新疆平原區河流堤防護岸工程防沖型式實踐與研究

蔡 峰

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

新疆域內河流多為季節性融雪、冰川積雪融化和雨水補給型河流，徑流量年際變化不大，年內分配極不均勻，河流夏季洪水較為集中；當融雪型和暴雨型洪水二者疊加時，就會發生較大或特大洪水。河流在山區的防洪矛盾相對較小，洪水災害主要集中在平原區河流上，汛期遇較大洪水時，兩岸城鎮、村莊、灌區將受到影響和破壞[1]。抗洪搶險是洪災地區政府和百姓的一項重要任務，做好洪水治理工作是災區社會經濟發展和生態環境建設的重要保障。

目前新疆很多河流上游修建的控制性水庫工程，對洪水起到一定的調控作用，但對季節性融雪型大中型河流而言，水庫工程對季節性的長周期洪水的調蓄能力是有限的，洪水進入平原河段引起河道兩岸洪災，因此，平原區的防洪堤防工程是抗擊洪水災害的主體屏障。新疆平原區河道多呈游蕩性、分叉性及彎曲性，中下游河床很不穩定，需要修建大量的河道整治堤防護岸工程[1]。

河道堤防護岸工程必須根據河水特征、河床地質結構、岸坡沖刷及建筑材料等多方面因素選擇不同的工程措施和防護型式，以應對洪水淘刷和地基沉降變形等復雜破壞，同時考慮對河道沖淤、河床演變以及流域水土環境的影響變化[2]。

1 新疆河流堤防工程現狀及存在問題

新疆在河流治理方面修建有大量臨時性的堤防工程設施，這些工程大多建設標準低、運行周期短，常年消耗大量人力物力進行加固維護；在20世紀修建的一些永久性堤防工程經過長期運行已年久失修破壞失效。在21世紀內陸河治理上新疆投入大量資金，在很多重要河流上修建了大量永久性堤防護岸工程，對穩固河岸、疏導洪水、抵御洪災起到了重要作用。

這些已建的堤防護岸工程中，有些運行效果較好，發揮著應有的作用和效益；有些帶病運行，效果不理想，甚至還有工程在運行后不久就沖毀破壞，功能基本喪失。據調查，大部分工程失敗的重要原因是堤防工程防沖結構方案的不合理，不能適應當地洪水的淘刷和河床基礎的變形，在洪水期間防護結構出現變形破壞致使堤防被沖毀破壞[3]。因此，選擇適合河床的地層結構、沖刷特性和結構合理的防護型式，是堤防護岸工程能否安全有效運行的關鍵。

當前新疆堤防工程建設中存在的問題：①一些特殊河床基礎條件下的工程設計相對不成熟，工程結構型式的選擇和針對性把握不準確；②未能及時總結和推廣各河流河道整治、堤防建設的經驗和技術成果；③不同類型防沖型式的適應性研究不足，還未形成針對不同條件較為成熟的設計經驗理論體系，工程設計有很多憑借個人經驗和參照類比相似工程經驗進行，有時與實際情況存在差距；④在堤防護岸工程建設中還存在設計理念不統一、工程運行效果不穩定和較多帶病運行及失敗案例的問題[4]。因此，在新疆的堤防工程建設中，應提高對不同工程結構型式的認識，加強應用經驗總結，建立應用的技術理論體系，提高堤防工程建設的科學性、安全性和合理性。

2 新疆堤防護岸工程防沖型式

堤防護岸工程的防護結構分為護岸(護坡)和護基(護腳)兩個部分。護岸型式有坡式和擋墻式，平原區河流一般以坡式為主；基礎防沖型式主要有：深基礎防沖型式、柔性鋪蓋防沖型式及兩種型式結合的混合防護型式。建筑材料方面主要有：混凝土、漿砌石、干砌卵石、土工織物膜袋、格賓籠、雷諾護墊等類型。

在新疆實施的永久性堤防防沖型式主要有3種[5- 6]：①深基礎型式，包括重力擋墻基礎、斜插坡式深基礎、地下混凝土連續墻基礎等；②柔性鋪蓋防沖型式，包括格賓籠水平鋪蓋護腳、雷諾護墊護腳、土工織物膜袋水平鋪蓋護腳；③混合防護基礎型式，主要為深基礎+基底水平護坦護腳、深基礎+坡腳水平鋪蓋護腳等。

新疆近年來平原區河道永久性堤防護岸工程一般以順壩為主[7- 8]，丁壩的挑流作用改變主流、易造成對岸與自身的沖刷破壞，故其較少采用。本文針對順壩工程探討主要防沖結構型式。

2.1 深基礎防沖型式

2.1.1重力墻式防沖型式

在坡腳枯水位或河床面至最大沖刷深度以下基底高程范圍內修建重力擋土墻防沖深基礎，基礎頂部與剛性護坡相接或一墻到頂，有直墻式和斜墻式，墻體基礎和護坡一般由漿砌石或混凝土襯砌澆筑而成。重力墻式防沖型式如圖1所示。

圖1 重力墻式深基礎防沖型式示意圖

重力墻基礎厚實堅固的墻體可以抵抗大粒徑漂、卵、滾石的碰撞和打磨，適用于水流湍急、河床地層顆粒較大、承載力高、有大量推移質滾石的河道[9]。葉爾羌河卡群渠首防洪堤工程，河道內推移質對堤防護坡基礎沖擊打磨十分劇烈，經過多次水毀重建，防護型式最終由斜坡式改為重力墻式基礎型式，采用直墻基礎加護坡，多年來穩固運行[10]。

2.1.2斜坡式深基礎防沖型式

護坡與基礎采用“一坡到底”的防護型式，基礎開挖深度在最大沖刷深度以下，一般采用混凝土或漿砌石結構。部分工程為更好抵御河水推移質對坡腳基礎面板的淘刷打磨，枯水位以下基礎面板厚度適當加厚，多應用于中等砂礫石為主的河道，是近年來采用較多的一種堤防防護型式。葉爾羌河中游河段修建的恰木薩防洪工程、下亞斯墩防洪工程、罕欄干防洪工程、翁拉特防洪工程、謝依旦防洪工程、依干其防洪工程等均采用斜坡式深基礎防沖結構型式。上述工程總體效果良好，在洪水作用下防洪堤的堤身和基礎結構完整，工程整體穩固。

斜坡式深基礎防護型式厚度薄于重力墻深基礎，抵抗大粒徑推移質碰撞打磨的能力較墻式深基礎稍低，適合在中等粒徑砂礫石地層為主的河段修筑；相較于重力墻式基礎，其對地基承載力要求稍低，襯砌工程量減小，施工相對容易[11]。斜坡式深基礎防沖型式如圖2所示。

圖2 斜坡式深基礎防沖型式示意圖

2.1.3地下連續墻深基礎防沖型式

地下連續墻深基礎型式是將混凝土或鋼筋混凝土連續墻作為堤防工程坡腳防沖深基礎，不進行基坑開挖，利用鉆孔、振動、水力等措施直接在坡腳以下一定范圍內成型或插入預制板件生成混凝土連續墻，深度達最大計算沖刷深度以下[12]。地下連續墻幾種主要常見型式有槽孔混凝土連續墻、灌注樁振動沉模混凝土板墻、水力插板連續墻等。

在新疆平原區河流的中下游河段河床通常以粉細砂粉土等松散細顆粒地層為主，河床沖淤變化十分劇烈，河床岸坡地層承載力低，地下水埋深淺，深基礎基坑開挖會產生坑壁坍塌并伴有大量液化流沙涌入，排水施工都十分困難[13]。因此，一些堤防工程引進黃河河道整治采用的地下連續墻型式作為防沖深基礎型式。地下連續墻深基礎防沖型式如圖3所示。

圖3 某堤防工程槽孔混凝土連續墻基礎防沖型式結構圖

在新疆粉細砂河床基礎上采用連續墻深基礎的堤防工程如：葉爾羌河中下游麥蓋提縣東河灘防洪工程和八鄉防洪工程均采用水力插板連續墻防沖深基礎；莎車縣庫木庫勒二期防洪工程采用槽孔鋼筋混凝土地下連續墻防沖深基礎。據調查，東灘防洪工程和八鄉防洪工程在經歷洪水期洪水后，均被大范圍沖毀；庫木庫勒防洪工程在經歷洪水期后，連續墻被淘刷破壞、多處發生墻體倒塌沖毀。

粉細砂地層的地下連續墻在洪水淘刷作用下墻根易形成沖刷坑，垂直墻體也大大增加了墻根的沖刷深度，雖然連續墻深度達到最大沖刷深度以下，但墻體一側形成的較大的沖刷坑使得墻兩側形成較大的土壓力差，洪水期土體處于飽和狀態也使得墻內外的壓力差大大增加，從而引起連續墻發生傾覆變形，導致整體結構失穩。以上工程的失敗案例，為堤防工程采用地下連續墻防沖型式，提供了重要的經驗教訓，即在新疆粉細砂粉土河床上的堤防護岸工程采用剛性連續墻作為防沖基礎是不適宜的。大多數情況下，剛性深基礎適應粉細砂地層沖刷變形的能力差，易導致基礎變形和整體結構失穩，采用需十分謹慎。

2.2 柔性鋪蓋防沖型式

柔性鋪蓋防沖型式適應基礎變形、抗沖防護性能好，易沖刷變形、承載力不高的細粒土地基，在一些堤防護岸工程中得到運用并取得效果[14- 15]。

2.2.1格賓石籠、雷諾護墊防護型式

格賓石籠水平鋪蓋是由格賓網箱填裝塊石組成石籠防沖體，鋪設在堤防坡腳處防止水流對坡腳的沖刷。雷諾護墊同樣作為金屬絲石籠性質的防護結構，厚度一般在30cm以內，單體面積較寬，護墊結構整體性好。作為柔性防護結構型式，雷諾護墊在更多工程中體現出防護性好、整體性優、適應性廣、施工方便等特點，在天然河道整治、岸坡治理、水土保持、生態環境修復工程中使用較多。與格賓石籠相比，厚度結構較薄、施工方便、成本低，在邊坡防護方面具有獨特的優勢[16]。工程實踐表明格賓石籠鋪蓋及雷諾護墊形式具有較多的技術優勢，應用前景廣闊。

格賓石籠和雷諾護墊的柔性鋪蓋防護型式在阿克蘇河下游的阿瓦提縣夏克防洪工程和卡爾墩農場防洪工程、葉爾羌河中下游以霍熱斯坦和康薩罕防洪工程中得到很好應用，以上工程歷經多個洪水期防沖結構整體穩定，運行狀態良好。格賓石籠、雷諾護墊防護型式如圖4所示。

圖4 葉河中下游某堤防工程格賓石籠鋪蓋和雷諾護墊的防沖型式斷

2.2.2土工膜袋、長管袋鋪蓋型式

膜袋與長管袋均為土工織物，填充后作為堤防岸坡及基礎的防護型式。以混凝土為填筑物的膜袋混凝土，厚度一般在8～30cm之間，其整體性和抗沖刷性較好，可作為粉細砂、粉土、黏土基礎堤壩的護坡型式，在軟基河湖治理工程有一些使用；長管袋是利用現場粉細砂土采用水力充填后，作為沉排護腳保護坡腳不被沖刷，其填充物就地取材，成本低、施工快[17]。

博斯騰湖堤防護岸工程在粉細砂及粉土河堤上采用膜袋混凝土護坡和長管袋護底的防護型式，整齊美觀，近期效果較好；其不足在于膜袋混凝土之間連接處膜袋長期暴露在陽光下，土工織物會加快老化，造成混凝土塊連接之間斷裂，該型式的耐久性是最大短板[18]。土工膜袋、長管袋鋪蓋型式如圖5所示。

2.3 深基礎與柔性鋪蓋結合防沖型式

堤防工程同時采用剛性深基礎和柔性鋪蓋護腳兩種及以上方式防沖型式，可以發揮不同防護型式的優勢特點，優化提升防沖型式的結構和性能。目前這種防沖結構的主要型式以斜坡式深基礎結構與格賓石籠護腳結構相結合的方式應用最為成功和普遍。這類防護型式是在剛性護坡深基礎坡腳高程水平鋪設格賓石籠防沖體，防沖體寬度和厚度根據計算確定，水平防沖體可以阻止基礎坡腳處沖刷坑的縱深發展，大幅提高基礎的抗沖刷能力，同時減少基礎的開挖深度。深基礎與柔性鋪蓋結合防沖型式如圖6所示。

3 新疆堤防工程防沖型式的應用分析

3.1 不同防沖型式的特點與適用規律

各類堤防護岸工程應根據洪水特性、河床岸坡巖性、材料供應情況等因素，選擇技術可靠、投資合理的防沖結構型式。混凝土護面抗沖性能較好、外觀整齊規范，在城市防洪和岸坡基礎較好的河段采用較為適合；漿砌石護面抗沖刷磨損能力較強，適用于河流中上段粗粒卵石較多的河道；格賓籠、雷諾護墊等防護型式適應塑性變形且抗沖性好，適用于大多數下游河段的粉細砂、粉土河床基礎岸坡。

根據新疆河流的特點以及堤防工程建設經驗，總結提出新疆堤防工程建設中比較成熟的防沖型式類型及主要技術特性和適用條件，見表1。

新疆堤防工程防沖型式可參照表1所列的技術原則進行選擇和采用，在具體工程方案設計中，應根據實際情況進行進一步合理選擇和細化組合。

3.2 不同防沖型式的工程技術經驗和應用

新疆多年的堤防工程建設中，有各種形式的防沖結構型式，其中包括新型材料技術的防沖型式。這些新材料技術有在工程中非常成功，取得了很好的效果；也有應用失敗成為堤防工程建設的經驗教訓；有些則需要進一步的研究和完善其方案和應用。通過多年工程建設的實踐與研究，對新疆堤防工程防沖型式的選擇和應用提出以下技術原則和認識：

(1)在河流出山口的沖洪積扇平原的上游河段，河床縱坡大、以砂卵漂石為主，堤防工程的防沖型式應采用重力擋墻深基礎防護型式；根據凍脹、施工、材料情況選擇混凝土或漿砌石結構，也可在不同的部位選擇不同的材料結構。

圖5 某堤防護岸工程膜袋混凝土長管袋護坡護腳防沖型式結構圖

(2)隨著由上游河段卵礫石河床逐漸向中下游河段砂礫石中粗砂河床過渡變化，堤防護岸工程的防沖型式應逐漸采用斜坡插入式深基礎的防沖型式，防沖基礎的材料、厚度尺寸應根據基礎的淘刷打磨情況論證確定，一般顆粒越細，護坡越緩、厚度越小。

(3)通過相關工程經驗和淘刷機理分析，深基礎和水平護腳型式相結合可以大幅減小堤防工程基礎的沖刷深度，減少基礎埋深。原則上，斜坡式深基礎防沖型式都適合與水平鋪蓋護腳使用，建議符合條件的工程應首先考慮。

(4)通過相關工程案例和分析認為，在粉細砂河床上修建的堤防護岸工程，不宜采用剛性深基礎防沖型式，包括地下連續墻深基礎防沖型式，其在新疆粉細砂地層的防洪工程應用中大多是失敗的。從目前工程實例來看，柔性鋪蓋防沖型式是粉細砂河床上堤防護岸工程可靠適用的防護型式，在格賓石籠、雷諾護墊、土工織物膜袋混凝土等幾種型式都有各自特點和優勢，實踐中以下2點值得注意：格賓石籠和雷諾護墊具有很好的排水性，對可液化基礎更加可靠；土工織物膜袋混凝土的膜袋老化耐久性問題是該防護型式的弱項。

(5)在粉細砂地層，堤防工程護坡護腳均采用柔性鋪蓋的型式，相比剛性混凝土板護坡加柔性鋪蓋護腳的防沖型式更加穩定，適應條件更寬；在選擇是否采用剛性護坡加柔性護腳防沖型式時，應考慮坡腳岸坡的基礎承載力和穩定性。

(6)拋石、透水四面六邊體[19]、透水井柱樁[20]等通過減緩、改變水流流速流態的防沖工程措施，大多防護效果不穩定且投資成本較大。在當前工程材料技術日益成熟的條件下，不建議在永久性堤防工程上過多采用這些間接性、輔助性的防沖結構措施。

4 結語

河流的堤防護岸工程型式影響因素較多，本文通過新疆各種堤防工程的實踐和分析，闡述了不同堤防工程防沖型式的應用條件和技術特性，重點概括為以下4點：

(1)新疆河流洪水以季節性融雪型為主，山區水庫樞紐對季節性長周期洪水的調蓄能力有限，平原區抵御洪水仍以河道堤防工程為主。不同河流河床上的堤防護岸工程結構影響因素較多，須根據各種因素選擇堤防工程類型和防護型式。

(2)堤防工程防護型式的重點是護坡坡腳基礎的防沖型式，主要根據洪水淘刷、河床地層結構、建筑材料等因素確定，在粗粒砂礫卵石地層河道上的堤防工程應以剛性深基礎防沖型式為主，根據洪水期推移質對岸坡基礎的淘刷打磨程度，結合基礎承載力等因素選擇合適的深基礎防沖型式。斜坡式深基礎防沖型式可與水平鋪蓋護腳結合使用，以增加基礎的防沖性能、減少基礎埋深，提高工程可靠性和經濟性。

(3)粉細砂河床上的堤防護岸工程應首選柔性結構的防沖型式，其中格賓網箱石籠和雷諾護墊型式在穩定性、抗沖性和耐久性方面較為突出，得到越來越多的使用。相關工程實踐經驗表明，在松散粉細砂河床上采用的剛性基礎防沖型式，難以適應洪水期粉細砂地層的淘刷變形，因此不宜采用。

(4)各河段堤防護岸工程的防沖結構型式，應隨河流上下游河床巖性的逐漸變化而進行調整和改變，在進行堤防工程規劃設計時，應根據河床演變規律并參考已建工程及運行情況，來確定本河段工程防沖結構型式。

新疆堤防護岸工程的防沖型式及應用仍需進一步探索和研究，不斷增加對各類防沖型式特性的認識和實踐，進一步提高新疆河流堤防護岸工程的建設水平。