岸沖毀耕地，據統計僅1998年至2011年十四年間，右岸農場已被沖毀高質量棉田1.1萬畝，直接經濟損失2500萬元。為了應對災害，有關部門也采取一些臨時工程防護措施，如榪杈梢石堤壩、人工沙袋護岸、臨時沙土壩、丁壩等，這些臨時工程經歷洪水后往往千瘡百孔，需要不斷進行加固和維護，年年需要投入大量財力物力。

2 區域河道整治工程存在問題

塔河流域綜合治理方案的干流堤岸工程建設已于2003年完成，經過多年運行已有大量毀壞需要重新建設。塔河流域中下游河床多為松散的粉細砂土結構，堤身岸坡由當地材料填筑而成，如采用混凝土面板、砌石等防護措施，會由于粉細砂基礎的淘刷變形而破壞沖毀。過去的河道整治工程實踐證明，很多剛性防護的堤岸工程在粉細砂土等軟弱堤岸基礎發生淘刷、液化、管涌、沉降時極易遭到破壞。在此類工程實例中，即使采用坡腳深挖換填及深層攪拌[9]等深基礎防護措施，也最終以失敗告終。相關失敗案例說明，塔河流域中下游河床的粉細砂土基礎上修建的剛性防護結構的護岸工程很容易沖毀，必須采用適應變形的柔性或剛柔結合的防護結構[3]。

軟弱河床基礎上永久性堤防護岸工程結構應具有適應變形能力強、抗沖刷、穩定耐久等特性，同時便于施工、修復加固且經濟合理。目前有多種岸坡防護型式在流域治理中得到應用，不同型式的設計方案應根據工程特點和施工條件因地制宜地應用。

3 工程基本形式選擇

堤防護岸工程壩線布置有丁壩、順壩、丁順結合等型式。游蕩性河流治理永久性堤防工程應盡量采用順應河勢的順壩布置，減少采用丁壩等改變河勢的布置，避免加劇河流的擺動，減少對兩岸的威脅和生態影響，達到長期穩定河道的目的[4]。

該流域河道整治工程堤身一般為土堤，其優勢是就地取材、經濟適用、便于施工，且適應變形。堤防工程的關鍵環節是堤身及基礎的防護措施，護岸護坡結構型式一般有砌石、混凝土、土工織物混凝土、水泥土等，基礎護腳部分防護型式應根據水流、岸坡基礎條件和材料來源，經技術經濟比較采取拋石、石籠、沉排、土工織物枕、模袋混凝土、混凝土塊體、鋼筋混凝土塊體、混合型式等護腳型式[5]。

阿克蘇河下游某堤防工程所在河段河床以粉細砂為主，岸坎少量粘性土互層，抗沖能力弱，汛期主流靠岸或者頂沖河床時，河岸下層細砂被沖刷后，便會導致河岸崩塌。在這種河床岸坡地質條件下，混凝土、漿砌石等剛性護坡在河道主流的淘刷作用下，坡腳基礎下沉導致剛性護坡發生不均勻沉降變形破壞，進而導致整個岸坡堤防遭到破壞沖毀。因此，該工程的岸坡堤防首先考慮適應岸坡基礎變形的柔性護坡型式，如：拋石、鉛絲石籠和格賓石籠等型式[6]。

4 防護結構方案分析與應用

4.1 結構型式初選

在該堤防工程防護結構型式方面，不僅要減少基礎被淘刷引起的變形破壞，同時需防止粉細砂堤身基礎的液化、管涌問題，因此堤防結構必須考慮減小液化孔隙水壓力和保證反濾排水的結構措施[12]。在該工程前期，通過對河床河岸淘刷、洪水資料、地質勘察、河流游蕩性水砂淤積規律分析，以及現狀類似堤防工程的現狀調查，進行了大量研究論證，結合粉細沙河床工程經驗，初步確定幾種適合此類河流水文地質條件生態環保的粉細砂基礎護坡設計方案[7]。初步確定的方案有以下幾種：①拋石鉛絲籠護岸；②格賓箱拋石方案[8]；③混凝土板格賓籠方案；④土工膜袋混凝土長管袋方案[10]；⑤格賓護墊方案。對各方案的特性和適應條件進行論證分析，將最終選擇一種優化的較為適合的防護結構型式作為該工程實施方案。

4.2 防護方案特性分析

結合該工程的實際情況，對初步確定的五種軟弱基礎堤岸防護方案進行分析。

(1)拋石鉛絲籠方案，如圖1所示。

圖1 拋石鉛絲籠方案設計斷面(單位:cm)

斷面結構：自坡腳向河床鋪設鉛絲籠塊石水平鋪蓋10m，下鋪散梢、鋼筋網和無紡布各一層，水平鋪蓋上部堆塊石，緊貼土堤部位采用塊石壓梢結構。

特性：結構簡單，施工技術要求不高，具有比較好的適應性，適于在河道主流貼岸的部位施工。護坡在洪水期變形大，每年汛期需組織人力進行拋石維護，必須準備足夠的備用塊石，并配備專門人力組織守護，塊石隨沉隨拋，直到下沉穩定為止。其投資方式實際上是“一次修建，分年度投入”，后期投入以及管理維護工作量較大，每年拋石量很難準確預估。

(2)格賓箱拋石方案，如圖2所示。

圖2 格賓箱拋石方案設計斷面(單位:cm)

斷面結構：自坡腳向河床鋪設塊石格賓箱水平鋪蓋18m，下鋪無紡布，鋪設多層塊石格賓箱達到堤頂，在水平鋪蓋上靠堤腳處堆放拋石，以使坡腳鋪蓋在被沖刷下沉后，能夠自動坍落保護坡腳。

特性：該方案采用格賓網箱將塊石組成柔性的整體，抗沖能力強，促淤保堤，護岸效果較好，施工工序相對簡單，建成后的維護費用一般。由于塊石格賓箱塊石和拋石體積用量很大，一次性投資較大。

(3)混凝土板格賓籠方案，如圖3所示。

圖3 混凝土板格賓籠方案設計斷面(單位:cm)

斷面結構：堤身迎水面(1∶2.5)采用現澆混凝土襯砌(厚10～15cm)，坡腳底部設混凝土齒墻，塊石格賓箱水平鋪蓋護腳(寬15m，厚80cm)。混凝土板水面以下設排水孔，混凝土板以及塊石格賓箱下設60cm級配砂礫石墊層。

特性：該方案外觀較為美觀，但護坡適應變形能力較差，排水能力受限。在坡腳設置格賓箱塊石護腳保護根部不被淘刷，但當堤身的軟弱基礎發生液化、管涌及沉降變形時將導致混凝土板損壞。且齒墻施工一般在地下水位以下需排水作業，工序復雜，投入較高。

(4)土工模袋混凝土長管袋方案，如圖4所示。

圖4 土工膜袋混凝土長管袋方案設計斷面(單位:cm)

斷面結構：迎水面(1∶3.0)采用20cm厚土工模袋混凝土護坡，下設置30cm厚砂礫石墊層；護腳采用土工長管袋鋪蓋(寬20m，厚30cm)，上層增加塊石賓格箱壓重加固(寬10m，厚50cm)，墊層及坡腳鋪蓋下設無紡布。

特性：澆筑時柔性大適應變形，結構穩定，能夠保護岸坡堤腳不受水流的淘刷，是一種較新土工材料技術的應用，但該結構在水位驟降時堤身孔隙水排出受阻，對粉細砂堤身抗液化安全不利。該方案相比混凝土板可以水下施工，進度快，但施工中需有專門施工設備，對人員的技術要求較高。

(5)格賓護墊方案，如圖5所示。

圖5 格賓護墊方案設計斷面(單位:cm)

斷面結構：護坡護腳均采用格賓護墊；坡腳處可加設一層賓格護墊，格賓護墊下設無紡布，不設墊層。

特性：適應變形能力強，結構穩定可靠，整體性好，能夠維護岸坡堤腳不受水流的淘刷，反濾排水性能好，可降低堤身基礎孔隙水壓力，減少液化破壞的可能性，施工質量易控制。格賓護墊較石籠箱體積小，塊石用量減少，投資小，后期維護成本低。

4.3 結構方案比選應用

4.3.1方案比較

對各初選方案從性能、施工、投資、運行等方面進行比較，選擇適合當地綜合條件的最優設計方案，對工程的實施和運行至關重要。

各防護結構型式方案比較見表1。

比較各方案的優缺點：拋石鉛絲籠方案在塔河有著較多使用經驗，但該方案塊石用量大、投入較高，后期需不斷投入，維護成本高；格賓箱拋石方案塊石用量大，投資較大；混凝土板+格賓籠方案雖外觀較為美觀，但適應變形能力差，基礎沉降變形易導致混凝土板整體損壞；土工膜袋長管袋方案適應變形和抗沖刷能力較好，但排水抗液化性一般，且施工需要專業設備人員，技術要求較高；格賓護墊方案整體穩定性好，抗沖刷、適應變形能力強，抗液化排水性好，易施工，運行周期長維護成本低，石材用量減少投資相對較低。

4.3.2方案確定與應用效果

該堤防護岸工程經比較選取采用了格賓護墊方案，該方案使用格賓這種鍍鋅防腐網格材料將散亂的塊石裝填組成柔性護墊，鋪設在堤防岸坡、坡腳等易受水流淘刷破壞的部位，它結合了格賓的耐久性和雷諾護墊的適應變形及經濟性[11]，在塔河整治項目中是一種較新的優化結構方案。該結構方案在此堤防護岸工程建成運行中發揮了突出的保堤護岸的防護效果，該工程建成運行以來已經歷了5個洪水期(包括超設計頻率洪水)，一直平穩安全運行，未出現一處毀壞及維修現象，取得了很好的治理效果。

表1 各軟基礎防護方案特性對比表

5 結語

在河道整治工程實踐中，新材料技術的發展運用為護岸工程提供了更多選擇，針對松軟基礎的岸坡防護技術不斷出現，并在塔河治理中得到應用。各種堤岸防護型式在工程實際中要因地制宜，適合現場情況結構合理的設計方案才能發揮其結構的優勢特點，使修建在松軟基礎上的堤防護岸工程能夠長期安全運行。

本文工程實例中所采用的格賓護墊結構方案在塔河整治項目中是一種較新型的生態環保的岸坡防護結構方案。該防護結構具有適應變形、抗沖性好、結構穩定、經濟耐用等特點，是塔河整治岸坡提防工程中值得推廣的一種結構方案，也為類似工程提供有價值的參考借鑒。