土工充泥袋拋壩促淤試驗(yàn)研究與實(shí)踐

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土工合成材料是一種新型的建筑材料，已廣泛應(yīng)用于水利、水電、公路、鐵路、海港以及軍工等各個(gè)領(lǐng)域。黃河因泥沙顆粒較細(xì)，洪水流速較大，土工充泥袋應(yīng)用于護(hù)岸工程時(shí)，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(fù)合制成土工復(fù)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(dòng)拋枕架，將袋體拋入加固堤段。實(shí)踐表明，土工復(fù)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(jì)90年代初用泥漿泵充填土工長(zhǎng)管袋在錢塘江河口高灘上進(jìn)行圍墾筑堤。實(shí)踐表明，在治河搶險(xiǎn)等水利工程中用土工充泥袋代替石方具有施工進(jìn)度快、造價(jià)低、又能就地取材和便于機(jī)械化施工等，應(yīng)用前景十分廣闊。錢塘江河口泥沙顆粒細(xì)，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，土工充泥袋在水流作用下的保沙性能和袋體的穩(wěn)定性能等是關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)此，作者開(kāi)展了一系列室內(nèi)、外試驗(yàn)研究。通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得知，解決袋體的保沙問(wèn)題，首先應(yīng)根據(jù)泥沙的粗細(xì)情況合理地選擇袋布，用泥漿泵充填土工充泥袋結(jié)束后，其外側(cè)及時(shí)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(fēng)浪的淘刷，從而達(dá)到保沙目的。至于袋體穩(wěn)定問(wèn)題，宜采用大體積的袋體，但袋體的長(zhǎng)寬比(L/B)應(yīng)在2.0～3.5之間。根據(jù)這一要求，在錢塘江南股槽整治實(shí)踐中，研制出大體積土工“沙墊”代替長(zhǎng)管袋。這種大體積“沙墊”現(xiàn)已廣泛應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
    1、土工充泥袋布的選擇

                                                        1.1  現(xiàn)場(chǎng)泥沙顆粒級(jí)配及其物理特性     試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)位于錢塘江尖山河灣南岸曹娥江口東側(cè)(圖1)?，F(xiàn)場(chǎng)土樣經(jīng)顆粒分析，泥沙粒徑：d₅₀＝0.03mm，d₁₀＝0.014mm，d₆₀=0.033mm，曲率系數(shù)C_c=d²₃₀/(d₆₀*d₁₀)=1.25，不均勻系數(shù)C_u=d₆₀/d₁₀=2.36，屬顆粒較均勻的細(xì)粉沙。泥沙起動(dòng)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：用泥漿泵進(jìn)行充填時(shí)，袋布應(yīng)滿足抗拉強(qiáng)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(jià)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(jiàn)表1。室內(nèi)、外試驗(yàn)結(jié)果表明，用泥漿泵充填土工充泥袋時(shí)，袋布的抗拉強(qiáng)度應(yīng)每50mm大于750N。表1所列的土工充泥袋布的抗拉強(qiáng)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(xué)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(qiáng)度/(N/mm) 頂破強(qiáng)度/N 延伸率(%) 當(dāng)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(yàn)     用泥漿泵充填土工充泥袋，透水與保沙是相互矛盾的。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(jié)時(shí)間短，從而達(dá)到加快施工進(jìn)度目的，但相應(yīng)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）性與土工充泥袋布的單位面積孔的數(shù)量及其大小（當(dāng)量孔徑O₉₀)有關(guān)。表2所列土工充泥袋布的滲透系數(shù)均大于施工現(xiàn)場(chǎng)土料的滲透系數(shù)。在施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，泥漿泵充填常州產(chǎn)1#土工充泥袋時(shí)，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(shuō)明，在滲透壓力作用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(shí)踐表明，該廠生產(chǎn)的袋布一般也能滿足滲透壓力作用下的保沙要求。 表2  土工充泥袋漏沙率試驗(yàn) 編號(hào) 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?biāo)鞣较驍[放如圖       1.2.3  水流作用下土工充泥袋的保沙試驗(yàn)     土工充泥袋在水流作用下的保沙性能是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)，但難以通過(guò)模型試驗(yàn)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(jìn)行沖刷試驗(yàn)。有人把沙袋懸掛在船尾，船在水中行駛，據(jù)此測(cè)得袋體保沙率與流速之間的關(guān)系。本項(xiàng)試驗(yàn)是在活動(dòng)水槽內(nèi)進(jìn)行的?；顒?dòng)水槽長(zhǎng)16.0m、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(dòng)水槽內(nèi)的流速，又將試驗(yàn)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(zhǎng)20cm、寬10cm、厚5cm，為偏平長(zhǎng)方體。用不同規(guī)格的袋布制成6種試驗(yàn)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(xué)研究院生產(chǎn)的智能流速儀施測(cè)流速。土工充泥袋的保沙性能指標(biāo)用漏沙率表示，即 (1) 式中：η為試驗(yàn)袋體的漏沙率(%)；w₀為水流沖刷前的充泥袋重量,單位：N；w₁為水流沖刷后的充泥袋重量，單位：N。當(dāng)水槽試驗(yàn)流速為2.0m/s，沖刷時(shí)間2h，測(cè)得漏沙率如表2。從表2看出，在上述試驗(yàn)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<5%)；2#、4#試件的漏沙率η>50%；1#、5#試件的漏沙率更大(η=100%），袋體內(nèi)泥沙全部漏失?？梢?jiàn)，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(jìn)一步探明土工充泥袋漏沙率與流速和沖刷時(shí)間之間的關(guān)系，用表中1#土工充泥袋試件在水槽內(nèi)進(jìn)行了不同流速作用下、持續(xù)時(shí)間為2h的沖刷試驗(yàn)。其漏沙率與沖刷流速間的關(guān)系見(jiàn)圖2。從圖看出，l#土工充泥袋試件的漏沙率與沖刷流速成正比。當(dāng)流速為1.0m/s時(shí)，漏沙率約10%；當(dāng)沖刷流速大于1.5m/s時(shí)漏沙率快速增大。
    1#土工充泥袋試件在水槽內(nèi)進(jìn)行保沙試驗(yàn)，試驗(yàn)流速為1.0m/s，其漏沙率與沖刷時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，隨著沖刷時(shí)間的增長(zhǎng)，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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)用1#土工充泥袋筑壩，由于袋體外測(cè)未經(jīng)石渣、塊石保護(hù)，經(jīng)過(guò)四天大潮流速(每潮流速約2.0m/s、持續(xù)時(shí)間約0.5h）的淘刷作用，袋體內(nèi)的泥沙幾乎漏光。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于流速大于1.0m/s的水域，用泥漿泵充填1#土工充泥袋時(shí)，在袋體外側(cè)及時(shí)加拋石渣和塊石，既防止了水流、風(fēng)浪對(duì)袋體的淘刷，又能有效地防止袋布的老化。 圖2 1^#袋布流速與漏沙率關(guān)系曲線 圖3 1^#袋布受流速1.0m/s作用與
沖刷歷時(shí)關(guān)系       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(jìn)行試驗(yàn)，在2.0m/s的流速作用下，其充泥袋漏沙率隨時(shí)間變化如圖4。從圖可知，當(dāng)袋體縱軸與水流方向平行時(shí)，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(yàn)后，將這兩種不同擺放的試件切開(kāi)，對(duì)比分析可知，漏沙最嚴(yán)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。試件縱軸與水流方向垂直時(shí)，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(chǎng)施工時(shí)土工充泥袋縱軸宜與水流方向平行擺放。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(duì)土工充泥袋迎漲潮流側(cè)用漏沙率較小的土工布料予以保護(hù)，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，受水流作用的袋體頭部用不透水的膜保護(hù)，在水槽內(nèi)受到流速2.0m/s作用，沖刷歷時(shí)2h，其漏沙率僅為9%。此值大大低于袋體未經(jīng)保護(hù)且水流條件相同的漏沙率(η＝100%)。以上試驗(yàn)表明，漏沙率不但與流速大小有關(guān)，且與袋體附近流態(tài)關(guān)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(guān)系到壩體在水流作用下的穩(wěn)定性。土工充泥袋布的規(guī)格不同及其干濕之別，對(duì)摩擦系數(shù)有一定程度的影響。試驗(yàn)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(rùn)滑作用，故其摩擦系數(shù)較小。至于壓強(qiáng)和接觸面積對(duì)摩擦系數(shù)的影響，試驗(yàn)表明，土工充泥袋布的摩擦系數(shù)隨壓強(qiáng)的增大而減小，并趨向某個(gè)極限值。這為設(shè)計(jì)壩體時(shí)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)與接觸面積的關(guān)系也不明顯，這對(duì)采用大尺寸的袋體是有利的^[1]。綜合前人大量的試驗(yàn)結(jié)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  水流作用下土工充泥袋的穩(wěn)定性     水流作用下土工充泥袋的穩(wěn)定性是土工充泥袋筑壩設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù)。根據(jù)不同的施工階段，袋體在水流作用下的穩(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(shí)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(dòng)為主，滾動(dòng)失穩(wěn)一般不會(huì)發(fā)生。文獻(xiàn)^[2]根據(jù)土工充泥袋在水流作用下受力的物理圖形(圖5)，建立了充泥袋臨界滑動(dòng)失穩(wěn)流速 (2) ?和 (3) 式中：V為袋體處垂線平均流速，單位：m/s;H為水深，單位：m；d′為袋體厚度，單位：m;?L為袋體順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度,單位：m；g為重力加速度，單位：m/s²;ρ、ρ_s分別水和泥沙的干密度,單位：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(duì)水流的導(dǎo)流作用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(zhǎng)袋體長(zhǎng)度(L)。但試驗(yàn)和實(shí)踐又表明，長(zhǎng)、寬比(L／B′)較大的土工充泥袋(如長(zhǎng)管袋)即使袋體順?biāo)鞣较驍[放，由于袋體迎水面受力不均勻，袋體頭部易發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)土工充泥袋發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)時(shí)，迎流面積會(huì)進(jìn)一步增大，從而導(dǎo)致袋體快速橫向扭轉(zhuǎn)滑動(dòng)，甚至折斷。袋體的長(zhǎng)寬比越大，這種失穩(wěn)越易發(fā)生?？梢?jiàn)，土工充泥袋的穩(wěn)定條件還受到袋體長(zhǎng)寬比（L／Ｂ′)的限制。也就是說(shuō)，要增大土工充泥袋臨界失穩(wěn)流速，除加大袋體的長(zhǎng)度外，還應(yīng)同時(shí)加大袋體的寬度，使土工充泥袋滿足較佳的長(zhǎng)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(zhǎng)度
L/m 充泥袋長(zhǎng)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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)起初用土工長(zhǎng)管袋拋壩促淤，對(duì)于灘面較高，流速較小的情況是可行的。后來(lái)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作用下的穩(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(jiàn)表3。
    從表3看出，前面4種土工充泥袋（或沙墊）的長(zhǎng)寬比 L/B′=1.0～4.3，與較佳長(zhǎng)寬比(L/B′＝2.1～3.5）基本一致?？梢?jiàn)，我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)水深、流急的特點(diǎn)，為增大土工充泥袋的穩(wěn)定性，改用沙墊代替長(zhǎng)管袋是有理論根據(jù)的。應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu) 
    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)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(dá)到0.8m。為便于對(duì)壩體兩側(cè)進(jìn)行拋石保護(hù)，土工充泥袋壩兩側(cè)邊坡應(yīng)小于1∶1.5，即每堆筑一層土工充泥袋，兩側(cè)縮進(jìn)0.7～0.8m。當(dāng)土工充泥袋填筑至設(shè)計(jì)高程時(shí)，兩側(cè)立即用石渣和塊石保護(hù)，見(jiàn)圖6。石渣、塊石保護(hù)有兩個(gè)目的：其一，防止水流、風(fēng)浪直接侵蝕充泥袋，保護(hù)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(guò)程中必然會(huì)遇到壩頭過(guò)水，實(shí)踐表明，土工充泥袋能滿足穩(wěn)定要求。從南股槽水文測(cè)驗(yàn)得知，大潮垂線平均最大流速約3.0m/s，出現(xiàn)在中潮位時(shí)（南股槽平均潮位約3.0m）。當(dāng)土工充泥袋堆筑到中潮位時(shí)，壩體底寬為20.5m，假定河床高程為-3.0m，水深為6.0m，兩側(cè)邊坡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(jié)語(yǔ)
     (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(jiǎn)單、速度快、能就地取材及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已推廣應(yīng)用，是20世紀(jì)90年代錢塘江河口治江圍涂技術(shù)重大創(chuàng)新，應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展研究和推廣應(yīng)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(shí)，袋體定位較困難，且流速不能太大。我們?cè)诹魉?.0m/s，相應(yīng)持續(xù)時(shí)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(xì)粉沙，在滲透力作用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(yán)重，但如果在其兩側(cè)及時(shí)用石渣、塊石保護(hù)，則仍能使用。對(duì)于粘性較大，顆粒較細(xì)(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(jié)后充滿度小，既影響施工效率，又不經(jīng)濟(jì)，一般不宜采用。
    (4)根據(jù)錢塘江河口試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)水深流急的特點(diǎn)，為提高水流作用下土工充泥袋的穩(wěn)定性，研制出大體積的土工充泥袋或稱“沙墊”，其長(zhǎng)寬比應(yīng)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(yīng)用于丁壩壩頭的保護(hù)和圍涂工程的堵口閉氣以及圍堰工程。
    (5)20世紀(jì)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(jìn)度，而且節(jié)省投資20%～25%，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)已普遍推廣應(yīng)用，是錢塘江治江圍涂技術(shù)的重大進(jìn)展