塔里木河河岸土工织物袋防护措施性能实例研究

申 俊

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

河岸侵蚀是塔里木河沿岸面临的主要自然灾害之一。在过去的100年里，塔里木河呈现出河道扩张的趋势，当河流进入阿拉尔市到曲毛格金范围时，坡度突然减小，大量沉积物沉积，导致河流横向发展。随着汛期开始，河流的输沙量增加，水深开始发生变化，河床上的沉积物以砂坝和岛屿的形式出现[1]。前人对塔里木河阿拉尔到曲毛格金河段的河岸侵蚀进行了研究，表明在1914—1975年间，两岸都发生了显著的侵蚀，而在1975—1998年间，河流经历了一个主要的沉积阶段。严重的河岸侵蚀，导致每年大量肥沃土地流失。这种额外的沉积物导致了河道中部砂坝的形成、河岸侵蚀和加宽[2]。

随着土工织物材料在建筑行业的日益普及，塔里木河上遭受侵蚀的河段河岸已经应用了土工织物袋、土工织物管等工程措施。使用放置在土工织物过滤层上的土工织物袋进行护岸，修建适当的河道整治工程，如填充有土工织物袋的钢石笼以规则的间隔放置，增强冲刷保护措施的稳定性[3-4]。但现有的文献中很少有关于使用诸如土工织物袋的这些护岸措施的效果的研究[5]。本文采用简化钻孔方法，以及详细的实验室试验结果和分析确定了岸边土的性质，并预测护岸工程竣工后第一年、第三年因淤积而导致的砂坝形成情况，揭示了塔里木河河岸保护工程对河流诱发淤积和水流模式的影响。

1 研究区概况

塔里木河流域在地域上包括塔里木盆地、周边向中心聚流的九大水系、114条源流和塔里木河干流、塔克拉玛干大沙漠及东部荒漠区。流域总面积102万km2，流域内有5个地(州)的42个县(市)和兵团4个师的55个团场，全流域总人口902万，流域内现有耕地2044万亩。九大水系包括孔雀河、迪那河、渭干河、库车河、喀什噶尔水系、叶尔羌河、和田河、克里雅河和车尔臣河。塔里木河是一个封闭的内陆水循环和水平衡的相对独立的水文区域，该河干流上段从阿拉尔到曲毛格金河段属动荡型河道，河势的变化非常频繁且幅度较大，河流周围地区一直存在洪水泛滥和河岸侵蚀等问题，该河段护岸工程的长度为650m，位于曲毛格金上游约12km处，见图1。

图1 研究区概况

2 现场调研及相关试验研究

2.1 现场调研

近几十年来塔里木河干流实施了一系列的护岸工程，本文选取塔里木河干流上游一段护岸工程进行现场调研，护岸具体工程技术细节见图2、表1。

图2 塔里木河护岸工程示意图

表1 塔里木河干流护岸工程技术细节

2.2 相关试验研究

2.2.1 土壤样品测试

在该保护工程附近对塔里木河河岸土壤的岩土特性进行了取样调查，包括深度直至地下水位的河岸土壤。由于侵蚀造成的破坏深度通常较浅，因此需要收集土壤分层的详细信息，以便进行边坡稳定性分析。冲洗钻孔和螺旋钻孔都是最常用的地下钻孔方法，但它们会产生高度扰动的土壤样本，并且很难识别较薄的底土层。为了获得更详细的土壤分层数据，本次取样采用一根长2.5m、内径70mm、厚3mm的中空镀锌铁管，通过人工将管子反复向上、向下移动到土壤中，将钻孔取下。每穿透30cm后，将管道从钻孔中取出，并通过轻轻敲击管道外部小心地将土壤从管道中取出。随后收集土壤样品，密封在有标记的容器中，并运送到实验室进行测试。该方法可有效地用于采集地下水位以下深度的土壤样品。利用现场十字板剪切仪测量了不同深度岸坡土的抗剪强度。

将现场采集的土壤样品在实验室进行测试，以确定河岸土壤的岩土特性。剪切强度由在现场密度下制备的重塑样品实验室测试确定。为了测定剪切强度，直接剪切试验在不排水条件下进行。

2.2.2 野外测量

在防护工程竣工后的第1年，观察到研究区域产生了新的淤积，形成砂坝。为了研究淤积产生的形式和程度以及砂坝的形成，进行了实地调查。这次的测量工作使用了电子经纬仪，将勘测区域划分为20m×9m×20m的网格，并确定了各网格点处高度，目的是绘制沙洲的等高线图。

2.2.3 河岸土壤的特性

从现场钻孔获得的钻孔测井见图3。它展示了深度为0.9m的表层粉砂土，超过该深度的土壤主要是黏质砂。地下水位位于1.46m处。由于采用了简化的钻孔方法，可以更详细地获得岸土的分层情况。由表2可以看出不同深度现场采集的并由实验室测试获得的岸土岩土特性。

图3 现场钻孔获得的钻孔测井

表2 五种不同深度的河岸土壤的岩土特性

2.3 土工织物材料的性能和物理条件

2015年，在河岸的填筑场地发现了一些未使用过的土工织物袋，将其收集起来用于对比评估同一批土工织物袋在暴露于野外条件3年后的物理状况。将土工织物材料在实验室进行测试，检测其单位面积的质量、厚度、拉伸强度和穿刺强度。使用直径为50mm的柱塞在CBR仪器中测试穿刺强度和拉伸强度。

检测结果显示，该河道防护工程中使用的土工织物材料为非织造材料，土工织物在暴露于野外条件下3年后，性质没有表现出严重恶化。实验室测试结果见表3。

由表3可以看出，在这项工程中使用的非织造土工织物袋材料，即使经过3年的现场暴露，也没有显示出物理退化的迹象，其强度仅下降15%

表3 土工织物袋材料的实验室试验结果

3 防护措施对河道淤积和水流偏转的影响

3.1 河道淤积

在阿拉尔到曲毛格金河段使用土工织物袋作为河道护岸。本节研究了护岸工程引起的河岸附近河流流态的变化以及由此产生的淤积情况。

由于在河床中安装了下水护坦，河岸附近的流速降低，泥沙开始沉积。随着泥沙淤积量的增加，河流的主流流向逐渐偏离河岸，淤积面积逐渐扩大。洪水过后，随着水位的下降，淤泥沉积最多的地区首先出现在河流水面上的砂坝上。河水继续在这些小砂坝周围流动。随着水进一步退去，水面上出现了下一层淤泥沉积区。随着河水水位继续下降，更多的泥沙淤积区出现了。因此，河流中砂坝的不同基准面高度代表了它们相对于时间形成的不同阶段。淤积导致砂坝形成的剖面图可以间接用于估计护岸工程竣工后河流流态的变化。

为了估计渐进砂坝形成的程度，通过详细的地面勘测绘制了区域等高线图。于2018年8月对2015年修建护岸措施后形成的砂坝进行了勘察。通过将整个区域分成20m的网格，使用数字经纬仪进行测量。等高线图采用等高线间隔为25cm的插值方法绘制。基准面高度为99.25m、99.00m、98.75m、98.50m、98.25m和98.00m处的砂坝见图4。

图4 淤积形成的砂坝情况

3.2 水流偏转

借助卫星照片，研究了修建护岸工程后研究区内河流水向的变化。采用2015年3月和2018年3月拍摄的谷歌地球卫星照片，图5(a)、图5(b)分别显示了2018年3月和2015年3月河道和砂坝的水流偏转情况，在此期间产生的新侵蚀以及新砂坝的形成情况。图5(c)给出了2015—2018年期间因河道流向变化导致的新侵蚀区域范围和新淤积产生的区域。

图5 水流流态与砂坝情况

4 讨 论

河岸土壤的可蚀性和抗剪强度是两个最重要的强度指标。低黏聚力和低塑性指数的岸土更容易受到侵蚀。研究中的堤岸由具有低黏聚力的土壤构成，使其易受侵蚀。试验结果还表明剪切参数非常低。十字板抗剪强度试验显示，随着土壤变得饱和，抗剪强度急剧下降。这表明在洪水期间，淹没条件下河岸土壤的稳定性急剧下降。

由于安装护坦后流速降低，在护坦上游端附近可以看到淤积迹象。图4(a)显示了在距离河岸约300m的位置，河道中部开始淤积，这表明河流流向偏离护岸工程。由图4(b)～(d)可以看出，随着洪水消退，淤积区域由最初河道中部砂坝周围向靠近下水护坦的下游侧增加。这表示河水流动逐渐偏离河岸。图4还展示了护岸工程的保护区域，从河岸延伸至河流中350m处，该距离是下水护坦10.5m宽度的近30倍。

随着洪水消退，水流逐渐偏离河岸绕行，进一步引发护岸工程上游的淤积，砂坝逐渐形成，图4(e)、图4(f)显示，尽管下水护坦成功地将河道水流从护岸工程上游端附近的河岸分流，并导致新砂坝的形成，但在护岸工程下游没有立即发生淤积，水流在河床护坦下游端处急剧向河岸回流。由于河岸土壤易受侵蚀，从土工试验中可以看出，河流向防护工程下游河岸的急剧流动导致其极易受到侵蚀。图5清楚地展示出河道已经急剧地回到岸边。该河道已经在紧邻护岸工程的下游开始了新的河岸侵蚀过程。在该河流的下游段，2015—2018年3年期间，该河流向西岸改变了路线，导致河岸侵蚀和河道中部砂坝的形成，表明需要对换工程下游的河岸进行保护。

5 结 论

在对塔里木河河岸保护措施竣工后的侵蚀、淤积以及对土工织物袋河床保护效果的研究得出以下结论：

a.防护工程将河流从受保护的河岸分流，导致泥沙淤积，形成了一个砂坝，其延伸距离几乎是下水护坦宽度的30倍。

b.尽管河流从受保护河段的堤岸分流，但水流将会急剧回流至堤岸，刚好超出护岸工程的下游端，因此护岸工程下游的堤岸更容易受到侵蚀。

c.河岸底土的不良岩土性质导致其更容易受到侵蚀。

d.下游的护岸工程对河岸造成了不利影响，在3年内造成了侵蚀和河流流向的偏移。土工织物袋构成的河岸保护措施，虽然在受保护区域范围内有效，但有可能将侵蚀区移至同一河岸的下游区域。