申 俊

(塔里木河干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

地形地貌的發(fā)展和坡面侵蝕是導致流域形成洪水的主要原因[1]。這些大多是人類無法控制的因素。每年6—9月，我國部分流域受到季風的影響，降雨量陡增，平均降雨量可達1800 mm/a[2]。豐富的水資源仍未得到充分利用，反而頻繁的洪水造成了嚴重的災難，流域內(nèi)的一些地區(qū)不斷受到河岸侵蝕和洪水的破壞[3]。下墊面的復雜構造和季風性降雨會導致河中的水流存在不穩(wěn)定性，因此對于洪水的形成，預報的難度較大[4]。這意味著河流中的洪水和河岸的侵蝕只能通過其表現(xiàn)出來的狀態(tài)來制定適應性對策，對不斷變化的河流進行綜合治理來解決以上問題[5]。本研究旨在對河岸防護工程進行升級改造，進一步提升工程的抗汛、抗侵蝕的能力。

1 研究區(qū)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(qū)。流域總面積102萬km2，流域內(nèi)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?cè)丝?02萬人，流域內(nèi)現(xiàn)有耕地136.27萬hm2。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、車爾臣河水系。塔里木河是一個封閉的內(nèi)陸水循環(huán)和水平衡的相對獨立的水文區(qū)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(qū)一直面臨著洪水泛濫和河岸侵蝕等重大問題，該河段護岸工程的長度為6500 m，位于曲毛格金上游約12 km 處。

2 實例研究

現(xiàn)有的防洪堤在其整個長度上沒有統(tǒng)一的橫截面。平均截面的特征是：頂部寬度為4.5 m；距地面的高度為4.0 m；兩側(cè)邊坡為1.5∶1。

在大部分時間里，防洪堤沒有經(jīng)受洪水的沖擊。然而在雨季，暴雨導致河岸水位的快速上升，河堤從低負荷上升到極端負荷可能只需要幾個小時。為了提高防洪堤的性能，需要考慮抵抗水壓力和其他載荷的巖土穩(wěn)定性，汛期發(fā)生其他破壞的可能列為臨時荷載。同時在洪泛區(qū)進行了底土勘探工作，同時進行了實驗室測試。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和實驗室分析，確定了合適的土壤參數(shù)。

防洪堤的幾何形狀可根據(jù)所用材料的類型和施工條件而改變。防洪堤的頂部寬度需大于2.5 m，以便維修車輛進入。不規(guī)范的維護操作如在修整植被時移除大量的土壤可能會導致斜坡變陡，防洪堤坡度的改變會導致洪水在堤岸表面和上方泛濫。將加高防洪堤的頂部寬度和高度設置為4.5 m和6.5 m，對上述邊坡改造進行穩(wěn)定性分析。

2.1 防洪堤分析

在提高現(xiàn)有防洪堤高度的研究過程中，考慮三種情況：第一，在農(nóng)村和河邊都可以擴大基底寬度的情況，最終防洪堤部分的高度設定為6.5 m，基底寬度為24.00 m；第二，由于一些農(nóng)村人口密集，農(nóng)村的河段不可能擴大基礎寬度，將該防洪堤段的高度設為6.5 m，基底寬度為20.25 m；第三，存在兩邊都不能加寬底部寬度的情況，防洪堤高6.5 m，基底寬16.50 m。

每種截面類型都需要單獨進行分析和設計，分析過程應包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析。

2.1.1 靜態(tài)分析

對于靜態(tài)邊坡穩(wěn)定性分析，采用了簡化畢肖普法、簡化詹布法、普萊斯法。在這些方法中防洪堤土體被劃分成若干層，為每一層建立平衡方程并求解。簡化畢肖普法考慮層間法向力，忽略層間剪力，滿足整體力矩平衡，但不滿足整體水平力平衡；簡化詹布法也只考慮層間法向力，而忽略層間剪力，滿足整體水平力平衡，但不滿足整體力矩平衡；普萊斯法既考慮了層間剪力和法向力，也滿足力矩和水平力平衡。

對于任一橫截面，都需要反復進行多次分析，并且需要多次試驗來確定具有最小安全系數(shù)的臨界滑動面。使用Geo-Slope軟件進行模擬。防洪堤土的參數(shù)為：內(nèi)聚力為18 kN/m2，內(nèi)摩擦角為24°。

在靜態(tài)條件下，通過不同方法確定的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)如表1所示。

表1 不同路堤斷面邊坡安全系數(shù)

圖1展示了通過普萊斯法獲得的三個防洪堤斷面的臨界滑動面。

圖1 普萊斯法確定不同防洪堤斷面在靜態(tài)條件下的臨界滑動面

2.1.2 動態(tài)分析

在考慮臨時荷載時本文以地震為例。地震在山區(qū)和丘陵地帶發(fā)生時會造成許多滑坡和落石，并產(chǎn)生了大量的沉積物，這些沉積物會進入河流系統(tǒng)。隨著額外的沉積物向下游累積，擾亂了正常的河流秩序。地震的另一個后果是，滑坡碎片會在某些支流上形成臨時大壩，這可能會在長達數(shù)月的時間內(nèi)阻擋大量的水，當這些大壩最終坍塌時，高度和速度都很大的破壞性洪水會沖下山谷。此外地震作用還會液化洪泛區(qū)的細砂和淤泥沉積，導致河岸和防洪堤的逐漸破壞。當?shù)卣饋砼R時，防洪堤可能不會出現(xiàn)完全坍塌的情況，但可能會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的永久變形。因此，在動態(tài)分析中，有必要估計與地震相關的慣性力可能導致的永久變形。為此，第一步是確定地震發(fā)生前存在的地面應力的原位狀態(tài)，然后震動地面。三種斷面的防洪堤初始應力等值線圖,如圖2所示。

圖2 防洪堤斷面的初始靜態(tài)應力等值線

在下一步的模擬中，防洪堤將經(jīng)受持續(xù)為44.3 s的地震加速度—時間歷程，如圖3所示。

圖3 典型加速度—時間歷程

該數(shù)據(jù)的記錄具有0.02 s的恒定時間間隔。使用紐馬克分析方法來檢查地震期間堤岸的穩(wěn)定性和永久變形情況。

對于防洪堤的每個設計剖面，利用初始應力條件確定邊坡的強度。在震動期間，考慮恒定的不排水強度特性，計算震動過程中所有時間步長的剪應力，得到了每個時間步長的安全系數(shù)。在任意時間步長確定由動態(tài)慣性力引起的總剪力，然后除以總滑動質(zhì)量，得到總滑動質(zhì)量的平均加速度。

圖4展示了三個防洪堤斷面的安全系數(shù)隨時間的變化。

圖4 動荷載作用下防洪堤斷面安全系數(shù)隨時間的變化

當震動偏向于河邊時，安全系數(shù)上升。地震期間的安全系數(shù)變化很大，在震動期間，初始靜力加上慣性力超過可用剪切阻力的時間很短，在此期間堤岸會暫時失去穩(wěn)定性，導致不可恢復的變形。這些變形會累積，并在震動結(jié)束后導致永久變形。

對于每個設計斷面，可按照以下三個步驟估計出最終變形的值。首先，繪制具有平均加速度的安全系數(shù)圖，以確定屈服加速度，屈服加速度定義為對應于安全系數(shù)1.0的平均加速度。第二，隨時間繪制平均加速度。第三，將該圖中大于屈服加速度的面積積分兩次，以獲得累積變形。三個防洪堤斷面的臨界滑動面如圖5所示。

圖5 動荷載下防洪堤斷面變形最大的臨界滑動面

表2列出了以上特定滑動面對應的安全系數(shù)和永久變形值?？梢杂^察到，斷面一對應的防洪堤在兩側(cè)加寬后沒有發(fā)生永久變形。因此，斷面一應為合適的設計方案。

表2 路堤斷面安全系數(shù)和變形系數(shù)的比較

2.2 河岸保護工程

塔里木河河岸的幾個部分已經(jīng)被嚴重侵蝕。護岸需要延伸至該河段低水位以上的整個河岸。然而，在建造護岸之前，為了防止河岸邊坡的長期侵蝕，建議首先用填砂土工袋(土工織物袋)保護低水位以下。工程開始時，首先在低水位以下的河岸坡腳上方放置一個由土工袋制成的水下護坦。這種即時保護措施下的坡角將會相對較陡，因為袋子被放置在沿侵蝕河岸的自然斜坡上。如果沖刷和河岸侵蝕繼續(xù)，將導致斜坡變得更平滑，最終傾角將確定為2∶1，將柔性土工袋在新的穩(wěn)定斜坡上單獨重新排列。在上述施工過程，會出現(xiàn)一些巖土方面的不穩(wěn)定，需要對其進行修整，以保證河岸防護工程是在巖土條件穩(wěn)定的基礎上建立起來的。

3 結(jié) 論

塔里木河的現(xiàn)狀表明，未及時修整毀壞的堤岸和河岸工程會帶來一些損失，有必要對其進行進一步的維修改造，本研究設計了三個不同的方案，結(jié)合靜態(tài)分析與動態(tài)分析識別出可行性最優(yōu)的堤岸設計方案，以期加強現(xiàn)有的堤岸網(wǎng)絡，提供更穩(wěn)定措施來減輕侵蝕風險。