航道整治工程沙枕防老化技術(shù)研究

鄧良愛，曾慶云

（1.長江航道局，武漢430016；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢430011）

沙枕以其整體性好、取材容易、造價相對低廉等優(yōu)點，在航道整治工程中得到了大量應(yīng)用，如沙枕護(hù)坡、沙枕填芯+塊石蓋面壩體等，但由于枯水期出露沙枕（雖然添加了防老化劑）的使用壽命很有限，面層沙枕老化問題十分突出，存在沙枕布易破損、袋裝沙出露等現(xiàn)象，而一旦枕袋老化破裂，袋裝沙不斷流失，護(hù)坡沙枕將不復(fù)存在，岸坡將重新受到強烈淘刷，岸坡的安全及工程效果將受到嚴(yán)重威脅［1］。因此有必要對枯水期出露沙枕進(jìn)行防老化處理。目前沙枕防老化一般采取塊石覆蓋法，但有些施工環(huán)境較特殊，如枯水期工程區(qū)域為灘地，常規(guī)施工船舶很難進(jìn)入；沙枕布易被破壞，采取防老化措施施工時，需盡量減少施工破壞；沙枕一般用來護(hù)坡，呈階梯狀，枕面水流力較大。因此，常規(guī)的塊石覆蓋防老化措施存在施工難度大、塊石容易流失（坡腳河床易淘刷，坡面塊石易跨塌，同時汛期受水流頂沖，覆蓋在沙枕上的塊石很容易被水流沖走）、投資規(guī)模較大（塊石本身單價較高，加之易流失）等問題［2］。因此有必要通過試驗研究，尋求施工方便、經(jīng)濟(jì)合理、防老化效果好的工程措施。

1 沙枕防老化現(xiàn)狀

目前在航道整治工程中普遍使用的沙枕袋由聚丙烯編織布縫制而成，屬土工織物中的一種，其耐久性受紫外線輻射、溫度變化、化學(xué)與生物侵蝕、水解影響、凍融變化、機(jī)械磨損及蠕變性能等影響。紫外線直接照射是聚合物老化的最主要因素，而水份、溫度和紫外線同時作用將進(jìn)一步促進(jìn)老化，將其埋在土中或水中，避開紫外線直接照射，其老化速度就會大大減小。目前土工織物的防老化措施主要有2種類型：一種是改性土工織物，即在土工織物加工過程中，直接添加防老化材料來提高其抗紫外線的能力，如添加防老化劑母料；另一種為面層阻斷型，即通過面層覆蓋阻斷紫外線的直接照射，如塊石覆蓋、模袋混凝土蓋面等方式［3-4］。簡要介紹如下。

（1）添加防老化劑母料。在枕袋制作過程中，將防老化劑母料添加到聚丙烯編織布中，以提高枕袋本身的防老化效果。添加防老化劑母料后，枕袋的顏色成灰黑色，且有較高的光澤度，但枕袋在出露的情況下，壽命仍然很有限。

（2）塊石覆蓋。在設(shè)計水位下1 m至設(shè)計高度的沙枕壩芯上鋪設(shè)無紡布，然后拋石覆蓋，以達(dá)到防老化的目的。

（3）模袋混凝土蓋面。這是一種新型的壩面結(jié)構(gòu)型式，主要是對填芯沙枕采取模袋混凝土蓋面，壩芯為沙枕，在沙枕上先用碎石袋找平，然后采用模袋混凝土蓋面。這種結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)在長江中游武穴水道航道整治工程順壩試驗段中得到成功運用。

從上述沙枕防老化措施現(xiàn)狀可以看出：（1）添加防老化劑母料措施最為方便，但使用壽命低；（2）塊石蓋面是目前航道整治工程中普遍使用的方法，沙枕防護(hù)效果較好，但對于特殊的施工環(huán)境，則存在很大難度，如枯水期拋石船很難進(jìn)入水凼，水下沙枕蓋石及鎮(zhèn)腳拋石難以施工，同時塊石本身單價較高，且易流失；（3）模袋混凝土蓋面結(jié)構(gòu)適合河床變形小、鋪設(shè)規(guī)模大的區(qū)域，且模袋混凝土自重大，不利于護(hù)坡沙枕（自身強度已降低）的穩(wěn)定。

由此可見，對于施工條件復(fù)雜的區(qū)域，還沒有一種較好的沙枕防老化措施，但可以參照目前的防老化形式，尋找一些新型材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗研究。

2 沙枕防老化試驗研究

2.1 工況條件

本試驗選擇長江中游界牌河段新淤洲中灘魚嘴灘面水凼護(hù)坡作為沙枕防老化試驗區(qū)，該段施工條件相對困難且水流條件較復(fù)雜。護(hù)坡沙枕位于中灘魚嘴水凼內(nèi)，枯水期四面為岸坡及灘地，常規(guī)施工船舶很難進(jìn)入；枯水期水凼坡頂高出水面約8 m，最大水深約18 m；沙枕護(hù)坡的坡面成小階梯形，坡度約為1∶2，坡腳下切幅度大，岸坡較長；中水期水流剛漫過灘面時，翻壩水水流力較大；部分沙枕面層有浮沙、雜物；護(hù)坡沙枕已存在一定老化，采取防老化措施施工時，應(yīng)盡量減少施工破壞。

2.2 材料選擇及結(jié)構(gòu)

從沙枕防老化措施現(xiàn)狀來看，目前很難突破改性土工織物，因此防老化措施研究主要放在面層阻斷型方面，面層阻斷型可分為覆蓋型與噴涂型。

2.2.1 覆蓋型

護(hù)坡沙枕主要考慮輕型覆蓋結(jié)構(gòu)，以防止覆蓋體本身加重沙枕的破壞程度。經(jīng)調(diào)查，目前工程中普遍使用的無紡布，具有良好的過濾性（主要是透水性）、伸縮性，其防老化性能優(yōu)于聚丙烯編織布，在護(hù)坡的反濾層廣泛應(yīng)用；同時，在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，無紡布吸附能力較強，被江水淹沒過的無紡布，往往有粉細(xì)砂粘附在上面，隔離了紫外線，且無紡布價格相對低廉，采用兩層或多層，其防老化年限可達(dá)15 a以上；同時無紡布與沙枕表面貼合較好，有一定厚度，延展性好，不會對沙枕產(chǎn)生二次破壞。因此考慮采用無紡布覆蓋。

無紡布的壓載固定方面，考慮了3種結(jié)構(gòu)：（1）復(fù)合沙肋排結(jié)構(gòu)。長江口航道整治工程中普遍采用的沙肋排結(jié)構(gòu)中的沙肋筒一般位于墊層上面，考慮到兩者的縫接、強度、防老化等情況，將其沙肋筒置于編織布墊層下面，再在編織布上面縫制無紡布，從而形成復(fù)合沙肋排結(jié)構(gòu)；（2）鋼絲網(wǎng)系掛D型砼塊結(jié)構(gòu)。參考目前廣泛使用的系砼塊軟體排結(jié)構(gòu)形式，其壓載體砼塊（圖1）本身有防老化功能，且系接簡單、牢固，系接采用系接鋼絲，固定砼塊的墊體為單層鋼絲網(wǎng)（圖2），其中鋼絲為抗老化、抗腐蝕能力強的鍍鋁鋅，形成無紡布+鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)；（3）鋼塑土工格柵系掛D型砼塊結(jié)構(gòu)。與上述鋼絲網(wǎng)系掛D型砼塊結(jié)構(gòu)類似，只是將鋼絲網(wǎng)改成土工格柵，形成無紡布+鋼塑土工格柵結(jié)構(gòu)。經(jīng)調(diào)查，鋼塑土工格柵的拉力由經(jīng)緯編織的高強鋼絲承擔(dān)（圖3），在低應(yīng)變能力下產(chǎn)生極高的抗拉模量，單寬抗拉強度可達(dá)120 kN，能完全滿足強度要求。鋼塑土工格柵的縱橫向肋條的鋼絲經(jīng)緯編織成網(wǎng)，外包裹層一次成型，鋼絲與外包裹層能協(xié)調(diào)作用，破壞伸長率很低（不大于3%）。鋼塑土工格柵的主要受力單元為鋼絲，蠕變量極低。鋼塑土工格柵的高密度聚乙烯可以確保在常溫下不會受到酸、堿、鹽溶液或油類的侵蝕，不會受到水溶解和微生物的侵害。同時聚乙烯的高分子性能也足以抵抗紫外線輻射。格柵受力后縱橫肋條協(xié)同作用，不會產(chǎn)生結(jié)點的拉裂或破損。

圖1 D型砼塊Fig.1 D-type concrete block

圖2 單層鋼絲網(wǎng)Fig.2 Monolayer steel wire mesh

圖3 鋼塑土工格柵Fig.3 Steel-plastic grating

綜上所述，覆蓋型結(jié)構(gòu)中覆蓋體主要包括沙肋排、鋼絲網(wǎng)+砼塊、鋼塑土工格柵+砼塊3種形式，將上述覆蓋體與無紡布進(jìn)行復(fù)合，形成3種覆蓋型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在護(hù)坡沙枕上時，需進(jìn)行坡頂壓載。

2.2.2 噴涂型

新型的CW-S抗老化材料可噴涂或刷涂在沙枕表面，以阻隔紫外線對沙枕的照射。CW-S抗老化材料在脂肪族耐老化高分子材料中，添加了無機(jī)納米材料和活性稀釋劑，是一種新型的高耐久性環(huán)保雙組分抗老化材料。CW-S抗老化材料具有無氣味、環(huán)保以及高耐候性、高抗沖磨性、高粘結(jié)性、高抗?jié)B性、干燥和潮濕面均可施工等特性，能提高混凝土和土工布的抗紫外線、抗沖磨、抗?jié)B、抗碳化、抗凍融、抗化學(xué)侵蝕性能［4］。

2.3 施工工藝

（1）覆蓋型。3種覆蓋型均需進(jìn)行坡頂壓載固定，即在坡頂邊線5 m外側(cè)，開挖一道寬2 m，深0.5 m的基槽；然后將覆蓋型材料從坡頂向坡下鋪開，將頭部鋪放在槽底，上面鋪石1 m厚進(jìn)行壓載，再在坡頂邊線5 m內(nèi)鋪石0.5 m厚，底部控制在設(shè)計水位下2 m，考慮到坡面的凹凸不平，覆蓋材料應(yīng)留出一定的富余長度，以盡量減少無紡布與原坡面之間的空隙，無紡布攤開后應(yīng)盡量與坡面吻合，將其完全覆蓋；接下來對沙肋筒進(jìn)行充沙或在網(wǎng)狀墊體上綁系小砼塊，邊緣壓載體適當(dāng)加密［5］。

（2）噴涂型。當(dāng)作業(yè)環(huán)境溫度低于0℃、高于50℃，或是表面干燥前可能下雨、風(fēng)力大于5級以上時，不能涂敷CW-S抗老化材料。使用前應(yīng)修補好表面明顯的破損，不得有空鼓、疏松等現(xiàn)象。施工前應(yīng)清除表面存在的灰塵、污漬等，然后用高壓水槍沖洗，使其表面清潔。然后將CW-S抗老化材料A、B組份按一定比例混合、攪拌均勻，進(jìn)行表面刷涂、滾涂或噴涂。如采用噴涂作業(yè)，普通的高壓無氣噴涂設(shè)備即可。在25℃時，表面干燥需要2～4 h，實干需8 h（干燥時間隨環(huán)境溫度、濕度而不同）。CW-S抗老化材料表面觸干后自然養(yǎng)護(hù)，7 d后即可投入使用。需要注意的是每次配好的CW-S抗老化材料的施工時間應(yīng)控制在2 h之內(nèi)，CW-S抗老化材料適宜在5℃～40℃的環(huán)境下施工，若溫度超出此范圍，應(yīng)根據(jù)實際情況對材料及配比進(jìn)行調(diào)整；遇寒潮或雨雪應(yīng)停止施工，已施工而未到7 d的應(yīng)采取保溫或防雨措施。

3 試驗成果分析

3.1 現(xiàn)場檢驗

從現(xiàn)場試驗情況來看，沙肋排、鋼絲網(wǎng)+砼塊、鋼塑土工格柵+砼塊3種覆蓋型防老化結(jié)構(gòu)效果均較好（圖4），經(jīng)歷一屆汛期后，沒有出現(xiàn)覆蓋體撕破、掀起、脫落等現(xiàn)象，沙枕的覆蓋效果良好；CW-S新型防老化涂層也沒有出現(xiàn)起殼、脫落等現(xiàn)象，附著性能較好（圖5）；同時可以看出，覆蓋型防老化結(jié)構(gòu)物與沙枕貼合比較緊密，對岸坡的適應(yīng)能力較強，因此適當(dāng)增強坡頂及邊緣側(cè)的壓載，覆蓋型防老化結(jié)構(gòu)物可以適用于坡度為1∶1.5～1∶3的岸坡。且鋼絲網(wǎng)及鋼塑土工格柵2種覆蓋型因系掛的砼塊、無紡布上覆蓋的泥沙相對較厚，進(jìn)一步增強了無紡布的防老化效果。

3.2 室內(nèi)試驗檢測

從CW-S新型防老化涂層的室內(nèi)試驗檢測成果來看，涂敷CW-S涂層材料的編織袋試件比未涂敷的拉伸強度提高了52.58%、斷裂伸長率提高了42.80%；考慮1 a中涂層材料約有一半時間在水下或紫外線照射不到的情況，保守估計CW-S涂層材料的使用壽命在20 a左右；同時鹽霧循環(huán)試驗結(jié)果表明，涂刷CW-S噴涂型材料后，沙枕布的抗鹽霧腐蝕能力顯著增強；而耐酸性試驗也表明CW-S涂層材料完全能夠抵御自然界酸雨對編織袋材料的侵蝕［6］。

圖4 覆蓋型防老化方案汛期前后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Photos of covering anti-aging measure before and after flood season

圖5 CW-S抗老化材料汛期前后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 Photos of CW-S coating before and after flood season

4 防老化措施比選

根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗以及計算情況，對文中提出的4種防老化方案進(jìn)行分析比較，各方案優(yōu)劣比較歸納見表1。

表1 沙枕防老化方案比較表Tab.1 Comparisons between anti-aging measures of sand-filled pillows

5 結(jié)論

本文在分析航道整治工程沙枕防老化措施的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了4種沙枕防老化方案，結(jié)合航道整治工程現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗，對這4種防老化方案從防老化效果、適應(yīng)變形性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工難易度、后期維護(hù)工作量、工程造價等方面進(jìn)行了比較分析。綜合來看，無紡布+鋼塑土工格柵覆蓋型在航道整治工程沙枕防老化中優(yōu)勢相對明顯，覆蓋體比較輕、覆蓋效果好、施工簡單、造價較低。CW-S抗老化施工效率高，使用壽命較長，如果工程資金充裕，建議采用CW-S抗老化材料。

［1］王先登，范先友，鄔和平，等.長江武漢航道局轄區(qū)航道整治建筑物2008年度技術(shù)狀況分析評價報告［R］.武漢：長江武漢航道局，2008.

［2］黃成濤，曾慶云，柴華峰，等.長江中游2009年度航道整治建筑物維修工程設(shè)計［R］.武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，2009.

［3］黃成濤，曾慶云，萬大斌，等.長江中游界牌河段新淤洲魚嘴中灘沙枕護(hù)坡防老化措施試驗研究［R］.武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，2009.

［4］余帆，黃召彪，譚倫武，等.長江中游護(hù)灘、沉排及抗沖整治建筑物結(jié)構(gòu)型式與施工工藝研究［R］.武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，2004.

［5］周冠倫，榮天富.航道工程手冊［R］.武漢：長江航道局，2004.

［6］韓煒，李珍.長江中游界牌河段新淤洲魚嘴護(hù)坡沙枕新型防老化涂層材料試驗［R］.武漢：長江水利委員會長江科學(xué)院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，2009.