土工充泥袋抛坝促淤试验研究与实践

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土工合成材料是一种新型的建筑材料，已广泛应用于水利、水电、公路、铁路、海港以及军工等各个领域。黄河因泥沙颗粒较细，洪水流速较大，土工充泥袋应用于护岸工程时，保沙性能要求较高。因此，土工充泥袋外层用聚丙烯充泥袋布，内层用聚乙烯薄膜复合制成土工复合袋，然后，把袋体安装在抛枕架内，由人工把泥沙装入袋中，封住袋口后，扳动抛枕架，将袋体抛入加固堤段。实践表明，土工复合袋人工装沙用于黄河大堤防冲加固取得了较好的效果。浙江省绍兴、萧山等地于20世纪90年代初用泥浆泵充填土工长管袋在钱塘江河口高滩上进行围垦筑堤。实践表明，在治河抢险等水利工程中用土工充泥袋代替石方具有施工进度快、造价低、又能就地取材和便于机械化施工等，应用前景十分广阔。钱塘江河口泥沙颗粒细，涨、落潮流速大，能否用土工充泥袋代替石方作为钱塘江南股槽整治工程材料，土工充泥袋在水流作用下的保沙性能和袋体的稳定性能等是关键问题。对此，作者开展了一系列室内、外试验研究。通过室内和现场试验得知，解决袋体的保沙问题，首先应根据泥沙的粗细情况合理地选择袋布，用泥浆泵充填土工充泥袋结束后，其外侧及时加抛石渣和块石，或者在袋体外加包塑料薄膜使袋体免受水流和风浪的淘刷，从而达到保沙目的。至于袋体稳定问题，宜采用大体积的袋体，但袋体的长宽比(L/B)应在2.0～3.5之间。根据这一要求，在钱塘江南股槽整治实践中，研制出大体积土工“沙垫”代替长管袋。这种大体积“沙垫”现已广泛应用，取得了显著的经济效益。
    1、土工充泥袋布的选择

                                                        1.1  现场泥沙颗粒级配及其物理特性     试验现场位于钱塘江尖山河湾南岸曹娥江口东侧(图1)。现场土样经颗粒分析，泥沙粒径：d₅₀＝0.03mm，d₁₀＝0.014mm，d₆₀=0.033mm，曲率系数C_c=d²₃₀/(d₆₀*d₁₀)=1.25，不均匀系数C_u=d₆₀/d₁₀=2.36，属颗粒较均匀的细粉沙。泥沙起动流速为0.3～0.5m/s，干容重1.12～1.58t/m³，渗透系数1.21×10^-4～1.38×10^-5cm/s，内摩擦角20°～27°。
    1.2  土工充泥袋布的选择
    1.2.1 土工充泥袋布的选择
    选择充泥袋布的原则是：用泥浆泵进行充填时，袋布应满足抗拉强度、透水保沙性能等方面的要求；由于用量很大，所以又要求所选用的土工布价格低廉。我们根据就近的原则，选用了常州塑料编织总厂和杭州新丰塑料厂生产的土工充泥袋布。其基本特性见表1。室内、外试验结果表明，用泥浆泵充填土工充泥袋时，袋布的抗拉强度应每50mm大于750N。表1所列的土工充泥袋布的抗拉强度基本上能满足这一要求。 表1  土工充泥袋布的基本特性 产地 物理特性 力学特性  水力特性 经纬密度(丝/寸) 单位面积质量/(g/m²) 厚度/mm 拉抗强度/(N/mm) 顶破强度/N 延伸率(%) 当量孔径O₉₀/mm 渗透 系数K/(cm/s) 经向 纬向 经向 纬向 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 新丰   100 0.3 800    25 0.1 4×10^-2       1.2.2  土工充泥袋的保沙效果试验     用泥浆泵充填土工充泥袋，透水与保沙是相互矛盾的。从施工角度考虑，要求土工充泥袋布有较好的透水性，使充填的泥浆在袋体内排水快，泥沙固结时间短，从而达到加快施工进度目的，但相应保沙效果较差。一般土工充泥袋布都有一定的透水能力，其透水（或保沙）性与土工充泥袋布的单位面积孔的数量及其大小（当量孔径O₉₀)有关。表2所列土工充泥袋布的渗透系数均大于施工现场土料的渗透系数。在施工现场测试表明，泥浆泵充填常州产1#土工充泥袋时，充入袋的含沙量为550kg/m³，析出袋的含沙量为20kg/m³，保沙率为96％。由此说明，在渗透压力作用下土工充泥袋的漏沙量是不大的，能满足施工要求。表1中，杭州新丰塑料厂生产的袋布虽然渗透系数大一些，但浙江省绍兴县的围垦实践表明，该厂生产的袋布一般也能满足渗透压力作用下的保沙要求。 表2  土工充泥袋漏沙率试验 编号 生产厂家 规格 单位面积 重量/(g/m²) 漏沙率η(%) 备注 1#
2#
3#
4#
5#
6# 常州厂
常州厂
常州厂
杭州新丰厂
杭州新丰厂
杭州新丰厂 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 袋体纵轴顺水流方向摆放如图       1.2.3  水流作用下土工充泥袋的保沙试验     土工充泥袋在水流作用下的保沙性能是一项很重要的指标，但难以通过模型试验得到，一般需在土工充泥袋内装入天然泥沙，然后在接近天然流速的情况下进行冲刷试验。有人把沙袋悬挂在船尾，船在水中行驶，据此测得袋体保沙率与流速之间的关系。本项试验是在活动水槽内进行的。活动水槽长16.0m、宽0.5m、高0.6m，最大坡度24%，最大流量0.05m³/s，最大流速2.0m/s。为了增大活动水槽内的流速，又将试验段面宽缩窄至0.35m，使最大流速提高到2.2m/s。充泥袋试件的长20cm、宽10cm、厚5cm，为偏平长方体。用不同规格的袋布制成6种试验袋体。将试件安置在水槽底板轴线上，然后放水冲刷，并用南京水利科学研究院生产的智能流速仪施测流速。土工充泥袋的保沙性能指标用漏沙率表示，即 (1) 式中：η为试验袋体的漏沙率(%)；w₀为水流冲刷前的充泥袋重量,单位：N；w₁为水流冲刷后的充泥袋重量，单位：N。当水槽试验流速为2.0m/s，冲刷时间2h，测得漏沙率如表2。从表2看出，在上述试验条件下，常州厂生产的3#、6#土工充泥袋试件的漏沙率较小(η<5%)；2#、4#试件的漏沙率η>50%；1#、5#试件的漏沙率更大(η=100%），袋体内泥沙全部漏失。可见，后4种土工充泥袋在流速２m/s左右的水域中难以满足保沙要求。
    为了进一步探明土工充泥袋漏沙率与流速和冲刷时间之间的关系，用表中1#土工充泥袋试件在水槽内进行了不同流速作用下、持续时间为2h的冲刷试验。其漏沙率与冲刷流速间的关系见图2。从图看出，l#土工充泥袋试件的漏沙率与冲刷流速成正比。当流速为1.0m/s时，漏沙率约10%；当冲刷流速大于1.5m/s时漏沙率快速增大。
    1#土工充泥袋试件在水槽内进行保沙试验，试验流速为1.0m/s，其漏沙率与冲刷时间的关系见图3。结果表明，随着冲刷时间的增长，漏沙率也逐渐增大，冲刷3h后漏沙率大约稳定在20%左右。由此可知，1#土工充泥袋适用于流速小于1.0m/s的水域中。试验现场用1#土工充泥袋筑坝，由于袋体外测未经石渣、块石保护，经过四天大潮流速(每潮流速约2.0m/s、持续时间约0.5h）的淘刷作用，袋体内的泥沙几乎漏光。现场试验时，对于流速大于1.0m/s的水域，用泥浆泵充填1#土工充泥袋时，在袋体外侧及时加抛石渣和块石，既防止了水流、风浪对袋体的淘刷，又能有效地防止袋布的老化。 图2 1^#袋布流速与漏沙率关系曲线 图3 1^#袋布受流速1.0m/s作用与
冲刷历时关系       表2中3#、6#两种袋布的漏沙率较小。我们用这两种土工充泥袋试件在水槽中进行试验，在2.0m/s的流速作用下，其充泥袋漏沙率随时间变化如图4。从图可知，当袋体纵轴与水流方向平行时，大约经8h冲刷后，漏沙率趋于稳定(η=20%)；而袋体纵轴垂直于水流方向的漏沙率大于前一种情况的漏沙率。试验后，将这两种不同摆放的试件切开，对比分析可知，漏沙最严重处位于试件迎流面，此处因水流紊乱，袋体内泥沙易被吸出带走。试件纵轴与水流方向垂直时，其迎流面积较大，因而漏沙率较大。为减少土工充泥袋的漏沙量，现场施工时土工充泥袋纵轴宜与水流方向平行摆放。拟建工程水域钱塘江南股槽内涨潮流速(3.0m/s以上)大于落潮流速(约1.0m/s)，根据这种水流特性，对土工充泥袋迎涨潮流侧用漏沙率较小的土工布料予以保护，收到较好的保沙效果。表1中漏沙率最大的常州产1#土工充泥袋布缝制成30cm×15cm的试件，受水流作用的袋体头部用不透水的膜保护，在水槽内受到流速2.0m/s作用，冲刷历时2h，其漏沙率仅为9%。此值大大低于袋体未经保护且水流条件相同的漏沙率(η＝100%)。以上试验表明，漏沙率不但与流速大小有关，且与袋体附近流态关系也很密切。
    2、土工充泥袋的稳定性及其尺寸选择
    2.1  土工充泥袋布的摩擦系数     用土工充泥袋筑坝，袋体接触面之间的摩擦系数关系到坝体在水流作用下的稳定性。土工充泥袋布的规格不同及其干湿之别，对摩擦系数有一定程度的影响。试验表明，同种土工充泥袋布，干的摩擦系数比湿的大5%～8%。由于湿的土工布有润滑作用，故其摩擦系数较小。至于压强和接触面积对摩擦系数的影响，试验表明，土工充泥袋布的摩擦系数随压强的增大而减小，并趋向某个极限值。这为设计坝体时可不考虑其堆筑高度的影响，而采用某一固定的摩擦系数提供了依据。土工充泥袋布的摩擦系数与接触面积的关系也不明显，这对采用大尺寸的袋体是有利的^[1]。综合前人大量的试验结果，土工充泥袋因袋布表面的毛糙和光滑的差别，其摩擦系数一般在0.35～0.50之间变化。
    2.2  水流作用下土工充泥袋的稳定性     水流作用下土工充泥袋的稳定性是土工充泥袋筑坝设计和施工的重要依据。根据不同的施工阶段，袋体在水流作用下的稳定性，分为袋体贴在河床上和处在坝体上两种情况。由于我们实际采用的土工充泥袋尺寸一般都较大，所以袋体失稳主要以滑动为主，滚动失稳一般不会发生。文献^[2]根据土工充泥袋在水流作用下受力的物理图形(图5)，建立了充泥袋临界滑动失稳流速 (2) ?和 (3) 式中：V为袋体处垂线平均流速，单位：m/s;H为水深，单位：m；d′为袋体厚度，单位：m;?L为袋体顺水流方向长度,单位：m；g为重力加速度，单位：m/s²;ρ、ρ_s分别水和泥沙的干密度,单位：kN/m³。
    由式(2)、(3)看出，坝顶上的土工充泥袋临界失稳流速比坝底床面上的小1/3。主要由于处在坝顶上的土工充泥袋之间紧密程度不如坝底床面上。处在坝顶上的土工充泥袋不仅减小了袋体之间的摩擦力，且水流上举力较大；另外，由于坝体上游坡对水流的导流作用也加大了水流上举力，因而其稳定性较差。         由式(2)、(3)可知，增大土工充泥袋失稳流速最有效的办法是加长袋体长度(L)。但试验和实践又表明，长、宽比(L／B′)较大的土工充泥袋(如长管袋)即使袋体顺水流方向摆放，由于袋体迎水面受力不均匀，袋体头部易发生侧向偏转。当土工充泥袋发生侧向偏转时，迎流面积会进一步增大，从而导致袋体快速横向扭转滑动，甚至折断。袋体的长宽比越大，这种失稳越易发生。可见，土工充泥袋的稳定条件还受到袋体长宽比（L／Ｂ′)的限制。也就是说，要增大土工充泥袋临界失稳流速，除加大袋体的长度外，还应同时加大袋体的宽度，使土工充泥袋满足较佳的长宽比(L/B′＝2.1～3.5)^[2]。 表3  上虞九四丘东、西顺坝土工充泥袋尺寸 土工布直径
D/m 冲填后袋宽
B′/m 充泥袋长度
L/m 充泥袋长宽比
/(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       在上虞九四丘试验现场起初用土工长管袋抛坝促淤，对于滩面较高，流速较小的情况是可行的。后来由于坝头临水而出现冲刷坑，高程在-1.0～-2.0m之间(吴淞基面，下同)。为增大坝头土工充泥袋在水流作用下的稳定性，我们研制了大体积充泥袋(称之“沙垫”)填筑坝体，取得了很好的效果。大体积充泥袋(沙垫)尺寸见表3。
    从表3看出，前面4种土工充泥袋（或沙垫）的长宽比 L/B′=1.0～4.3，与较佳长宽比(L/B′＝2.1～3.5）基本一致。可见，我们根据现场试验水深、流急的特点，为增大土工充泥袋的稳定性，改用沙垫代替长管袋是有理论根据的。应当指出，沙垫在围垦工程堵口合拢闭气也广泛采用。
    3、土工充泥袋筑坝的断面结构 
    根据现场试验地点的施工条件，一只土工充泥袋充填高度一般为0.6～0.7m，有的可达到0.8m。为便于对坝体两侧进行抛石保护，土工充泥袋坝两侧边坡应小于1∶1.5，即每堆筑一层土工充泥袋，两侧缩进0.7～0.8m。当土工充泥袋填筑至设计高程时，两侧立即用石渣和块石保护，见图6。石渣、块石保护有两个目的：其一，防止水流、风浪直接侵蚀充泥袋，保护袋体内泥沙；其二，防止土工充泥袋受紫外线照射而引起老化。采用这种大体积的沙垫筑坝，施工过程中必然会遇到坝头过水，实践表明，土工充泥袋能满足稳定要求。从南股槽水文测验得知，大潮垂线平均最大流速约3.0m/s，出现在中潮位时（南股槽平均潮位约3.0m）。当土工充泥袋堆筑到中潮位时，坝体底宽为20.5m，假定河床高程为-3.0m，水深为6.0m，两侧边坡m=1.0，ρ_s=1.45t/m³，充泥袋高度0.7m，代入式(3)求得土工充泥袋临界稳定流速V＝4.45m/s。由此可知，南股槽整治采用土工充泥袋筑坝，袋体能满足稳定要求。
    4、结语
     (1)钱塘江河口河床质为粉沙，其中值粒径d₅₀=0.02～0.04mm,非常适宜用泥浆泵充填土工充泥袋施工，由于其具有施工简单、速度快、能就地取材及造价低等优点，现已推广应用，是20世纪90年代钱塘江河口治江围涂技术重大创新，应继续开展研究和推广应用。
    (2)用土工充泥袋代替石方抛坝促淤比较适宜于中、低滩面上施工。深水施工时，袋体定位较困难，且流速不能太大。我们在流速3.0m/s，相应持续时间约0.5h的南股槽整治工程施工中，采用土工充泥袋仍满足稳定要求。
     (3)用泥浆泵充填土工充泥袋筑坝，要求袋布有一定的透水性，又要求有较好的保沙性，这两者是相互矛盾的。钱塘江河口床沙为细粉沙，在渗透力作用下选用的土工充泥袋一般能满足保沙要求。土工充泥袋在流速大于1.5m/s的水中虽然漏沙严重，但如果在其两侧及时用石渣、块石保护，则仍能使用。对于粘性较大，颗粒较细(d₅₀＜0.02mm)的泥沙，由于所用袋布的孔径较小，排水较慢，漏沙多，固结后充满度小，既影响施工效率，又不经济，一般不宜采用。
    (4)根据钱塘江河口试验现场水深流急的特点，为提高水流作用下土工充泥袋的稳定性，研制出大体积的土工充泥袋或称“沙垫”，其长宽比应满足最佳值(即L/B′＝2.1～3.5)。大体积的沙垫不但可用于水深流速较大的水域，而且也广泛应用于丁坝坝头的保护和围涂工程的堵口闭气以及围堰工程。
    (5)20世纪90年代，在钱塘江尖山河湾南股槽整治中用泥浆泵水下充填土工充泥袋，不仅可加快工程进度，而且节省投资20%～25%，取得了明显的经济效益，现已普遍推广应用，是钱塘江治江围涂技术的重大进展