塔里木河干流土工袋护岸边坡稳定分析
时间：2022-12-08 15:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
董宗炜，徐生武，王相峰
（1.塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000；
2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）
塔里木河位于天山以南，塔克拉玛干沙漠北缘，是我国最大的内陆河[1]。目前塔里木河主要由阿克苏河、叶尔羌河、和田河三大水系（简称三源流）汇聚而成。三源流的来水主要由这3 条河流上游的山区暴雨及冰雪融水共同形成，其中冰川融水超过60%。塔里木河径流量年内变化很大，在6—9 月汛期水量占全年径流量的70%～80%。从阿拉尔断面的水文资料来看，每年发生1 000 m3/s以上的洪水2 次左右[2]。
为了减轻塔里木河洪水造成的危害，协调解决生产生活用水和生态用水的矛盾，保护胡杨林自然生态，根据“上游重控导、中游重险段、下游重生态”的原则，在各个河段修筑了拦蓄水库、堤防和护岸工程等。2015 年以来，结合塔里木河周边建筑原材料情况，开始采用土工袋护岸技术，在塔里木河中游修建土工袋堤防。该堤防具有造价低、施工速度快等特点。然而土工袋装沙漠土作为永久性护岸工程的材料，并没有可参照的国家规范，下文就当地河道材料填充的土袋作为永久性护坡面临的岸坡稳定性问题进行研究。
塔里木河输水堤筑堤土料均就近取材，河道周边土质主要是粉土和粉细砂，一般表层为粉土层，厚2.0～4.3 m，下层为深厚粉细砂层，部分河段粉细砂层出露于地表。两岸堤顶宽5.0 m 左右，一般高2.5～3.0 m。汛期来临，水流裹挟着泥沙沿河而下，冲刷堤脚。在河道转弯处，最大冲刷深度可达3.0 m 左右，部分河段河堤垮塌，形成决口。为了综合分析各河段河堤的稳定性，分别取冲刷深度为1.0，2.0，3.0，4.0 m，冲坑壁坡比为1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，有无地下水和不同土质情况的岸堤进行计算分析。因干流沿线土质的物理参数有一定的差异，因此，此次的稳定性分析以土体抗剪强度偏弱的堤段为计算对象，其具体的物理力学参数见表1，不同情况下的安全系数见图1，2。
表1 地基土物理力学性质参数
从图1，2 整体情况来看，岸坡的安全系数随着冲坑坡度系数的增大而增大，呈线性关系，但增长率缓慢。冲坑深度越深，冲坑坡度与安全系数关系曲线斜率越大，不同冲坑深度曲线随着冲坑坡度变缓，有逐渐汇聚的趋势。说明冲坑坡度较陡时，冲坑深度对岸坡安全系数的影响较大，而冲坑坡度越缓，冲坑深度对岸坡的安全系数影响也越小。
图1 岸坡在无地下水情况下的安全系数
图2 岸坡在有地下水情况下的安全系数
由图1，2 分别对比可以看出，岸坡土体内地下水对岸坡稳定性影响较为显著，当岸坡土质为粉细砂且考虑地下水时，无论冲坑多深，岸坡的稳定性都无法保证。当岸坡土质为粉土时，若冲坑深度小于2.0 m，岸坡的安全性能够得到满足；
若冲坑深度大于2.0 m 时，岸坡将整体性滑塌。在考虑地下水时，冲坑深度对冲坑坡度系数与安全系数之间关系的影响更明显。
总体来说，塔河岸坡边坡稳定最主要由堤身土体性质决定，粉土质岸坡的安全性要优于粉细砂质岸坡的安全性，塔河岸坡的防护不宜采用就近的粉细砂作为护岸材料，使用就近的粉土作为护岸材料时，也需要仔细分析，慎重设计。
河海大学刘斯宏教授[3-7]提出了一种新型加筋土材料-土工袋。这种加筋土材料可就地取材，经济环保，还具有良好的减震消能性能，在边坡、挡墙、公路路基、堤防等工程中得到了应用。塔河干流管理局结合塔里木河实际情况，借鉴土工袋加筋土材料，改进施工工艺，研究出了适合塔河流域岸坡防护的无纺布土工袋护岸技术。
2.1 土工袋护岸技术
边坡采用无纺布土工袋，台阶状叠加码放，自下向上逐层错开叠放，整平压实，确保不形成贯通裂缝。坡脚和河底采用无纺布土工袋水平铺盖（厚度0.6 m）。具体形式见图3，土工袋规格尺寸2.0 m×1.5 m（长×宽），装土成型直径约0.9 m，高0.5～0.6 m。
土工袋的袋体材料选用长丝纺粘针刺非织造土工布，具体参数见表2。土工袋填充材料就近现场开挖临河侧的无腐殖质的砂土，取土点距坡脚不小于50.0 m。袋体装填土料最大粒径小于5 cm。土工袋的充填密度大于14.5 kN/m3，充满度为80%～90%。土工袋采用机械装土、人工辅助，配套与土工袋规格相适宜的模具装袋、封口。土工袋袋口采用专用手持式缝纫机进行双道尼龙线缝合，缝合针脚间距小于2 cm，土工袋封口线至袋口边缘距离不小于3 cm，封口部位的断裂（拉伸）强度大于袋体强度。土工袋每铺设1 层，采用手持式平板振动夯整平压实。施工期间，根据天气情况对施工层面与制备好的土工袋采取遮盖措施，避免受到雨水冲刷与阳光曝晒。
图3 土工袋叠放图
土工模袋护坡的特点是反滤保土、适应变形能力强，地域适应性强，施工便利、就地取材、造价较低，生态功能好；
但耐久性欠佳，铺设过程中容易损伤且不易被发现。
表2 土工袋的技术指标
为了研究土工袋护坡对边坡安全系数的影响，分别对使用土工袋护坡后的岸坡进行了边坡稳定性分析和土工袋与岸坡土体接触面的抗滑稳定性分析。
2.2 土工袋护坡整体稳定性分析
在进行稳定分析时，假设土工袋护坡体与其后土体间无相对滑动，土工袋护坡体与其后土体统一进行条分。分别对粉土在考虑地下水、不考虑地下水、不同坡高、不同边坡系数的情况，使用瑞典圆弧法进行了分析。
图4～7给出了不考虑和考虑地下水的情况下，未防护和使用土工袋防护后岸坡的安全系数情况。可以看出，无论是否考虑地下水，使用土工袋防护后岸坡的稳定性都有所增加。一般情况下，随着岸坡逐渐变缓，岸坡安全系数增长率逐渐降低。
考虑地下水时，土工袋防护岸坡安全系数的提高更明显，由图5 可以看出，不考虑地下水时土工袋防护岸坡安全系数提高率为4%～16%，由图7可以看出，考虑地下水时土工袋防护岸坡的安全系数提高率为6%～30%。
图4 粉土在无地下水情况下的安全系数
图5 粉土在无地下水情况下的安全系数增长率
图6 粉土在有地下水情况下的安全系数
图7 粉土在有地下水情况下的安全系数增长率
岸坡高度越高，使用土工袋防护后岸坡的安全系数提高率也越大，不考虑地下水和考虑地下水情况下，岸坡高度为9.0 m 时土工袋防护的岸坡安全性比未防护的岸坡安全性分别提高了11%～15.5%和23%～30%；
岸坡高度为7.0 m 时土工袋防护的岸坡安全性比未防护的岸坡安全性分别提高了6%～15%和9%～14%；
岸坡高度为5.0 m 时土工袋防护的岸坡安全性比未防护的岸坡安全性分别提高了4%～7%和6%～5%。
2.3 土工袋与岸坡土体接触面稳定性分析
土工袋铺设于岸坡上，土工袋与岸坡之间的接触面是一个薄弱环节，当岸坡较陡时，可能还存在抗滑稳定性问题。分别取坡高5.0，7.0，9.0 m，边坡系数为0.5，0.8，1.2，2.0，3.0，岸坡内存在地下水和不考虑地下水等，进行了分析计算。验算时，护坡体后土压力采用库伦主动土压力公式计算，安全系数为沿滑面的抗滑力除以滑动力，计算简图见图8。
图9 给出了各种情况下土工袋与岸坡土体接触处的抗滑安全系数。可以看出，当岸坡系数为0.8 时，安全系数最低，当岸坡缓于或陡于0.8 时，抗滑安全系数都逐渐增大；
考虑水的作用时，抗滑安全系数下降25%～40%；
随着坡高逐渐增高，抗滑安全系数逐渐下降。只有当坡高大于7.0 m，且边坡系数小于1.2 时，土工袋与土体接触处的安全系数才无法满足安全要求。
图8 土工袋护坡计算简图
塔里木河干流岸坡在未采取任何工程措施的情况下，自身的岸坡稳定性一般，且洪水期存在淘刷而导致决堤的问题。当地粉细砂不适宜单独做岸坡填筑材料；
粉土作为岸坡填筑材料时，也要精心设计，仔细验算其稳定性。使用土工袋作为护坡体对岸坡的稳定性有一定的积极作用。同时，由于土工袋的整体性作用比当地粉细砂和粉土好，因此，土工袋还起着一定的抗冲刷作用。使用土工袋防护岸坡时，土工袋与岸坡土体接触处的抗滑安全性要优于岸坡整体的安全系数，因此，岸坡整体的安全系数成为岸坡稳定性设计的控制性指标。
图9 土工袋与岸坡土体抗滑稳定系数图
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