蔡 峰
(新疆水利水电科学研究院,新疆 乌鲁木齐 830049)
新疆域内河流多为季节性融雪、冰川积雪融化和雨水补给型河流,径流量年际变化不大,年内分配极不均匀,河流夏季洪水较为集中;当融雪型和暴雨型洪水二者叠加时,就会发生较大或特大洪水。河流在山区的防洪矛盾相对较小,洪水灾害主要集中在平原区河流上,汛期遇较大洪水时,两岸城镇、村庄、灌区将受到影响和破坏[1]。抗洪抢险是洪灾地区政府和百姓的一项重要任务,做好洪水治理工作是灾区社会经济发展和生态环境建设的重要保障。
目前新疆很多河流上游修建的控制性水库工程,对洪水起到一定的调控作用,但对季节性融雪型大中型河流而言,水库工程对季节性的长周期洪水的调蓄能力是有限的,洪水进入平原河段引起河道两岸洪灾,因此,平原区的防洪堤防工程是抗击洪水灾害的主体屏障。新疆平原区河道多呈游荡性、分叉性及弯曲性,中下游河床很不稳定,需要修建大量的河道整治堤防护岸工程[1]。
河道堤防护岸工程必须根据河水特征、河床地质结构、岸坡冲刷及建筑材料等多方面因素选择不同的工程措施和防护型式,以应对洪水淘刷和地基沉降变形等复杂破坏,同时考虑对河道冲淤、河床演变以及流域水土环境的影响变化[2]。
新疆在河流治理方面修建有大量临时性的堤防工程设施,这些工程大多建设标准低、运行周期短,常年消耗大量人力物力进行加固维护;在20世纪修建的一些永久性堤防工程经过长期运行已年久失修破坏失效。在21世纪内陆河治理上新疆投入大量资金,在很多重要河流上修建了大量永久性堤防护岸工程,对稳固河岸、疏导洪水、抵御洪灾起到了重要作用。
这些已建的堤防护岸工程中,有些运行效果较好,发挥着应有的作用和效益;有些带病运行,效果不理想,甚至还有工程在运行后不久就冲毁破坏,功能基本丧失。据调查,大部分工程失败的重要原因是堤防工程防冲结构方案的不合理,不能适应当地洪水的淘刷和河床基础的变形,在洪水期间防护结构出现变形破坏致使堤防被冲毁破坏[3]。因此,选择适合河床的地层结构、冲刷特性和结构合理的防护型式,是堤防护岸工程能否安全有效运行的关键。
当前新疆堤防工程建设中存在的问题:①一些特殊河床基础条件下的工程设计相对不成熟,工程结构型式的选择和针对性把握不准确;②未能及时总结和推广各河流河道整治、堤防建设的经验和技术成果;③不同类型防冲型式的适应性研究不足,还未形成针对不同条件较为成熟的设计经验理论体系,工程设计有很多凭借个人经验和参照类比相似工程经验进行,有时与实际情况存在差距;④在堤防护岸工程建设中还存在设计理念不统一、工程运行效果不稳定和较多带病运行及失败案例的问题[4]。因此,在新疆的堤防工程建设中,应提高对不同工程结构型式的认识,加强应用经验总结,建立应用的技术理论体系,提高堤防工程建设的科学性、安全性和合理性。
堤防护岸工程的防护结构分为护岸(护坡)和护基(护脚)两个部分。护岸型式有坡式和挡墙式,平原区河流一般以坡式为主;基础防冲型式主要有:深基础防冲型式、柔性铺盖防冲型式及两种型式结合的混合防护型式。建筑材料方面主要有:混凝土、浆砌石、干砌卵石、土工织物膜袋、格宾笼、雷诺护垫等类型。
在新疆实施的永久性堤防防冲型式主要有3种[5- 6]:①深基础型式,包括重力挡墙基础、斜插坡式深基础、地下混凝土连续墙基础等;②柔性铺盖防冲型式,包括格宾笼水平铺盖护脚、雷诺护垫护脚、土工织物膜袋水平铺盖护脚;③混合防护基础型式,主要为深基础+基底水平护坦护脚、深基础+坡脚水平铺盖护脚等。
新疆近年来平原区河道永久性堤防护岸工程一般以顺坝为主[7- 8],丁坝的挑流作用改变主流、易造成对岸与自身的冲刷破坏,故其较少采用。本文针对顺坝工程探讨主要防冲结构型式。
2.1.1重力墙式防冲型式
在坡脚枯水位或河床面至最大冲刷深度以下基底高程范围内修建重力挡土墙防冲深基础,基础顶部与刚性护坡相接或一墙到顶,有直墙式和斜墙式,墙体基础和护坡一般由浆砌石或混凝土衬砌浇筑而成。重力墙式防冲型式如图1所示。
图1 重力墙式深基础防冲型式示意图
重力墙基础厚实坚固的墙体可以抵抗大粒径漂、卵、滚石的碰撞和打磨,适用于水流湍急、河床地层颗粒较大、承载力高、有大量推移质滚石的河道[9]。叶尔羌河卡群渠首防洪堤工程,河道内推移质对堤防护坡基础冲击打磨十分剧烈,经过多次水毁重建,防护型式最终由斜坡式改为重力墙式基础型式,采用直墙基础加护坡,多年来稳固运行[10]。
2.1.2斜坡式深基础防冲型式
护坡与基础采用“一坡到底”的防护型式,基础开挖深度在最大冲刷深度以下,一般采用混凝土或浆砌石结构。部分工程为更好抵御河水推移质对坡脚基础面板的淘刷打磨,枯水位以下基础面板厚度适当加厚,多应用于中等砂砾石为主的河道,是近年来采用较多的一种堤防防护型式。叶尔羌河中游河段修建的恰木萨防洪工程、下亚斯墩防洪工程、罕栏干防洪工程、翁拉特防洪工程、谢依旦防洪工程、依干其防洪工程等均采用斜坡式深基础防冲结构型式。上述工程总体效果良好,在洪水作用下防洪堤的堤身和基础结构完整,工程整体稳固。
斜坡式深基础防护型式厚度薄于重力墙深基础,抵抗大粒径推移质碰撞打磨的能力较墙式深基础稍低,适合在中等粒径砂砾石地层为主的河段修筑;相较于重力墙式基础,其对地基承载力要求稍低,衬砌工程量减小,施工相对容易[11]。斜坡式深基础防冲型式如图2所示。
图2 斜坡式深基础防冲型式示意图
2.1.3地下连续墙深基础防冲型式
地下连续墙深基础型式是将混凝土或钢筋混凝土连续墙作为堤防工程坡脚防冲深基础,不进行基坑开挖,利用钻孔、振动、水力等措施直接在坡脚以下一定范围内成型或插入预制板件生成混凝土连续墙,深度达最大计算冲刷深度以下[12]。地下连续墙几种主要常见型式有槽孔混凝土连续墙、灌注桩振动沉模混凝土板墙、水力插板连续墙等。
在新疆平原区河流的中下游河段河床通常以粉细砂粉土等松散细颗粒地层为主,河床冲淤变化十分剧烈,河床岸坡地层承载力低,地下水埋深浅,深基础基坑开挖会产生坑壁坍塌并伴有大量液化流沙涌入,排水施工都十分困难[13]。因此,一些堤防工程引进黄河河道整治采用的地下连续墙型式作为防冲深基础型式。地下连续墙深基础防冲型式如图3所示。
图3 某堤防工程槽孔混凝土连续墙基础防冲型式结构图
在新疆粉细砂河床基础上采用连续墙深基础的堤防工程如:叶尔羌河中下游麦盖提县东河滩防洪工程和八乡防洪工程均采用水力插板连续墙防冲深基础;莎车县库木库勒二期防洪工程采用槽孔钢筋混凝土地下连续墙防冲深基础。据调查,东滩防洪工程和八乡防洪工程在经历洪水期洪水后,均被大范围冲毁;库木库勒防洪工程在经历洪水期后,连续墙被淘刷破坏、多处发生墙体倒塌冲毁。
粉细砂地层的地下连续墙在洪水淘刷作用下墙根易形成冲刷坑,垂直墙体也大大增加了墙根的冲刷深度,虽然连续墙深度达到最大冲刷深度以下,但墙体一侧形成的较大的冲刷坑使得墙两侧形成较大的土压力差,洪水期土体处于饱和状态也使得墙内外的压力差大大增加,从而引起连续墙发生倾覆变形,导致整体结构失稳。以上工程的失败案例,为堤防工程采用地下连续墙防冲型式,提供了重要的经验教训,即在新疆粉细砂粉土河床上的堤防护岸工程采用刚性连续墙作为防冲基础是不适宜的。大多数情况下,刚性深基础适应粉细砂地层冲刷变形的能力差,易导致基础变形和整体结构失稳,采用需十分谨慎。
柔性铺盖防冲型式适应基础变形、抗冲防护性能好,易冲刷变形、承载力不高的细粒土地基,在一些堤防护岸工程中得到运用并取得效果[14- 15]。
2.2.1格宾石笼、雷诺护垫防护型式
格宾石笼水平铺盖是由格宾网箱填装块石组成石笼防冲体,铺设在堤防坡脚处防止水流对坡脚的冲刷。雷诺护垫同样作为金属丝石笼性质的防护结构,厚度一般在30cm以内,单体面积较宽,护垫结构整体性好。作为柔性防护结构型式,雷诺护垫在更多工程中体现出防护性好、整体性优、适应性广、施工方便等特点,在天然河道整治、岸坡治理、水土保持、生态环境修复工程中使用较多。与格宾石笼相比,厚度结构较薄、施工方便、成本低,在边坡防护方面具有独特的优势[16]。工程实践表明格宾石笼铺盖及雷诺护垫形式具有较多的技术优势,应用前景广阔。
格宾石笼和雷诺护垫的柔性铺盖防护型式在阿克苏河下游的阿瓦提县夏克防洪工程和卡尔墩农场防洪工程、叶尔羌河中下游以霍热斯坦和康萨罕防洪工程中得到很好应用,以上工程历经多个洪水期防冲结构整体稳定,运行状态良好。格宾石笼、雷诺护垫防护型式如图4所示。
图4 叶河中下游某堤防工程格宾石笼铺盖和雷诺护垫的防冲型式断
2.2.2土工膜袋、长管袋铺盖型式
膜袋与长管袋均为土工织物,填充后作为堤防岸坡及基础的防护型式。以混凝土为填筑物的膜袋混凝土,厚度一般在8~30cm之间,其整体性和抗冲刷性较好,可作为粉细砂、粉土、黏土基础堤坝的护坡型式,在软基河湖治理工程有一些使用;长管袋是利用现场粉细砂土采用水力充填后,作为沉排护脚保护坡脚不被冲刷,其填充物就地取材,成本低、施工快[17]。
博斯腾湖堤防护岸工程在粉细砂及粉土河堤上采用膜袋混凝土护坡和长管袋护底的防护型式,整齐美观,近期效果较好;其不足在于膜袋混凝土之间连接处膜袋长期暴露在阳光下,土工织物会加快老化,造成混凝土块连接之间断裂,该型式的耐久性是最大短板[18]。土工膜袋、长管袋铺盖型式如图5所示。
堤防工程同时采用刚性深基础和柔性铺盖护脚两种及以上方式防冲型式,可以发挥不同防护型式的优势特点,优化提升防冲型式的结构和性能。目前这种防冲结构的主要型式以斜坡式深基础结构与格宾石笼护脚结构相结合的方式应用最为成功和普遍。这类防护型式是在刚性护坡深基础坡脚高程水平铺设格宾石笼防冲体,防冲体宽度和厚度根据计算确定,水平防冲体可以阻止基础坡脚处冲刷坑的纵深发展,大幅提高基础的抗冲刷能力,同时减少基础的开挖深度。深基础与柔性铺盖结合防冲型式如图6所示。
各类堤防护岸工程应根据洪水特性、河床岸坡岩性、材料供应情况等因素,选择技术可靠、投资合理的防冲结构型式。混凝土护面抗冲性能较好、外观整齐规范,在城市防洪和岸坡基础较好的河段采用较为适合;浆砌石护面抗冲刷磨损能力较强,适用于河流中上段粗粒卵石较多的河道;格宾笼、雷诺护垫等防护型式适应塑性变形且抗冲性好,适用于大多数下游河段的粉细砂、粉土河床基础岸坡。
根据新疆河流的特点以及堤防工程建设经验,总结提出新疆堤防工程建设中比较成熟的防冲型式类型及主要技术特性和适用条件,见表1。
新疆堤防工程防冲型式可参照表1所列的技术原则进行选择和采用,在具体工程方案设计中,应根据实际情况进行进一步合理选择和细化组合。
新疆多年的堤防工程建设中,有各种形式的防冲结构型式,其中包括新型材料技术的防冲型式。这些新材料技术有在工程中非常成功,取得了很好的效果;也有应用失败成为堤防工程建设的经验教训;有些则需要进一步的研究和完善其方案和应用。通过多年工程建设的实践与研究,对新疆堤防工程防冲型式的选择和应用提出以下技术原则和认识:
(1)在河流出山口的冲洪积扇平原的上游河段,河床纵坡大、以砂卵漂石为主,堤防工程的防冲型式应采用重力挡墙深基础防护型式;根据冻胀、施工、材料情况选择混凝土或浆砌石结构,也可在不同的部位选择不同的材料结构。
图5 某堤防护岸工程膜袋混凝土长管袋护坡护脚防冲型式结构图
(2)随着由上游河段卵砾石河床逐渐向中下游河段砂砾石中粗砂河床过渡变化,堤防护岸工程的防冲型式应逐渐采用斜坡插入式深基础的防冲型式,防冲基础的材料、厚度尺寸应根据基础的淘刷打磨情况论证确定,一般颗粒越细,护坡越缓、厚度越小。
(3)通过相关工程经验和淘刷机理分析,深基础和水平护脚型式相结合可以大幅减小堤防工程基础的冲刷深度,减少基础埋深。原则上,斜坡式深基础防冲型式都适合与水平铺盖护脚使用,建议符合条件的工程应首先考虑。
(4)通过相关工程案例和分析认为,在粉细砂河床上修建的堤防护岸工程,不宜采用刚性深基础防冲型式,包括地下连续墙深基础防冲型式,其在新疆粉细砂地层的防洪工程应用中大多是失败的。从目前工程实例来看,柔性铺盖防冲型式是粉细砂河床上堤防护岸工程可靠适用的防护型式,在格宾石笼、雷诺护垫、土工织物膜袋混凝土等几种型式都有各自特点和优势,实践中以下2点值得注意:格宾石笼和雷诺护垫具有很好的排水性,对可液化基础更加可靠;土工织物膜袋混凝土的膜袋老化耐久性问题是该防护型式的弱项。
(5)在粉细砂地层,堤防工程护坡护脚均采用柔性铺盖的型式,相比刚性混凝土板护坡加柔性铺盖护脚的防冲型式更加稳定,适应条件更宽;在选择是否采用刚性护坡加柔性护脚防冲型式时,应考虑坡脚岸坡的基础承载力和稳定性。
(6)抛石、透水四面六边体[19]、透水井柱桩[20]等通过减缓、改变水流流速流态的防冲工程措施,大多防护效果不稳定且投资成本较大。在当前工程材料技术日益成熟的条件下,不建议在永久性堤防工程上过多采用这些间接性、辅助性的防冲结构措施。
河流的堤防护岸工程型式影响因素较多,本文通过新疆各种堤防工程的实践和分析,阐述了不同堤防工程防冲型式的应用条件和技术特性,重点概括为以下4点:
(1)新疆河流洪水以季节性融雪型为主,山区水库枢纽对季节性长周期洪水的调蓄能力有限,平原区抵御洪水仍以河道堤防工程为主。不同河流河床上的堤防护岸工程结构影响因素较多,须根据各种因素选择堤防工程类型和防护型式。
(2)堤防工程防护型式的重点是护坡坡脚基础的防冲型式,主要根据洪水淘刷、河床地层结构、建筑材料等因素确定,在粗粒砂砾卵石地层河道上的堤防工程应以刚性深基础防冲型式为主,根据洪水期推移质对岸坡基础的淘刷打磨程度,结合基础承载力等因素选择合适的深基础防冲型式。斜坡式深基础防冲型式可与水平铺盖护脚结合使用,以增加基础的防冲性能、减少基础埋深,提高工程可靠性和经济性。
(3)粉细砂河床上的堤防护岸工程应首选柔性结构的防冲型式,其中格宾网箱石笼和雷诺护垫型式在稳定性、抗冲性和耐久性方面较为突出,得到越来越多的使用。相关工程实践经验表明,在松散粉细砂河床上采用的刚性基础防冲型式,难以适应洪水期粉细砂地层的淘刷变形,因此不宜采用。
(4)各河段堤防护岸工程的防冲结构型式,应随河流上下游河床岩性的逐渐变化而进行调整和改变,在进行堤防工程规划设计时,应根据河床演变规律并参考已建工程及运行情况,来确定本河段工程防冲结构型式。
新疆堤防护岸工程的防冲型式及应用仍需进一步探索和研究,不断增加对各类防冲型式特性的认识和实践,进一步提高新疆河流堤防护岸工程的建设水平。