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摘要摘要：作者對土工充泥袋代替塊石作為建筑材料，在水流功能下袋體的保沙性能和充泥袋的穩(wěn)定性能等關鍵新問題開展了一系列室內(nèi)外試驗探究，并提出了相應的解決辦法。根據(jù)土工充泥袋穩(wěn)定要求而研制的新型袋體“沙墊”現(xiàn)已在工程實踐中廣泛應用。

摘要：土工充泥袋漏沙率保沙率袋體穩(wěn)定

土工合成材料是一種新型的建筑材料，已廣泛應用于水利、水電、公路、鐵路、海港以及軍工等各個領域。黃河因泥沙顆粒較細，洪水流速較大，土工充泥袋應用于護岸工程時，保沙性能要求較高。因此，土工充泥袋外層用聚丙烯充泥袋布，內(nèi)層用聚乙烯薄膜復合制成土工復合袋，然后，把袋體安裝在拋枕架內(nèi)，由人工把泥沙裝入袋中，封住袋口后，扳動拋枕架，將袋體拋入加固堤段。實踐表明，土工復合袋人工裝沙用于黃河大堤防沖加固取得了較好的效果。浙江省紹興、蕭山等地于20世紀90年代初用泥漿泵充填土工長管袋在錢塘江河口高灘上進行圍墾筑堤。實踐表明，在治河搶險等水利工程中用土工充泥袋代替石方具有施工進度快、造價低、又能就地取材和便于機械化施工等，應用前景十分廣闊。錢塘江河口泥沙顆粒細，漲、落潮流速大，能否用土工充泥袋代替石方作為錢塘江南股槽整治工程材料，土工充泥袋在水流功能下的保沙性能和袋體的穩(wěn)定性能等是關鍵新問題。對此，作者開展了一系列室內(nèi)、外試驗探究。通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗得知，解決袋體的保沙新問題，首先應根據(jù)泥沙的粗細情況合理地選擇袋布，用泥漿泵充填土工充泥袋結束后，其外側及時加拋石渣和塊石，或者在袋體外加包塑料薄膜使袋體免受水流和風浪的淘刷，從而達到保沙目的。至于袋體穩(wěn)定新問題，宜采用大體積的袋體，但袋體的長寬比(L/B)應在2.0～3.5之間。根據(jù)這一要求，在錢塘江南股槽整治實踐中，研制出大體積土工“沙墊”代替長管袋。這種大體積“沙墊”現(xiàn)已廣泛應用，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

1土工充泥袋布的選擇

1.1現(xiàn)場泥沙顆粒級配及其物理特性試驗現(xiàn)場位于錢塘江尖山河灣南岸曹娥江口東側(圖1)?，F(xiàn)場土樣經(jīng)顆粒分析，泥沙粒徑摘要：d50＝0.03mm，d10＝0.014mm，d60=0.033mm，曲率系數(shù)Cc=d230/(d60*d10)=1.25，不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=2.36，屬顆粒較均勻的細粉沙。泥沙起動流速為0.3～0.5m/s，干容重1.12～1.58t/m3，滲透系數(shù)1.21×10-4～1.38×10-5cm/s，內(nèi)摩擦角20°～27°。

1.2土工充泥袋布的選擇

1.2.1土工充泥袋布的選擇

選擇充泥袋布的原則是摘要：用泥漿泵進行充填時，袋布應滿足抗拉強度、透水保沙性能等方面的要求；由于用量很大，所以又要求所選用的土工布價格低廉。我們根據(jù)就近的原則，選用了常州塑料編織總廠和杭州新豐塑料廠生產(chǎn)的土工充泥袋布。其基本特性見表1。室內(nèi)、外試驗結果表明，用泥漿泵充填土工充泥袋時，袋布的抗拉強度應每50mm大于750N。表1所列的土工充泥袋布的抗拉強度基本上能滿足這一要求。

表1土工充泥袋布的基本特性

產(chǎn)地

物理特性

力學特性

水力特性

經(jīng)緯密度(絲/寸)

單位面積質(zhì)量/(g/m2)

厚度/mm

拉抗強度/(N/mm)

頂破強度/N

延伸率(%)

當量孔徑O90/mm

滲透系數(shù)K/(cm/s)

經(jīng)向

緯向

經(jīng)向

緯向

常州

14×16

14×15

120

210

0.51

0.57

15

31.98

16

37.46

1831

4189

26

18.6

13

17.8

0.29

0.08

2.62×10-2

5.9×10-2

新豐

100

0.3

800

25

0.1

4×10-2

1.2.2土工充泥袋的保沙效果試驗用泥漿泵充填土工充泥袋，透水和保沙是相互矛盾的。從施工角度考慮，要求土工充泥袋布有較好的透水性，使充填的泥漿在袋體內(nèi)排水快，泥沙固結時間短，從而達到加快施工進度目的，但相應保沙效果較差。一般土工充泥袋布都有一定的透水能力，其透水（或保沙）性和土工充泥袋布的單位面積孔的數(shù)量及其大小（當量孔徑O90)有關。表2所列土工充泥袋布的滲透系數(shù)均大于施工現(xiàn)場土料的滲透系數(shù)。在施工現(xiàn)場測試表明，泥漿泵充填常州產(chǎn)1#土工充泥袋時，充入袋的含沙量為550kg/m3，析出袋的含沙量為20kg/m3，保沙率為96％。由此說明，在滲透壓力功能下土工充泥袋的漏沙量是不大的，能滿足施工要求。表1中，杭州新豐塑料廠生產(chǎn)的袋布雖然滲透系數(shù)大一些，但浙江省紹興縣的圍墾實踐表明，該廠生產(chǎn)的袋布一般也能滿足滲透壓力功能下的保沙要求。

表2土工充泥袋漏沙率試驗

編號

生產(chǎn)廠家

規(guī)格

單位面積重量/(g/m2)

漏沙率η(%)

備注

1#

2#

3#

4#

5#

6#

常州廠

常州廠

常州廠

杭州新豐廠

杭州新豐廠

杭州新豐廠

14×16

14×14

12～13

13×13

13×13

14×15

120

150

195

200

240

210

100.0

53.8

3.8

79.8

100.0

1.40

袋體縱軸順水流方向擺放如圖

1.2.3水流功能下土工充泥袋的保沙試驗土工充泥袋在水流功能下的保沙性能是一項很重要的指標，但難以通過模型試驗得到，一般需在土工充泥袋內(nèi)裝入天然泥沙，然后在接近天然流速的情況下進行沖刷試驗。有人把沙袋懸掛在船尾，船在水中行駛，據(jù)此測得袋體保沙率和流速之間的關系。本項試驗是在活動水槽內(nèi)進行的?；顒铀坶L16.0m、寬0.5m、高0.6m，最大坡度24%，最大流量0.05m3/s，最大流速2.0m/s。為了增大活動水槽內(nèi)的流速，又將試驗段面寬縮窄至0.35m，使最大流速提高到2.2m/s。充泥袋試件的長20cm、寬10cm、厚5cm，為偏平長方體。用不同規(guī)格的袋布制成6種試驗袋體。將試件安置在水槽底板軸線上，然后放水沖刷，并用南京水利科學探究院生產(chǎn)的智能流速儀施測流速。土工充泥袋的保沙性能指標用漏沙率表示，即

(1)

式中摘要：η為試驗袋體的漏沙率(%)；w0為水流沖刷前的充泥袋重量,單位摘要：N；w1為水流沖刷后的充泥袋重量，單位摘要：N。當水槽試驗流速為2.0m/s，沖刷時間2h，測得漏沙率如表2。從表2看出，在上述試驗條件下，常州廠生產(chǎn)的3#、6#土工充泥袋試件的漏沙率較小(η%26lt;5%)；2#、4#試件的漏沙率η%26gt;50%；1#、5#試件的漏沙率更大(η=100%），袋體內(nèi)泥沙全部漏失。可見，后4種土工充泥袋在流速2m/s左右的水域中難以滿足保沙要求。

為了進一步探明土工充泥袋漏沙率和流速和沖刷時間之間的關系，用表中1#土工充泥袋試件在水槽內(nèi)進行了不同流速功能下、持續(xù)時間為2h的沖刷試驗。其漏沙率和沖刷流速間的關系見圖2。從圖看出，l#土工充泥袋試件的漏沙率和沖刷流速成正比。當流速為1.0m/s時，漏沙率約10%；當沖刷流速大于1.5m/s時漏沙率快速增大。

1#土工充泥袋試件在水槽內(nèi)進行保沙試驗，試驗流速為1.0m/s，其漏沙率和沖刷時間的關系見圖3。結果表明，隨著沖刷時間的增長，漏沙率也逐漸增大，沖刷3h后漏沙率大約穩(wěn)定在20%左右。由此可知，1#土工充泥袋適用于流速小于1.0m/s的水域中。試驗現(xiàn)場用1#土工充泥袋筑壩，由于袋體外測未經(jīng)石渣、塊石保護，經(jīng)過四天大潮流速(每潮流速約2.0m/s、持續(xù)時間約0.5h）的淘刷功能，袋體內(nèi)的泥沙幾乎漏光。現(xiàn)場試驗時，對于流速大于1.0m/s的水域，用泥漿泵充填1#土工充泥袋時，在袋體外側及時加拋石渣和塊石，既防止了水流、風浪對袋體的淘刷，又能有效地防止袋布的老化。

表2中3#、6#兩種袋布的漏沙率較小。我們用這兩種土工充泥袋試件在水槽中進行試驗

，在2.0m/s的流速功能下，其充泥袋漏沙率隨時間變化如圖4。從圖可知，當袋體縱軸和水流方向平行時，大約經(jīng)8h沖刷后，漏沙率趨于穩(wěn)定(η=20%)；而袋體縱軸垂直于水流方向的漏沙率大于前一種情況的漏沙率。試驗后，將這兩種不同擺放的試件切開，對比分析可知，漏沙最嚴重處位于試件迎流面，此處因水流紊亂，袋體內(nèi)泥沙易被吸出帶走。試件縱軸和水流方向垂直時，其迎流面積較大，因而漏沙率較大。為減少土工充泥袋的漏沙量，現(xiàn)場施工時土工充泥袋縱軸宜和水流方向平行擺放。擬建工程水域錢塘江南股槽內(nèi)漲潮流速(3.0m/s以上)大于落潮流速(約1.0m/s)，根據(jù)這種水流特性，對土工充泥袋迎漲潮流側用漏沙率較小的土工布料予以保護，收到較好的保沙效果。表1中漏沙率最大的常州產(chǎn)1#土工充泥袋布縫制成30cm×15cm的試件，受水流功能的袋體頭部用不透水的膜保護，在水槽內(nèi)受到流速2.0m/s功能，沖刷歷時2h，其漏沙率僅為9%。此值大大低于袋體未經(jīng)保護且水流條件相同的漏沙率(η＝100%)。以上試驗表明，漏沙率不但和流速大小有關，且和袋體四周流態(tài)關系也很密切。

2土工充泥袋的穩(wěn)定性及其尺寸選擇

2.1土工充泥袋布的摩擦系數(shù)用土工充泥袋筑壩，袋體接觸面之間的摩擦系數(shù)關系到壩體在水流功能下的穩(wěn)定性。土工充泥袋布的規(guī)格不同及其干濕之別，對摩擦系數(shù)有一定程度的影響。試驗表明，同種土工充泥袋布，干的摩擦系數(shù)比濕的大5%～8%。由于濕的土工布有潤滑功能，故其摩擦系數(shù)較小。至于壓強和接觸面積對摩擦系數(shù)的影響，試驗表明，土工充泥袋布的摩擦系數(shù)隨壓強的增大而減小，并趨向某個極限值。這為設計壩體時可不考慮其堆筑高度的影響，而采用某一固定的摩擦系數(shù)提供了依據(jù)。土工充泥袋布的摩擦系數(shù)和接觸面積的關系也不明顯，這對采用大尺寸的袋體是有利的[1。綜合前人大量的試驗結果，土工充泥袋因袋布表面的毛糙和光滑的差別，其摩擦系數(shù)一般在0.35～0.50之間變化。

2.2水流功能下土工充泥袋的穩(wěn)定性水流功能下土工充泥袋的穩(wěn)定性是土工充泥袋筑壩設計和施工的重要依據(jù)。根據(jù)不同的施工階段，袋體在水流功能下的穩(wěn)定性，分為袋體貼在河床上和處在壩體上兩種情況。由于我們實際采用的土工充泥袋尺寸一般都較大，所以袋體失穩(wěn)主要以滑動為主，滾動失穩(wěn)一般不會發(fā)生。文獻[2根據(jù)土工充泥袋在水流功能下受力的物理圖形(圖5)，建立了充泥袋臨界滑動失穩(wěn)流速

式中摘要：V為袋體處垂線平均流速，單位摘要：m/s;H為水深，單位摘要：m；d′為袋體厚度，單位摘要：m;L為袋體順水流方向長度,單位摘要：m；g為重力加速度，單位摘要：m/s2;ρ、ρs分別水和泥沙的干密度,單位摘要：kN/m3。

由式(2)、(3)看出，壩頂上的土工充泥袋臨界失穩(wěn)流速比壩底床面上的小1/3。主要由于處在壩頂上的土工充泥袋之間緊密程度不如壩底床面上。處在壩頂上的土工充泥袋不僅減小了袋體之間的摩擦力，且水流上舉力較大；另外，由于壩體上游坡對水流的導流功能也加大了水流上舉力，因而其穩(wěn)定性較差。

由式(2)、(3)可知，增大土工充泥袋失穩(wěn)流速最有效的辦法是加長袋體長度(L)。但試驗和實踐又表明，長、寬比(L／B′)較大的土工充泥袋(如長管袋)即使袋體順水流方向擺放，由于袋體迎水面受力不均勻，袋體頭部易發(fā)生側向偏轉(zhuǎn)。當土工充泥袋發(fā)生側向偏轉(zhuǎn)時，迎流面積會進一步增大，從而導致袋體快速橫向扭轉(zhuǎn)滑動，甚至折斷。袋體的長寬比越大，這種失穩(wěn)越易發(fā)生?？梢?，土工充泥袋的穩(wěn)定條件還受到袋體長寬比（L／B′)的限制。也就是說，要增大土工充泥袋臨界失穩(wěn)流速，除加大袋體的長度外，還應同時加大袋體的寬度，使土工充泥袋滿足較佳的長寬比(L/B′＝2.1～3.5)[2。

表3上虞九四丘東、西順壩土工充泥袋尺寸

土工布直徑

D/m

沖填后袋寬

B′/m

充泥袋長度

L/m

充泥袋長寬比

/(L/B′)

8.5

6.5

5.0

4.0

2.0

1.5

12.0

9.7

7.3

5.7

2.6

1.8

12.5

25

25

25

20-40

20-40

1

2.5

3.4

4.3

8.0-16

11-22

在上虞九四丘試驗現(xiàn)場起初用土工長管袋拋壩促淤，對于灘面較高，流速較小的情況是可行的。后來由于壩頭臨水而出現(xiàn)沖刷坑，高程在-1.0～-2.0m之間(吳淞基面，下同)。為增大壩頭土工充泥袋在水流功能下的穩(wěn)定性，我們研制了大體積充泥袋(稱之“沙墊”)填筑壩體，取得了很好的效果。大體積充泥袋(沙墊)尺寸見表3。

從表3看出，前面4種土工充泥袋（或沙墊）的長寬比L/B′=1.0～4.3，和較佳長寬比(L/B′＝2.1～3.5）基本一致。可見，我們根據(jù)現(xiàn)場試驗水深、流急的特征，為增大土工充泥袋的穩(wěn)定性，改用沙墊代替長管袋是有理論根據(jù)的。應當指出，沙墊在圍墾工程堵口合攏閉氣也廣泛采用。

3土工充泥袋筑壩的斷面結構

根據(jù)現(xiàn)場試驗地點的施工條件，一只土工充泥袋充填高度一般為0.6～0.7m，有的可達到0.8m。為便于對壩體兩側進行拋石保護，土工充泥袋壩兩側邊坡應小于1∶1.5，即每堆筑一層土工充泥袋，兩側縮進0.7～0.8m。當土工充泥袋填筑至設計高程時，兩側立即用石渣和塊石保護，見圖6。石渣、塊石保護有兩個目的摘要：其一，防止水流、風浪直接侵蝕充泥袋，保護袋體內(nèi)泥沙；其二，防止土工充泥袋受紫外線照射而引起老化。采用這種大體積的沙墊筑壩，施工過程中必然會碰到壩頭過水，實踐表明，土工充泥袋能滿足穩(wěn)定要求。從南股槽水文測驗得知，大潮垂線平均最大流速約3.0m/s，出現(xiàn)在中潮位時（南股槽平均潮位約3.0m）。當土工充泥袋堆筑到中潮位時，壩體底寬為20.5m，假定河床高程為-3.0m，水深為6.0m，兩側邊坡m=1.0，ρs=1.45t/m3，充泥袋高度0.7m，代入式(3)求得土工充泥袋臨界穩(wěn)定流速V＝4.45m/s。由此可知，南股槽整治采用土工充泥袋筑壩，袋體能滿足穩(wěn)定要求。

4結語

(1)錢塘江河口河床質(zhì)為粉沙，其中值粒徑d50=0.02～0.04mm,非常適宜用泥漿泵充填土工充泥袋施工，由于其具有施工簡單、速度快、能就地取材及造價低等優(yōu)點，現(xiàn)已推廣應用，是20世紀90年代錢塘江河口治江圍涂技術重大創(chuàng)新，應繼續(xù)開展探究和推廣應用。

(2)用土工充泥袋代替石方拋壩促淤比較適宜于中、低灘面上施工。深水施工時，袋體定位較困難，且流速不能太大。我們在流速3.0m/s，相應持續(xù)時間約0.5h的南股槽整治工程施工中，采用土工充泥袋仍滿足穩(wěn)定要求。

(3)用泥漿泵充填土工充泥袋筑壩，要求袋布有一定的透水性，又要求有較好的保沙性，這兩者是相互矛盾的。錢塘江河口床沙為細粉沙，在滲透力功能下選用的土工充泥袋一般能滿足保沙要求。土工充泥袋在流速大于1.5m/s的水中雖然漏沙嚴重，但假如在其兩側及時用石渣、塊石保護，則仍能使用。對于粘性較大，顆粒較細(d50＜0.02mm)的泥沙，由于所用袋布的孔徑較小，排水較慢，漏沙多，固結后布滿度小，既影響施工效率，又不經(jīng)濟，一般不宜采用。

(4)根據(jù)錢塘江河口試驗現(xiàn)場水深流急的特征，為提高水流功能下土工充泥袋的穩(wěn)定性，研制出大體積的土工充泥袋或稱“沙墊”，其長寬比應滿足最佳值(即L/B′＝2.1～3.5)。大體積的沙墊不但可用于水深流速較大的水域，而且也廣泛應用于丁壩壩頭的保護和圍涂工程的堵口閉氣以及圍堰工程。

(5)20世紀90年代，在錢塘江尖山河灣南股槽整治中用泥漿泵水下充填土工充泥袋，不僅可加快工程進度，而且節(jié)省投資20%～25%，取得了明顯的經(jīng)濟效益，現(xiàn)已普遍推廣應用，是錢塘江治江圍涂技術的重大進展。

參考文獻摘要：

[1河海大學.聚丙烯編織袋壩沙袋試驗[R.科研報告，1985年2月.

[2李昌華，孫梅秀，應強，等.漢江土工布沙袋壩，土工布沙墊式軟體排及鋼筋混凝土框架支撐壩的水槽試驗探究[R.南京水利科學探究院科研報告，1990年8月.

[3丁家平，陶同康.漢江整治工程土工織物特性試驗探究[Z.水利水運科技情報，1991年2月.