董宗煒，李曉慶

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

塔里木河干流(以下簡稱塔河干流)具有典型的游蕩性、分叉性特征。其河床地表至20m深度主要由粉土、粉細砂構成，中值粒徑d50在0.05～0.086mm范圍，床質(zhì)松軟，抗沖能力差，水流對邊界條件的改變較為敏感[1]。河流特性與床質(zhì)特點致使塔河干流防汛險情頻發(fā)，每年消耗大量財力物力，疲憊應付。2018年首次嘗試了用土工織物縫制的大布袋裝土制備成土工袋進行搶險加固的方式，后經(jīng)過不斷實踐和改進，逐漸發(fā)展成土工袋護岸技術，并在2020年用于永久性工程，經(jīng)洪水考驗，其防護效果較好[1-2]。本文結合塔河干流的防洪搶險特點對土工袋護岸技術的適宜性進行綜合分析，以明晰該技術的適用范圍和技術特點，以期進一步改進與完善。

1 塔河干流防洪搶險技術研發(fā)和實踐方向的確定

當前塔里木河流域綜合治理二期工程已進入規(guī)劃設計階段，鑒于塔河干流與黃河下游在河流特性、床質(zhì)特點上具有諸多相似性。因此，研究和借鑒黃河下游的防洪搶險經(jīng)驗和成熟搶險技術，并結合塔河干流的實際改造應用，提高適宜性，十分有必要。

1.1 兩河河道特性及防洪出險相似性分析

塔里木河干流與黃河下游河性基本特征均是河道寬淺，河床沖淤變化頻繁。河床寬淺，平面形態(tài)寬窄相間，洪枯水河槽寬度差異大，灘槽高差小，橫比降大[3]。這一時空邊界條件決定了河勢多變，“橫河”、“斜河”時常發(fā)生，形成股流頂沖，壩岸靠溜位置上提下挫，靠溜部位受到脅迫遂演化成河灣沖刷并快速發(fā)展，致使險情頻發(fā)。因上游來流方向及消漲和局部灘岸沖淤變化，難以預測，出險往往具有突發(fā)性。

另外兩條河河床均是由粉沙、粉細沙堆積而成，松散易動，易沖易淤，沖刷流速僅為1.0m/s，灘岸抗沖性差[4]。由于河床自然邊界條件的多變，決定了淤灘刷槽和塌灘淤槽的不確定性以及兩者的交互發(fā)生。另一方面，當人工邊界條件與河流的造床作用不相適應時，更易造成河勢突變，甚至巨變，導致壩岸出大險。以上這些特點對防汛搶險技術的時效性、靈活性都提出了較高的要求。

1.2 塔河干流防洪搶險工程的實際

從以上分析可以看出，塔里木河干流與黃河下游堤岸出險的基礎條件(粉細沙河床、灘岸抗沖性差)和主要因素(河勢多變、股流頂沖)是相一致的，因此，黃河下游防洪搶險技術和積累經(jīng)驗具有較高的借鑒價值。在此基礎上，為避免生搬硬套，切實符合塔河干流防洪搶險工程的實際，研究團隊還重點分析了塔河干流自身的特點以及與黃河下游情況的差異。

(1)塔河干流防洪搶險工程處于初級階段。2001年之前塔河干流基本無永久性堤防工程，處于自然河岸狀態(tài)。2001年之后為實現(xiàn)向塔里木河下游輸水目的，陸續(xù)修建了近649km的干流輸水堤，規(guī)范了河岸邊界，但防洪基礎設施依然薄弱，防洪搶險主要為應急行為，臨時性工程。

(2)防護理念尚未統(tǒng)一，防汛搶險可行技術亟待形成。塔里木河作為具有特殊意義的生態(tài)河流，其防洪規(guī)劃、堤防布置及結構形式還未形成明確一致的建設意見。相應的防汛搶險組織架構和工作制度也尚未形成體系化、系統(tǒng)化。當前階段專業(yè)人員與施工水平均無法支撐復雜施工工藝。如柳石摟廂、長管袋沉排等技術的實施。

(3)塔河干流洪峰流量較黃河下游河段存在數(shù)量級上的差異，河灣最大沖刷深度相對較小，僅5～6m，在迎水面與輸水堤形成臨空面，總高度在10m范圍左右，較黃河下游要小1～2倍，這一出險深度特征也使得修建防護工程時，基礎深度實現(xiàn)一次到位成為可能。可以避免黃河上“固壩固根、不搶不固”搶險加固歷程[3]，即經(jīng)過多年的靠溜沖刷出險和拋投搶險過程，直至使防護物深度和坡度達到一定程度時才趨于穩(wěn)定。

1.3 黃河防洪搶險技術發(fā)展予以塔河實踐方向的啟示

1.3.1黃河防洪搶險技術發(fā)展歷程

黃河下游由護岸、丁壩、堤防構成的河道整治及防護工程已形成完整體系。其護岸結構的演化和革新大致分為2個階段[5]：第1階段，1985年前以優(yōu)化和完善傳統(tǒng)的柳石摟廂、散拋塊石、鉛絲籠填筑為主要實踐內(nèi)容。傳統(tǒng)結構的局限性主要是修建時基礎淺，必須經(jīng)過搶險加固以及搶險頻繁負擔重、防守被動兩個方面。第2階段，1985—2005年期間，在黃河下游進行了一系列新結構壩的試驗研究工作，綜合比較，較為成熟的結構主要有以土工織物為主要材料結合各種壓載物組成的沉排壩和以混凝土為主的混凝土透水樁壩兩大類型。完善和優(yōu)化施工工藝，尤其是水下施工工藝是實踐中解決的關鍵問題。如長管袋沉排壩、褥墊式沉排壩、鉸鏈式模袋混凝土沉排壩等結構，需要專業(yè)施工隊伍實施，才能保障質(zhì)量。第3階段，2005年以來主要圍繞高性能的土工織物開發(fā)和實踐新型水中筑壩與堵口技術，如大土工包(土袋籠)搶險技術、大土工布及長管袋護岸技術、大土工布護底技術以及大土工布網(wǎng)袋水中進占技術。實踐表明柔性的土工織物在防護粉細砂河床方面具有明顯的優(yōu)勢。

1.3.2塔河干流防洪搶險技術實踐方向

通過梳理總結黃河防洪搶險技術發(fā)展歷程，并結合塔河干流當前的實際情況，其防洪搶險技術的研發(fā)及實踐應聚焦于如下方面：

(1)現(xiàn)代防洪搶險技術應充分發(fā)揮大型機械在防汛搶險中的作用，顯著提高效率，以滿足防汛搶險時效性的要求，亦緩解搶險人力資源匱乏的窘態(tài)。

(2)注重新材料的應用及新結構的研發(fā)，尤其是土工織物，其具有隔斷、反濾、柔性、包裹等優(yōu)良的工程性能，在防汛搶險中的應用越來越廣泛。

(3)充分應用當?shù)匚锪鲜强沙掷m(xù)發(fā)展和降低造價的必然選擇。

(4)防洪搶險技術應操作簡單，靈活可靠，應逐漸降低施工質(zhì)量和防護成效對專業(yè)人員隱性知識的依賴程度。

依據(jù)以上的原則，結合塔河干流沖刷深度較黃河下游小的實際，重點以改造和優(yōu)化大土工包(土袋籠)搶險技術為突破口，兼顧施工便捷性、技術先進性、經(jīng)濟合理性和防護成效顯著性，最終確定以適當規(guī)模尺寸的土工袋形成防護技術為塔河干流防洪搶險技術實踐方向。

2 土工袋護岸結構

通過持續(xù)的實踐和不斷的改進，土工袋護岸技術基本成型，具體結構如圖1所示。主體結構包括護坡、護腳、護底和限位樁。護坡主要作用是隔離水流，防止水流對土質(zhì)邊坡的沖刷；對于無黏性粉細砂堤岸，亦有防止細顆粒被水流吸出的作用。護腳主要起兩方面作用，一是護坡結構的支撐體，二是護底沖刷破壞至坡腳時，可起到一定的防護作用，亦為搶護提供時間緩沖。護底的作用是保護易動的河床質(zhì)，避免大面積流失，其是護岸工程的主體防護結構，如失去防護作用，繼而會延伸到護腳、護坡、乃至整個堤岸。限位樁主要目的是為了減少排體寬度。另外，當排體端部新的沖刷坑形成后，因限位樁的支撐作用使得端頭的土工袋變形形式由坍塌轉變?yōu)榫徛冃危鹤扼w，形成一個相對穩(wěn)定的聯(lián)合體。

圖1 土工袋護岸結構示意圖

3 土工袋護岸技術適宜性分析

無論是黃河下游，還是塔河干流，在粉細砂河床上實施防護工程都是具有相當困難的。實踐證明拋石護岸和土工織物軟排護底都是十分有效的措施，而土工袋護岸技術兼有兩者的優(yōu)點。

3.1 土工袋護岸與拋石護岸

拋石護岸，即拋投石料以保護河床或河岸免于淘刷的一種堆砌結構。拋石護岸的顯著特點就是石料的散粒體結構，拋投后形成的堆砌結構是可變集合體，因此對適應粉細砂河床的大變形表現(xiàn)出極大的相容性。其顯著的工程特性還有如下幾個方面：①拋投施工簡單，限制因素少，可實施人工與機械并舉；②搶險加固便捷，一旦出險，繼續(xù)拋投石料即可；③石料無環(huán)境污染，并且可構建新的河岸生態(tài)景觀。

散粒體特征是拋石適應河床變形的根本，但是反過來，由于石料是單個個體，拋投過程中受水流作用存在一定的石料損失；同時拋石形成的局部性防護，雖暫時防止了周邊河床質(zhì)的流失，但受石料阻擋，周邊流速反而加快，堆石體空隙形成的次生螺旋流將被保護的床沙吸出帶走，繼而導致拋石層的漸次崩塌流失及河床的下降，進入“不搶不固”的循環(huán)，此過程在粉細砂河床上表現(xiàn)異常明顯。

而土工袋護岸技術亦是在此方面有一定的改善，土工袋裝填后的尺寸為90cm×90cm×30cm，但依然是散粒體結構，與河床的大變形相適宜。一方面土工袋防護面積要比單體石料大許多，與河床的貼合度更好，土工袋袋體本身具有反濾作用，因此保護的河床面積大，效果好；另一方面其在粉細砂河床的沉降也相對緩慢。在黃河上發(fā)明的網(wǎng)罩護根技術和石籠工藝，也是要在保持可變性的基礎上提高整體性。

3.2 土工袋護岸與土工織物護底軟排

土工織物護底軟排亦是在黃河下游防汛搶險中具有較高競爭力的一種新型丁壩防護結構。其是以土工織物為主要材料結合各種壓載物組成的沉排壩，亦稱之為護底沉排，即在丁壩坦坡前沿河床底部鋪設一定長度和寬度的防沖反濾排體。首先在排體底部鋪設防沖反濾布，為防止水流對反濾布的沖刷散失，在其上布設壓載物并通過各種聯(lián)系結為整體，如此對于排體下部的河床形成了一個較穩(wěn)定的封閉層，使得壩體周邊的床沙得到保護。同時護底沉排與護岸形成新的邊界，并將水流沖蝕推導至排體外沿端部。另外，河床沖蝕刷深與排體下蟄內(nèi)收交替發(fā)展，一方面將壩前沖刷坑外移到不影響或少影響壩體安全的外圍區(qū)域，另一方面也限制了沖刷坑的深度和上溯發(fā)展，從而達到抑制丁壩因河床變形基礎下蟄而出險[5]。

因壓載物不同沉排壩有多種結構形式，這里就以長管袋沉排壩為例進行說明。與拋石護岸相對，沉排壩的突出特點是其整體性，在防護性能上表現(xiàn)優(yōu)異，但同時也有些不利方面。如：①施工工藝復雜、技術含量高，如排布鋪放、泥漿制造以及管袋充填；②排體與護坡直接相連，或插入土胎壩體內(nèi)，當排體大變形時，受應力傳導作用，根部防沖排布受力變形將直接影響到護坡或土胎壩體的穩(wěn)定；③如局部出現(xiàn)破壞，維修加固相對困難。

和護底沉排相比，土工袋護岸技術繼承了其與河床變形的良好適應性，但在整體性上又有所降低，并設置了專門的護腳結構，以支撐上部的護坡，護腳由排體來保護，若護腳結構也遭受到?jīng)_刷危害時，可采取拋投土工袋的方式進行護腳除險和加固。

3.3 3種護岸形式在塔河干流應用中的適宜性分析

一種護岸形式既要與河流特性、床質(zhì)特點相匹配，又要緊密結合當?shù)氐膶嶋H情況，以下分別對3種護岸形式在塔河干流上的應用進行適宜性分析。

3.3.1拋石護岸的適宜性分析

拋石護岸(或格賓石籠護岸)在塔河干流應用時面臨著如下問題：第一，塔河干流兩岸沿線缺乏石料供給，至石料開采場的運距達200km，石料造價高達250元/m3；同樣格賓網(wǎng)箱或雷諾護墊，省內(nèi)也無生產(chǎn)廠家，須疆外調(diào)運，運費約占材料總價格的1/4左右。第二，備防石是應對出險點任意、出險時間突發(fā)而采取的防范措施，但是塔河有1321km長沿線，備防石點有限，出險后均會發(fā)生二次倒運，增加成本。第三，格賓石籠的施工機械化水平較低，網(wǎng)箱制作、裝填石料、網(wǎng)箱封口基本上都是由人工完成，時效性差。同時塔河干流地廣人稀，短時間內(nèi)集合大量人工越來越難以實現(xiàn)。2015—2019年期間，塔河干流在5處險工段修建了格賓石籠護岸，單公里造價達1千萬元左右，而另一方面這些工程在當年出險后再未靠溜。顯然面對生態(tài)河流、自然河岸、地廣人稀的現(xiàn)實，拋石護岸和格賓石籠護岸雖然具有良好的防護性能，但是否適宜在塔河干流上大規(guī)模推廣應用還有待進一步的研究和論證。

3.3.2軟體沉排的適宜性分析

20世紀90年代，在新疆的細沙河道曾使用過類似于黃河上的柳石摟廂進行堤岸坡腳的防護，后期受物料和施工工藝限制再無使用。對于塔河干流有關軟體沉排的護岸型式一直沒有進行過實踐，分析大致有兩個因素：一是塔河干流出險的規(guī)模與沖刷坑深度較黃河下游要小很多，若采用軟體沉排，一方面受施工場地的限制，較難實施；另一方面造價會陡升，性價比低。二是缺少專業(yè)化的應急搶險隊伍，無法保證軟體沉排的施工質(zhì)量。受此兩因素限制，軟體沉排在塔河干流上應用競爭力不強。

3.3.3土工袋護岸的適宜性分析

通過與拋石護岸和土工織物軟排護底的對比分析，可以看出土工袋護岸技術既保留了拋石的散粒體便捷性，又繼承了排體的整體性。近年來，依托新材料、新工藝，在黃河搶險上發(fā)明的大土工包、大鉛絲籠網(wǎng)袋、土工大布護底等新技術也是聚焦在這個思路上[7-8]。2019—2020年，在阿克蘇河下游段、塔里木河干流段進行了防洪堤的水毀修復項目，分別對拋石護岸方案、格賓籠護岸方案、土工膜袋混凝土長管袋方案、土工袋護岸方案進行了詳細的經(jīng)濟技術比較，最終都推薦了土工袋(土工袋+賓格籠組合)方案[8-9]。通過對實際工程的追蹤和主要參數(shù)的量測，土工袋護岸技術的適宜性主要體現(xiàn)在以下4個方面：①從防護性能上，對于粉細砂河床，土工袋護岸既實現(xiàn)了與變形河床的協(xié)調(diào)性，也保障了對易沖河床保護的整體性。②施工工藝簡單，并充分利用的機械效能，1臺推土機、1臺挖掘機，配備撐袋子工2人，封口工1人，土工袋生產(chǎn)率大約1000個/臺班(8小時)，方量約600m3，可滿足對搶險時效性的要求。③土工袋袋體由工廠直接制作，儲備體積小、運輸便捷，對于小的險情或河灣的預前防護，靈活實用性更為顯著，這也為險情的“搶早、搶小、搶住”創(chuàng)造了條件。④土工袋的袋體充填物為河床或河岸土料，就地取材，造價優(yōu)勢顯著，在同等情況下，是格賓石籠護岸的1/3。

4 結語

土工袋護岸技術將散粒體與整體性統(tǒng)一在一起，在對粉細砂河床的防護性能上有所提高；同時就地取材，造價低廉、機械化水平高、靈活性強又適應了出險的突發(fā)性，提高了搶險的時效性，在塔河干流上應用具有較高的競爭性。當然作為一種新型的護岸型式，還存在有待研究和提升的方面，如用于護坡土工袋的耐久性問題，與生態(tài)護岸結合的問題[10]，以及利用廢棄建筑垃圾等問題。