塔里木河河岸土工織物袋防護措施性能實例研究

申 俊

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

河岸侵蝕是塔里木河沿岸面臨的主要自然災害之一。在過去的100年里，塔里木河呈現出河道擴張的趨勢，當河流進入阿拉爾市到曲毛格金范圍時，坡度突然減小，大量沉積物沉積，導致河流橫向發展。隨著汛期開始，河流的輸沙量增加，水深開始發生變化，河床上的沉積物以砂壩和島嶼的形式出現[1]。前人對塔里木河阿拉爾到曲毛格金河段的河岸侵蝕進行了研究，表明在1914—1975年間，兩岸都發生了顯著的侵蝕，而在1975—1998年間，河流經歷了一個主要的沉積階段。嚴重的河岸侵蝕，導致每年大量肥沃土地流失。這種額外的沉積物導致了河道中部砂壩的形成、河岸侵蝕和加寬[2]。

隨著土工織物材料在建筑行業的日益普及，塔里木河上遭受侵蝕的河段河岸已經應用了土工織物袋、土工織物管等工程措施。使用放置在土工織物過濾層上的土工織物袋進行護岸，修建適當的河道整治工程，如填充有土工織物袋的鋼石籠以規則的間隔放置，增強沖刷保護措施的穩定性[3-4]。但現有的文獻中很少有關于使用諸如土工織物袋的這些護岸措施的效果的研究[5]。本文采用簡化鉆孔方法，以及詳細的實驗室試驗結果和分析確定了岸邊土的性質，并預測護岸工程竣工后第一年、第三年因淤積而導致的砂壩形成情況，揭示了塔里木河河岸保護工程對河流誘發淤積和水流模式的影響。

1 研究區概況

塔里木河流域在地域上包括塔里木盆地、周邊向中心聚流的九大水系、114條源流和塔里木河干流、塔克拉瑪干大沙漠及東部荒漠區。流域總面積102萬km2，流域內有5個地(州)的42個縣(市)和兵團4個師的55個團場，全流域總人口902萬，流域內現有耕地2044萬畝。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、庫車河、喀什噶爾水系、葉爾羌河、和田河、克里雅河和車爾臣河。塔里木河是一個封閉的內陸水循環和水平衡的相對獨立的水文區域，該河干流上段從阿拉爾到曲毛格金河段屬動蕩型河道，河勢的變化非常頻繁且幅度較大，河流周圍地區一直存在洪水泛濫和河岸侵蝕等問題，該河段護岸工程的長度為650m，位于曲毛格金上游約12km處，見圖1。

圖1 研究區概況

2 現場調研及相關試驗研究

2.1 現場調研

近幾十年來塔里木河干流實施了一系列的護岸工程，本文選取塔里木河干流上游一段護岸工程進行現場調研，護岸具體工程技術細節見圖2、表1。

圖2 塔里木河護岸工程示意圖

表1 塔里木河干流護岸工程技術細節

2.2 相關試驗研究

2.2.1 土壤樣品測試

在該保護工程附近對塔里木河河岸土壤的巖土特性進行了取樣調查，包括深度直至地下水位的河岸土壤。由于侵蝕造成的破壞深度通常較淺，因此需要收集土壤分層的詳細信息，以便進行邊坡穩定性分析。沖洗鉆孔和螺旋鉆孔都是最常用的地下鉆孔方法，但它們會產生高度擾動的土壤樣本，并且很難識別較薄的底土層。為了獲得更詳細的土壤分層數據，本次取樣采用一根長2.5m、內徑70mm、厚3mm的中空鍍鋅鐵管，通過人工將管子反復向上、向下移動到土壤中，將鉆孔取下。每穿透30cm后，將管道從鉆孔中取出，并通過輕輕敲擊管道外部小心地將土壤從管道中取出。隨后收集土壤樣品，密封在有標記的容器中，并運送到實驗室進行測試。該方法可有效地用于采集地下水位以下深度的土壤樣品。利用現場十字板剪切儀測量了不同深度岸坡土的抗剪強度。

將現場采集的土壤樣品在實驗室進行測試，以確定河岸土壤的巖土特性。剪切強度由在現場密度下制備的重塑樣品實驗室測試確定。為了測定剪切強度，直接剪切試驗在不排水條件下進行。

2.2.2 野外測量

在防護工程竣工后的第1年，觀察到研究區域產生了新的淤積，形成砂壩。為了研究淤積產生的形式和程度以及砂壩的形成，進行了實地調查。這次的測量工作使用了電子經緯儀，將勘測區域劃分為20m×9m×20m的網格，并確定了各網格點處高度，目的是繪制沙洲的等高線圖。

2.2.3 河岸土壤的特性

從現場鉆孔獲得的鉆孔測井見圖3。它展示了深度為0.9m的表層粉砂土，超過該深度的土壤主要是黏質砂。地下水位位于1.46m處。由于采用了簡化的鉆孔方法，可以更詳細地獲得岸土的分層情況。由表2可以看出不同深度現場采集的并由實驗室測試獲得的岸土巖土特性。

圖3 現場鉆孔獲得的鉆孔測井

表2 五種不同深度的河岸土壤的巖土特性

2.3 土工織物材料的性能和物理條件

2015年，在河岸的填筑場地發現了一些未使用過的土工織物袋，將其收集起來用于對比評估同一批土工織物袋在暴露于野外條件3年后的物理狀況。將土工織物材料在實驗室進行測試，檢測其單位面積的質量、厚度、拉伸強度和穿刺強度。使用直徑為50mm的柱塞在CBR儀器中測試穿刺強度和拉伸強度。

檢測結果顯示，該河道防護工程中使用的土工織物材料為非織造材料，土工織物在暴露于野外條件下3年后，性質沒有表現出嚴重惡化。實驗室測試結果見表3。

由表3可以看出，在這項工程中使用的非織造土工織物袋材料，即使經過3年的現場暴露，也沒有顯示出物理退化的跡象，其強度僅下降15%

表3 土工織物袋材料的實驗室試驗結果

3 防護措施對河道淤積和水流偏轉的影響

3.1 河道淤積

在阿拉爾到曲毛格金河段使用土工織物袋作為河道護岸。本節研究了護岸工程引起的河岸附近河流流態的變化以及由此產生的淤積情況。

由于在河床中安裝了下水護坦，河岸附近的流速降低，泥沙開始沉積。隨著泥沙淤積量的增加，河流的主流流向逐漸偏離河岸，淤積面積逐漸擴大。洪水過后，隨著水位的下降，淤泥沉積最多的地區首先出現在河流水面上的砂壩上。河水繼續在這些小砂壩周圍流動。隨著水進一步退去，水面上出現了下一層淤泥沉積區。隨著河水水位繼續下降，更多的泥沙淤積區出現了。因此，河流中砂壩的不同基準面高度代表了它們相對于時間形成的不同階段。淤積導致砂壩形成的剖面圖可以間接用于估計護岸工程竣工后河流流態的變化。

為了估計漸進砂壩形成的程度，通過詳細的地面勘測繪制了區域等高線圖。于2018年8月對2015年修建護岸措施后形成的砂壩進行了勘察。通過將整個區域分成20m的網格，使用數字經緯儀進行測量。等高線圖采用等高線間隔為25cm的插值方法繪制。基準面高度為99.25m、99.00m、98.75m、98.50m、98.25m和98.00m處的砂壩見圖4。

圖4 淤積形成的砂壩情況

3.2 水流偏轉

借助衛星照片，研究了修建護岸工程后研究區內河流水向的變化。采用2015年3月和2018年3月拍攝的谷歌地球衛星照片，圖5(a)、圖5(b)分別顯示了2018年3月和2015年3月河道和砂壩的水流偏轉情況，在此期間產生的新侵蝕以及新砂壩的形成情況。圖5(c)給出了2015—2018年期間因河道流向變化導致的新侵蝕區域范圍和新淤積產生的區域。

圖5 水流流態與砂壩情況

4 討 論

河岸土壤的可蝕性和抗剪強度是兩個最重要的強度指標。低黏聚力和低塑性指數的岸土更容易受到侵蝕。研究中的堤岸由具有低黏聚力的土壤構成，使其易受侵蝕。試驗結果還表明剪切參數非常低。十字板抗剪強度試驗顯示，隨著土壤變得飽和，抗剪強度急劇下降。這表明在洪水期間，淹沒條件下河岸土壤的穩定性急劇下降。

由于安裝護坦后流速降低，在護坦上游端附近可以看到淤積跡象。圖4(a)顯示了在距離河岸約300m的位置，河道中部開始淤積，這表明河流流向偏離護岸工程。由圖4(b)～(d)可以看出，隨著洪水消退，淤積區域由最初河道中部砂壩周圍向靠近下水護坦的下游側增加。這表示河水流動逐漸偏離河岸。圖4還展示了護岸工程的保護區域，從河岸延伸至河流中350m處，該距離是下水護坦10.5m寬度的近30倍。

隨著洪水消退，水流逐漸偏離河岸繞行，進一步引發護岸工程上游的淤積，砂壩逐漸形成，圖4(e)、圖4(f)顯示，盡管下水護坦成功地將河道水流從護岸工程上游端附近的河岸分流，并導致新砂壩的形成，但在護岸工程下游沒有立即發生淤積，水流在河床護坦下游端處急劇向河岸回流。由于河岸土壤易受侵蝕，從土工試驗中可以看出，河流向防護工程下游河岸的急劇流動導致其極易受到侵蝕。圖5清楚地展示出河道已經急劇地回到岸邊。該河道已經在緊鄰護岸工程的下游開始了新的河岸侵蝕過程。在該河流的下游段，2015—2018年3年期間，該河流向西岸改變了路線，導致河岸侵蝕和河道中部砂壩的形成，表明需要對換工程下游的河岸進行保護。

5 結 論

在對塔里木河河岸保護措施竣工后的侵蝕、淤積以及對土工織物袋河床保護效果的研究得出以下結論：

a.防護工程將河流從受保護的河岸分流，導致泥沙淤積，形成了一個砂壩，其延伸距離幾乎是下水護坦寬度的30倍。

b.盡管河流從受保護河段的堤岸分流，但水流將會急劇回流至堤岸，剛好超出護岸工程的下游端，因此護岸工程下游的堤岸更容易受到侵蝕。

c.河岸底土的不良巖土性質導致其更容易受到侵蝕。

d.下游的護岸工程對河岸造成了不利影響，在3年內造成了侵蝕和河流流向的偏移。土工織物袋構成的河岸保護措施，雖然在受保護區域范圍內有效，但有可能將侵蝕區移至同一河岸的下游區域。