王凱博，高保玲，卓 磊

（1.博州水利水電勘測設計院，新疆 博樂 833400；2.博爾塔拉河流域管理處，新疆 博樂 833400）

1 項目概況

賽里木湖古稱“凈?！?，位于新疆博爾塔拉州博樂市境內(nèi)北天山山脈中，緊鄰伊犁州霍城縣，是新疆海拔最高、面積最大、風光秀麗的高山湖泊，又是大西洋暖濕氣流最后眷顧的地方，因此又有“大西洋最后一滴眼淚”的說法。湖面海拔2071 m，東西長30 km，南北寬25 km，面積453 km2，蓄水量達210億m3，湖水清澈透底，透明度達12 m。

2 固岸工程必要性

賽里木湖是博爾塔拉—伊犁區(qū)域重要的水源涵養(yǎng)地，對博爾塔拉—伊犁區(qū)域的氣候、環(huán)境起著重要的調(diào)節(jié)作用，賽里木湖的降水量直接決定周邊區(qū)域的農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟生產(chǎn)的豐欠，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞，將對區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展帶來顯著影響，更潛在地影響著北疆地區(qū)乃至整個新疆大氣環(huán)流的變化。近年來，賽里木湖流域生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)不斷退化趨勢，實施賽里木湖生態(tài)保護工程刻不容緩。一是從保護濕地生態(tài)安全出發(fā)，實施賽里木湖生態(tài)固岸工程十分必要。賽里木湖是重要的水源涵養(yǎng)地，湖畔草原是艾比湖流域生態(tài)的重要組成部分，對整個北疆地區(qū)的氣候起著重要的調(diào)節(jié)作用，當前，環(huán)湖岸坎多處坍塌，坎上植被成片塌落在湖灘上，造成瀕湖濕地的生態(tài)環(huán)境嚴重破壞，對全湖景觀造成嚴重影響。只有對坍塌岸坎進行固岸治理，才能有效遏制賽里木湖岸線區(qū)域草場減少進而沙化退化，保持全湖生態(tài)安全；二是從保護生物多樣性出發(fā)，實施賽里木湖固岸對草地植被恢復十分必要。賽里木湖濕地氣候類型多樣，野生動植物物種資源十分豐富，是許多重點保護野生動物（如天鵝、猛禽）棲息、繁殖或南北遷徙之地，具有很強的科學研究價值。實施賽里木湖生態(tài)固岸工程有利于恢復賽里木湖濕地功能，對于保護生物多樣性具有非常重要的特殊意義。

3 固岸方案

賽里木湖湖岸的地層巖性較為單一，主要為粉砂層，岸坡由于粉砂層的凝聚力小，在無外力作用下都可自然塌方，形成坡積物，加之湖水的風浪沖擊以及冰塊沖擊、冰拔導致侵蝕力度加快。湖岸岸底地基巖層主要是粉砂層，處在地下水潛水位以下，潛水位標高與湖水標高一致，湖積堤一帶碎石層工程地質(zhì)條件較差，強透水性，地基土碎石承載力容許值200 kPa，粉土層地基承載力容許值為130 kPa。無凝聚力，遇地震容易形成液化現(xiàn)象。

根據(jù)觀測，湖水風浪爬高在1～4 m 不等，冰體沖高在1～3 m不等。

考慮就地取材及盡量不在景區(qū)采用混凝土等人為痕跡較為明顯的處理方式，由于冬季冰爬及春季冰推破壞護岸，湖東岸岸線較長，植被較南岸稀少，游客較少，且岸坎遭受波浪及冰推破壞，坍塌嚴重，岸坎高度高，最高可達13.7 m，故湖東岸采用拋石固岸方案。

4 固岸工程規(guī)劃設計

4.1 固岸工程安全超高計算

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）表2.2.1的規(guī)定取得安全加高值，再加風壅水面高度與波浪爬高計算得固岸工程的超高值。

4.1.1 設計風速

根據(jù)規(guī)范要求，設計風速取多年平均最大風速的1.5 倍，賽里木湖多年平均最大風速為17.4 m/s，則設計風速為26.1 m/s。

4.1.2 波浪要素的計算

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013），采用莆田公式計算。

4.1.3 平均波浪爬高Rm的計算

在風的直接作用下，來波為正向的不規(guī)則波，在護坡為1.5≤m≤5的單坡的爬高按下式計算：

式中：Rm為平均波浪爬高，m；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)；KV為經(jīng)驗系數(shù)；Kp 為爬高累積頻率換算系數(shù)，對允許越浪的堤防，爬高累積頻率宜取13%；為平均波高，m；L為平均波長，m；m為斜坡坡度。

波浪爬高計算表見表1。

固岸工程位置湖東岸月亮灣至北門坍塌區(qū)斜坡坡度m經(jīng)驗系數(shù)kv風區(qū)長度F/m水域平均水深d/m堤前平均波高Hv/m平均波周期T 3.5 4.0斜坡糙率及滲透系數(shù)kΔ 0.55 0.55 1.02 1.02爬高累積頻率換算系數(shù)1.54 1.54 18 900 18 900 46.4 46.4 1.5 1.5堤前波長L/m 45.97 45.97波浪爬高Rp/m 1.97 1.73 5.43 5.43計算風速v/（m/s）26.1 26.1

4.1.4 風壅高度e的計算

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）公式C.2.1計算：

式中：K 為綜合摩阻系數(shù)，計算時一般取3.6×10-6；V為水面以上10.0 m 處的風速，m/s；d 為水域的平均水深，m；F為風向長度，m；β為風向與堤軸線的法線所成的交角。

風壅高度計算表見有2。

治理段樁號湖東岸月亮灣至北門坍塌區(qū)綜合摩阻系數(shù)K設計風速V/（m/s）距離F/m水域平均水深d/m夾角β/（°）風壅高度e/m 0.0 000 036 26.1 18 900.0 46.4 0 0.05

4.1.5 安全加高

根據(jù)工程規(guī)模，按照《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013），本工程為5 級堤防工程，堤防安全加高值取為0.3 m。

4.1.6 固岸工程超高計算

為了防止風浪等因素沖刷湖岸，造成湖岸坍塌，在湖水水位上加上安全超高、風浪爬高及風雍高度，最終確定固岸工程堤頂高程。堤頂高程按照《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）公式7.3.1計算如下：

式中：Y為堤頂超高，m；R為設計波浪爬高，m，可按附錄C計算確定；e為設計風壅水面高度，m，可按附錄C 計算確定；A 為安全加高，m，按本規(guī)范表3.2.1確定為0.3 m。

固岸工程超高計算表見表3。

固岸工程位置湖東岸月亮灣至北門坍塌區(qū)波浪爬高Rp/m 1.97安全加高A/m 0.3設計風壅增高e/m 0.05堤頂超高/m 2.32 1.73 0.3 0.05 2.09

根據(jù)堤頂超高計算，超高值為2.09～2.32 m，并考慮冬季爬冰影響，取3 m。

根據(jù)湖岸坎實測資料，岸坎高度大于3 m時，拋石高度按照水面以上3 m 確定，岸坎高度小于3 m時，拋石高度與實際岸坎高度保持齊平。

4.2 拋石粒徑計算

根據(jù)《堤防工程手冊》，拋石大小的穩(wěn)定性與拋石部位和水流條件有關(guān)。

4.2.1 用沖刷基本公式計算拋石粒徑

順水流時計算抗沖拋石大小公式：

式中：D為拋石直徑，m；v為垂線平均流速，取為2.5 m/s；s為拋石比重，為2.78 t/m3；h為拋石處水深，0.5 m；θ為邊坡坡角。

D=（v/0.75（g（s-1）（cosθ））1/2）3/h1/2

=（2.5/0.75（9.8（2.78-1）cos14.2°））1/2）3/0.51/2

=0.41 m

4.2.2 用斯蒂芬森公式計算拋石粒徑

該公式按照坡面任意流向的水流分析拋石的抗滑穩(wěn)定性的。

（1）當水平向流動，拋石粒徑為：

式中：ψ為摩擦角。

D=0.25×2.52/[9.8×（2.78-1）cos14.2°（tan237°-tan214.2°）0.5]=0.13 m

（2）沿坡面向下流動，拋石粒徑為：

以上計算結(jié)果均較沖刷公式計算結(jié)果小。

4.2.3 波浪沖擊下拋石粒徑計算

拋石護坡在波浪往返循環(huán)沖擊下，拋石層內(nèi)也產(chǎn)生往返瞬變滲流場，波浪爬高再回到波谷時滲流溢出是其破壞條件，在靜水面以下1/3 波浪高度范圍內(nèi)的坡面將是浪擊集中破壞區(qū)。

當最危險的浪擊誘發(fā)滲流水平流出時，控制下滑穩(wěn)定性的單個拋石粒徑計算公式為：

式中：H 為波浪高度，為1.73 m；θ 為邊坡坡角，為14.2°；S為塊石比重，為2.78 t/m3；ψ為摩擦角，為37°。

D=0.12 × 1.73（1 + tan14.2° tan37°）/[（2.78-1）（tan14.2°-tan37°）]=0.45 m

4.2.4 用帕特蘭公式計算拋石粒徑

帕特蘭公式：

式中:Q50為拋石層中塊石的平均重量，kN；H為波浪高度，為1.73 m；L為波浪長度，45.97 m；m為壩坡坡率（m=3.5、4時）；a，b均為經(jīng)驗系數(shù)，與壩坡坡度有關(guān)，分別查表得a1=0.232，b1=0.8 125；a2=0.265，b2=0.875；

代入公式可知，Q50=（0.55、0.75）kN。

拋石層塊石平均粒徑D50為：

可得D50=（0.42、0.38）m

綜合以上4 種計算方式，計算得拋石粒徑最小為0.18 m，最大為0.45 m。

4.2.5 冬季凍冰時拋石粒徑計算

當冰塊撞擊拋石固岸工程時，冰塊的運行方向大致垂直于建筑物的正面時（冰的運行方向與建筑物證明之間的夾角80°～90°），動冰壓力值Pbd，可按下式計算:

式中：Vb為冰塊的流動速速，m/s，對于河流和有流動水流的湖泊，等于水流流速，實測水流最大流速為0.6 m/s；Ab為冰塊面積，m2，根據(jù)實際觀測資料或參考類似工程資料采用；hb為計算冰厚，1.2 m；Kb為與流冰的極限抗碎強度Rb值有關(guān)的系數(shù)，查表得2.9。

迎水面單個拋石的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為:

式中：W 為單個拋石重量，t；f 為單個拋石與墊層的摩擦系數(shù)，查表為0.45（砌石沿濕砂面）。

通過試算，當迎水面拋石粒徑為1.13 m 時，抗滑穩(wěn)定系數(shù)為：

Kc=f W/Pbd

=0.45[3.142×（1.13/2）2×2.78]/[2.9×0.6×1.2×(1.13×0.3)0.5]

=1.03

所以迎水面采用拋石粒徑1.2 m，可滿足抗滑穩(wěn)定系數(shù)不小于1.0的規(guī)范要求。

4.3 拋石固岸工程試驗段觀測數(shù)據(jù)

根據(jù)理論分析及計算結(jié)果進行拋石固岸，為檢驗拋石固岸效果并為后期大規(guī)模實施提供實踐經(jīng)驗，確保決策科學，賽里木湖于2014 年在湖東岸實施近300 m 長拋石固岸試驗，該試驗段迎水面采用粒徑1.2 m 拋石，寬度6 m。經(jīng)過一年的運行，經(jīng)歷風浪及冬季冰推和春季融冰冰拔的考驗。博州水利水電勘測設計院對該拋石段冬季選取的3個觀測點進行檢查，結(jié)果表明：拋石固岸工程運行一年后平面位移僅為0.008～0.05 cm，位移極小。試驗段治理效果見圖1。

圖1 試驗段治理效果

4.4 推薦拋石粒徑及結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)規(guī)范大石塊尺寸應大于石塊平均粒徑的1.5 倍，根據(jù)計算出的最大塊石粒徑值0.45 m，可取為0.7 m，但該粒徑不能滿足抗冰抗滑穩(wěn)定要求，結(jié)合賽里木湖實際300 m 試驗段數(shù)據(jù)設計采用粒徑1.2 m。結(jié)構(gòu)型式為當岸坎高度大于1.0 m 時，治理寬度8 m，迎湖水面拋石粒徑≥1.2 m，其余拋石粒徑0.5～0.8 m（見圖2）。當岸坎高度介于0.5～1 m 之間時，治理寬度6 m，迎湖水面拋石粒徑≥1 m，其余拋石粒徑0.3～0.8 m（見圖3）。其物理力學指標為石質(zhì)堅硬，遇水不易破碎或水解，石材不允許使用薄片形狀、風化的塊石，石材強度等級≥MU30，軟化系數(shù)Kd≥0.75，密度不小于2.65 t/m3。

圖2 坎高大于1 m拋石固岸橫斷面圖

圖3 坎高1 m以下拋石固岸橫斷面圖

5 結(jié)語

自2015 年大規(guī)模實施拋石固岸環(huán)境保護工程以來，通過近4年的運行觀測，賽里木湖湖岸采用拋石固岸達到了遏制風浪及冰推和冰拔對岸坎的侵蝕的目的，從觀測檢查數(shù)據(jù)來看平面位移為0.008～0.05 cm，位移極小。結(jié)果表明:設計所用的拋石固岸方案及選取的拋石粒徑是合理的，且取得了意外的景觀效果，即在初冬季節(jié)由于在風浪和氣溫降低的雙重作用下在拋石固岸區(qū)域形成了“卷簾珠”（倒掛的冰凌）及春季融冰后固岸區(qū)域推冰在陽光照射下形成“藍冰”等奇異的冰雪景觀。