王克強
(阿克蘇塔河源勘測設(shè)計院有限公司,新疆 阿克蘇843000)
游蕩型河道具有河床寬而淺、河道沖淤變幅大、河勢多變等特性,這對游蕩型河道的整治提出了更高的安全要求[1]。塔里木河第一師阿拉爾段作為典型的游蕩型河道,表現(xiàn)為河段內(nèi)主流擺動范圍大,防洪標(biāo)準(zhǔn)不高,防洪措施不完善,整治難度較大。鑒于游蕩型河道在比降、河相、沖淤變化及河床演變規(guī)律上均具有其特殊性,文章深入分析塔河阿拉爾段基本水力特性,結(jié)合歷史治理經(jīng)驗提出了相應(yīng)的護岸結(jié)構(gòu)型式,以徹底解決洪水威脅。
塔里木河是我國最長的內(nèi)陸河,自西向東從天山流向塔克拉瑪干大沙漠北。作為典型的游蕩型河流,其表現(xiàn)為主流頻繁擺動、河床斷面變幅大,無固定主河槽。漲水沖刷,落水淤積,致使河床變遷,主流頂沖河岸,沖刷嚴(yán)重。
塔河總體平面特征:河道較為順直,但是由于主流南沖北折,經(jīng)常肆意擺動,頂沖河岸造成曲率系數(shù)大于1,阿拉爾河段河床比降在1/3000~1/5000范圍內(nèi)。
根據(jù)塔河阿拉爾站多年觀測資料可知塔河主流汛期頻繁擺動,河床斷面變化很大且無固定河槽。據(jù)阿拉爾水文站1958年以來的測流資料表明,當(dāng)河道流量在500 m3/s以上時水面寬度變化范圍在180 m~1010 m之間,平均水深為0.71 m~2.43 m,最大水深為1.67 m~9.3 m。河床斷面主要表現(xiàn)為寬淺形態(tài)。
塔河豐枯流量變化大,洪峰水位上漲快歷時段,洪水變差系數(shù)0.35,偏差系數(shù)為0.7,表現(xiàn)為多峰型的洪水過程線。塔河河床、河岸土壤主要為細(xì)沙和粉砂,相間有少量厚度不大的亞砂土或亞粘土層,邊岸可沖性極強,且沿河兩岸均無人工約束。
塔河主槽一次洪峰漲落過程的沖淤變化一般規(guī)律是:漲水沖刷,落水淤積,相同流量時的落洪水位低于漲洪水位。塔河之所以落洪水位低于漲洪水位,是因為汛期水流自身的造床作用,加大了河槽過水能力,已經(jīng)足以抵償并超過洪水波傳播所帶來的附加比降影響的緣故。它與黃河下游段及其它平原游蕩性河流的水位流量變化規(guī)律也大致相似。
塔里木河阿拉爾段,河坎高度2 m~3 m左右,根據(jù)40年來觀測,沒有發(fā)現(xiàn)河床有淤高情況,兩岸又無低洼埡口,不具改道條件。因此,塔里木河近期主要是河槽橫向擺動和周期性的沖淤變化而已。從宏觀上講,堆積平原上的河流,緩慢地淤高是必然的,只不過需要歷時較長,目前可暫不考慮。
塔里木河上游段具有游蕩性河道特有的“寬、淺、亂”特點,主流擺動頻繁、以旁蝕河岸為主。河床母質(zhì)為深厚的細(xì)砂和粉細(xì)砂組成,易被水流淘刷。洪枯流量懸殊,汛期含沙量大;洪峰歷時較短,落洪速度較快,河床、河岸抗沖性較差,而且“橫河、斜河”的發(fā)生具有突發(fā)性和不可預(yù)測性。
鑒于河床土壤以粉砂和細(xì)沙為主,易被水流沖刷淘蝕,若作墻式護岸,工程施工中基坑開挖和排水難度極大,施工難以進行,且完建后大部分工程位于水下、河底以下,不利于開展工程運行維護和安全觀測工作。另外,參考黃河下游段治理工程成功范例,本工程采用壩式護岸、坡式護岸結(jié)合型式,壩式護岸又分為丁壩和順壩兩種型式。
結(jié)合塔河阿拉爾市城區(qū)段河道特征若采用丁壩護岸出險的機率較大,出現(xiàn)“橫河”時,丁壩壩頭、相鄰丁壩之間勢必發(fā)生嚴(yán)重險情,搶險十分困難。而順壩依托老河岸、沿治導(dǎo)線采取曲直相間布置,設(shè)計河寬不影響河道過洪斷面,不壓縮原河床和原河道的泄洪、滯洪能力,水流平順。因此,塔河上游阿拉爾段永久性護岸工程的建設(shè)設(shè)計選擇順壩方案作為護岸型式。
在對與塔河河道特征相似的阿克蘇河、和田河河道上所采用的各類防塌岸護岸結(jié)構(gòu)形式的適應(yīng)性和局限性分析比選后,按照護岸結(jié)構(gòu)型式必須滿足抗沖緩流、維護岸坡穩(wěn)定、保護堤腳及保護堤岸的要求。本河段護岸結(jié)構(gòu)主要由土壩體、裹護體、拋石護根、進占體幾部分組成。
2.2.1 土壩體
土壩體采用壤土筑成,護岸防沖工程采用順壩體修建,考慮施工搶險及堆放搶險料物的需要,土壩基壩頂寬取6.0 m(不包含迎水面裹護體寬度),迎水面邊坡1∶1.3;背水面邊坡施工水位以上1∶2,施工水位以下1∶4。施工水位采用施工期流量273 m3/s對應(yīng)的水位。
2.2.2 護坡
護坡是為保護土壩體修筑,用抗沖材料將可能被淘刷壩坡裹護起來,采用拋石裹護,護坡與土壩體頂齊平,頂寬1 m,外坡1∶1.5,內(nèi)坡1∶1.3。護坡表面30 cm進行干砌塊石(城區(qū)段)或亂石粗排(非城區(qū)段)。護坡與土壩體間鋪設(shè)0.1 m的砂礫石墊層無紡布。土壩體背水坡為1∶2。
2.2.3 拋石護根
護岸工程所在河段河床土壤多為沙性土,壩體靠溜后,易被水流淘刷,在壩體前形成沖坑,為了保護壩體安全,防止沖坑擴大,應(yīng)在護坡前放置散拋石護根。拋石護根應(yīng)根據(jù)沖刷深度計算確定,但根據(jù)以往應(yīng)急防塌岸工程多年運行管理經(jīng)驗,工程很難一次性做到穩(wěn)定深度,只能通過多次的除險加固使工程日趨穩(wěn)定。水中進占壩體利用進占體的一部分作為護根;旱地施工壩體在護坡外預(yù)拋石作為備蹋體,設(shè)計拋石槽由灘面向下挖至施工斷面,在其上預(yù)擺塊石,擺放高度為2.5 m。但此備蹋體遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計需求,應(yīng)在壩頂配置備防石,以備搶險需要。
2.2.4 進占體
進占體采用拋石填筑。結(jié)合施工機械進占要求,占體頂寬取4.0 m,臨水坡1∶1,背水坡1∶0.5,頂高程高出施工水位0.5 m。根據(jù)各整治段防塌岸標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計流量及對應(yīng)設(shè)計水位,確定期護堤頂高程,城區(qū)段采用設(shè)計洪水位加1 m;非城區(qū)段采用設(shè)計洪水位加0.5 m,但不得高于當(dāng)?shù)氐孛?。離開高岸部分與整治流量相應(yīng)水位平。結(jié)合以上護岸結(jié)構(gòu),根據(jù)各整治河段施工期水位的不同,確定了三種橫斷面形式(1)水中進占(深水)設(shè)計斷面;(2)水中進占(淺水)設(shè)計斷面;(3)旱地施工設(shè)計斷面以供各河段選用。
(1)水中進占(深水)設(shè)計斷面
施工具有一定難度,采用水中進占并結(jié)合施工機械進行施工,占體頂寬取4.0 m,臨水坡1∶1,背水坡1∶0.5,頂高程高出施工水位0.5 m。土壩壩頂寬取6.0 m(不包含迎水面護坡裹護寬度),迎水面邊坡1∶1.3;背水面邊坡施工水位以上1∶2,施工水位以下1∶4。護坡采用0.3 m厚干砌塊石(城區(qū)段)或亂石粗排(非城區(qū)段)裹護,護坡與土壩體頂齊平,頂寬1 m,外坡1∶1.5,內(nèi)坡1∶1.3。護坡裹護體與土壩體間鋪設(shè)0.1 m砂礫石墊層無紡布。設(shè)計斷面見圖1。
圖1 水中進占(深水)設(shè)計斷面
(2)水中進占(淺水)設(shè)計斷面
施工較為方便,可先填筑土壩體至一定高度,后采用施工機械上壩并向河床內(nèi)堆放備蹋體,備蹋體頂寬6.0 m~12.0 m,其石方量根據(jù)沖刷深度確定。臨水坡1∶1.5,背水坡1∶2,高程與設(shè)計洪水位齊平,護坡采用干砌塊石(城區(qū)段)或亂石粗排(非城區(qū)段)裹護0.3 m。土壩體、裹護體同形式一。設(shè)計斷面見圖2。
圖2 水中進占(淺水)設(shè)計斷面
(3)旱地施工設(shè)計斷面
設(shè)計拋石槽由灘面向下挖至施工斷面,在其上預(yù)擺備蹋體,擺放高度為2.5 m,頂寬取5.9 m~6.1 m,備蹋體石方量根據(jù)沖刷度確定,臨水坡1∶1,背水坡1∶1.5,頂部采用亂石粗排30 cm。土壩體、裹護體同形式一。設(shè)計斷面見圖3。
圖3 旱地施工設(shè)計斷面
游蕩型河道由于沖淤形態(tài)多變,易造成河床淤積堆高,洪水上漲往往導(dǎo)致潰堤。通過整治河岸,有效控制了河勢的游蕩范圍,顯著增強了河流抵御洪水的主動性。本工程采用的護岸結(jié)構(gòu)在黃河防洪工程建設(shè)中有過類似實踐,在抗沖性能、促淤保堤、安全穩(wěn)定性方面均有較好的效果。本河段根據(jù)防塌岸保護對象重要程度的不同,經(jīng)濟合理地選擇了各整治段的防塌岸護岸型式,這有效防止了坍塌毀堤,保障了沿河生產(chǎn)生活的正常進行。