一種新型吹填模袋技術(shù)

唐金忠

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海200061）

一種新型吹填模袋技術(shù)

唐金忠

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海200061）

圍海造地由淺灘向深水發(fā)展，現(xiàn)在的圍堤技術(shù)難以滿足深水灘涂開發(fā)，為此，本文提出一種筑堤的新方法、新工藝——U形模袋技術(shù)。此技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，上部開口大，吹填施工方便，能適用于多種吹填料，與傳統(tǒng)的充填管袋組成的圍堤相比，經(jīng)濟(jì)、快捷，適用于各種圍堤和施工圍堰。文章通過對圍堤結(jié)構(gòu)分析和研究，為該技術(shù)在灘涂開發(fā)工程中的應(yīng)用提供了參考。

深水圍堤；模袋；創(chuàng)新技術(shù)

圍海造地是拓展城市空間的重要途徑之一，近幾十年隨著沿海對灘涂瘋狂地開發(fā)，淺海灘地基本被圍墾利用枯竭，圍海造地正由淺灘向深水發(fā)展。但是現(xiàn)有的充泥管袋筑堤的方式，在袋體鋪設(shè)、充填泥漿濃度、充填方式方法、袋體防護(hù)措施等方面都有嚴(yán)格的要求，在圍海造地中需要搶低潮施工，尤其是深水施工難度很大，幾乎不可能。

本文提出一種U形模袋創(chuàng)新技術(shù)［1］，該技術(shù)是自主研發(fā)、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的新型水工結(jié)構(gòu)，特別適用于深水圍堤吹填。本文還通過對芯堤結(jié)構(gòu)分析和研究，為深水灘涂開發(fā)工程提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)。

1 U形模袋創(chuàng)新設(shè)計

U形模袋創(chuàng)新技術(shù)主要是針對現(xiàn)有圍堤技術(shù)的不足，對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展?，F(xiàn)有圍堤的主導(dǎo)技術(shù)為充泥管袋，即管袋水平放置，疊加成堤。而U形模袋是一種以樁為支撐骨架，樁—土工布組成U形吹填模袋，吹填砂土料（疏浚泥、砂料）后形成吹填芯堤，繼而把芯堤裝修形成永久性的斜坡大堤。

1.1 U形模袋的制作方法

U形模袋由土工布和加筋帶制作，柔性土工織物將吹填土料荷載直接傳遞給地基，部分傳遞于樁，通過樁基再傳給地基。制作方法是：沿堤線布置兩排平行且打入地基中的鋼筋混凝土預(yù)制樁，設(shè)置在兩排鋼筋混凝土樁之間為柔性土工織物，柔性織物由三面組成，依靠兩排樁支撐構(gòu)成一個上部開口的U形模袋，如圖1所示。袋內(nèi)吹填砂土料后形成吹填芯堤，把芯堤裝修形成永久性的斜坡大堤，護(hù)坡、護(hù)腳和堤頂路面等有多種不同的做法，選擇其中一斷面，如圖2所示。

圖1 U形模袋構(gòu)成示意圖

圖2

1.2 U形模袋構(gòu)件組成及作用

1.2.1樁

樁是U形模袋的支架，可以提高吹填堤的抗滑穩(wěn)定。樁間距由設(shè)計確定，取決于堤高（穩(wěn)定）、土工織物的抗拉強(qiáng)度等因素。一般圍堤越高，樁距越小。樁為鋼筋混凝土預(yù)制樁，樁長和入土深度由控制水位、堤高、地質(zhì)條件等因素通過穩(wěn)定計算確定。在圍堤堤高較小時，也可采用木樁或竹樁。

樁頂橫向間連接，根據(jù)需要可以設(shè)置混凝土拉梁、木拉梁或鋼拉梁等，在圍堤的斷面上形成排架結(jié)構(gòu)，以增加吹填堤整體穩(wěn)定；縱向兩樁間設(shè)置拉索，用于掛起兩側(cè)袋壁形成U形模袋。芯堤完成后，按設(shè)計圍堤斷面，外海側(cè)堤腳處拋投棱體，棱體與芯堤之間拋投袋裝土；將護(hù)坡層以上的樁頂鑿除，再進(jìn)行堤坡和堤頂護(hù)砌。

1.2.2袋底和砂肋

袋底和砂肋均由土工布組成，砂肋內(nèi)充填砂料，連成排成為U形模袋袋底的主要部分。袋底與袋壁連接形成U形袋，裝載吹填砂土料，還作為圍堤基礎(chǔ)的反滲層。袋底增設(shè)加筋帶，以增加袋底強(qiáng)度。

砂肋與土工布的袋底合二為一，在堤身地基表面組成排水墊層，其作用有：①形成良好的表層排水面，有利于孔隙水壓力的消散；②保持堤身底部連續(xù)完整，約束淺層軟土的側(cè)向變形，均化應(yīng)力分布。因此，可以提高地基承載力和堤身穩(wěn)定、減小沉降。

1.2.3袋壁

袋壁由土工布制作，內(nèi)側(cè)與袋底相應(yīng)設(shè)置加筋帶；其設(shè)計指標(biāo)根據(jù)吹填砂土料確定，一般由土工布強(qiáng)度和延伸率指標(biāo)控制［2］。例如，在吹填砂料時，袋壁土工布延伸率指標(biāo)＜25%，以防止受力使等效孔徑加大，造成充砂的模袋在波浪作用下漏砂；袋體材料采用反濾性能好的丙綸無紡針刺復(fù)合布（380g/m2），以防止袋裝砂堤身未實施護(hù)面時在波浪作用下可能發(fā)生的漏砂現(xiàn)象。

1.2.4加筋帶

加筋帶有模袋加筋帶和對拉加筋帶；模袋加筋帶與U形模袋袋體（袋底和袋壁）的土工布縫制于一體，布置在U形袋體的外側(cè)，其作用是加強(qiáng)模袋強(qiáng)度；對拉加筋帶在U形模袋內(nèi)垂直和水平方向上，按一定間隔和高度設(shè)置；水平設(shè)置為對拉加筋帶，其作用是在土壓力的作用下對拉，限制U形模袋的擴(kuò)張寬度，同時，通過吹填的砂土與對拉加筋帶的摩擦作用，增強(qiáng)堤防的穩(wěn)定性。

1.2.5吹填料

敞口的模袋方便吹填施工，在砂源緊張區(qū)域，吹填料可以直接采用疏浚泥摻插吹填，實現(xiàn)“變廢為寶”。吹填袋能適用于任何吹填料，也可采用傳統(tǒng)的砂料吹填，土工布排水方便，能有效地排水保砂，吹填料在重力的作用下，通過土工布不斷排水固結(jié)。

2 結(jié)構(gòu)分析和計算

結(jié)構(gòu)分析和計算是針對芯堤而言，在形成圍堤的過程中，芯堤自身首先要滿足設(shè)計要求，圍堤的穩(wěn)定應(yīng)按規(guī)范要求計算。通過結(jié)構(gòu)分析和計算，論證U形模袋創(chuàng)新技術(shù)的可行性，為今后工程中應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 芯堤穩(wěn)定計算

2.1.1地基承載力控制

軟土地基上U形模袋吹填而成的芯堤，相當(dāng)于臨時水工建筑物，可簡化計算；當(dāng)?shù)谈卟淮笥?.0m時，一般僅需進(jìn)行地基承載力驗算。當(dāng)設(shè)計的堤身荷載（P=γ h）小于P允許時，認(rèn)為滿足穩(wěn)定要求。計算式［4］如下：

式中：P允許為地基允許承載力，kP a；Cu為地基土不排水抗剪強(qiáng)度，kP a；當(dāng)袋底有軟體排時，Cu值可按提高20%～40%計算；K為安全系數(shù)，取K= 1.05～1.10。

2.1.2抗滑穩(wěn)定計算

U形模袋吹填的芯堤需要進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算時，其邊坡抗滑穩(wěn)定計算可采用瑞典圓弧滑動法，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.05～1.10。芯堤的堤頂若有堆載和交通荷載時，應(yīng)將這兩種荷載按有關(guān)規(guī)范換算成堤身荷載。

由于吹填砂土料—土工織物—地基的相互作用問題非常復(fù)雜，其機(jī)理也未完全搞清，整體穩(wěn)定可采用荷蘭法設(shè)計［4］。因此在穩(wěn)定分析中當(dāng)滑弧通過土工織物時，只需在抗滑計算公式中的抗滑力矩部分增加一項Δ Mr，即：

式中：Δ Mr為由于土工織物作用而增加的單位寬度抗滑力矩，k N·m；T為單位寬度土工織物允許抗拉強(qiáng)度，k N/m；R為滑弧半徑，m；n為土工織物層數(shù)。

2.2 芯堤受力分析

U形模袋是一種樁—土工織物的組合體，是一種復(fù)雜的柔性體空間結(jié)構(gòu)，采用簡化的方法進(jìn)行計算，即可滿足工程設(shè)計需要。樁是支撐模袋的骨架，吹填過程中，土工織物將充填荷載直接傳遞給地基；U形模袋技術(shù)首先是袋內(nèi)吹填形成芯堤，然后按設(shè)計要求對芯堤進(jìn)行護(hù)腳、護(hù)坡和堤頂護(hù)砌，從而完成整個圍堤（海堤或圍堰）。在實施過程中，芯堤自身必須滿足設(shè)計要求，即抗滑穩(wěn)定、構(gòu)件強(qiáng)度和變形等都要滿足設(shè)計［5］。

U形模袋分為垂直段和水平段兩部分，水平段為袋底，垂直段為袋壁；水平段應(yīng)保證足夠的滲徑，袋底土工布受到的力主要有垂直水土壓力、土工布下滲透壓力、地基反力和抵抗滑動力，一般以抵抗滑動力控制。垂直段的袋壁應(yīng)該滿足抗拉強(qiáng)度和變形。

兩樁之間的土工布，在土壓力的作用下將形成一個大圓弧（土兜），在對拉加筋帶的作用下，使每個大圓弧上又形成局部小弧，為計算方便，忽略對拉筋帶的作用，按大圓弧計算土工布的拉力，如圖3所示；在驗算土工布的強(qiáng)度和伸長率時，可以忽略小圓弧和對拉力f，按大圓弧的變形方式計算土工布的內(nèi)拉力，顯然，這種簡化是偏于安全。

由以上分析可知，袋壁在袋體內(nèi)吹填砂土料后會逐漸增大土壓力，從而增大土工布的拉力，圓弧形的土兜，其內(nèi)力即為張拉力：

式中：T為內(nèi)張拉力，N/m m；R為圓弧半徑，m m；P為土壓力，k P a。

上式表明，土工布受土壓力形成圓弧狀，土工布的內(nèi)拉力等于圓弧半徑與土壓強(qiáng)之積。若計算某點的內(nèi)拉力T，土壓力P是已知的，因為R的大小與土工布的伸長率有關(guān)，通過變形試算才能確定。U形模袋設(shè)計主要是驗算土工布的伸長率和強(qiáng)度，應(yīng)滿足設(shè)計要求?？梢杂孟率接嬎悖?/p>

式中：L為樁到樁的中心距離，m m；R為圓弧半徑，m m；ε為土工布的伸長率，%；r為樁的半徑，m m。

3 問題分析和要求

3.1 關(guān)于芯堤合龍

一般情況下傳統(tǒng)的圍堤都是采用龍口合龍，而U形膜袋芯堤施工時，則應(yīng)避免出現(xiàn)龍口，芯堤吹填應(yīng)盡可能均衡上升。特別是芯堤施工高度達(dá)到水位變化區(qū)時，在漲、退潮時，不宜留下個別缺口；分層吹填，同一層應(yīng)在一次漲退潮期間完成，避免集中水流對芯堤的沖刷。

3.2 土工織物袋孔徑

土工織物袋孔徑必須與充填砂土料顆粒組成相匹配，既不能使充填砂土料大量流失，又要使U形袋體內(nèi)的水能盡快排出，以便袋內(nèi)充填料盡量能在短時間內(nèi)達(dá)到固結(jié)狀態(tài)。

3.3 土工織物的選用

土工織物選用抗拉強(qiáng)度高、延伸率低和摩擦性能好的材料。

3.4 U形模袋的分段實施

U形模袋沿堤軸線方向可分段實施，分段處U形模袋端頭同樣采用樁-土工布組成。

4 結(jié)語

采用樁—土工織物組成U形模袋新型筑堤技術(shù)，是一種全新的設(shè)計理念。該創(chuàng)新技術(shù)有以下優(yōu)點：（1）以樁為U形模袋的支架，樁既是U形模袋的骨架，又可作為圍堤的抗滑樁，提高了圍堤的抗滑穩(wěn)定性。它充分利用土工織物透水、抗拉性能，組成上部開口的U形構(gòu)筑物，便于安裝；其施工速度快、勞動強(qiáng)度低，施工不受潮位限制，不受吹填料限制。（2）通過袋底設(shè)置砂肋排或砂袋，將袋底和軟體排合二為一，既可以提高圍堤地基承載力，又方便U形模袋的安裝和定位。（3）U形模袋內(nèi)采用加強(qiáng)筋對拉，既可控制袋壁在土壓力作用下向外擴(kuò)張寬度，同時形成加筋土，以提高吹填土料的強(qiáng)度，增加吹填堤的穩(wěn)定性。土工織物張弛有度，在吹填料的作用下，能按不同的高度向兩側(cè)擴(kuò)張，形成較優(yōu)的梯形斷面，可作為永久大堤的堤芯，通過護(hù)坡、堤頂護(hù)砌可以很方便形成永久大堤。（4）U形模袋芯堤具有斷面可大可小、自身穩(wěn)定性好、對淤泥地基變形適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡單等特點，減少了施工難度和強(qiáng)度，有效地縮短了工期，節(jié)約工程投資。

［1］唐金忠，肖志喬，任華春.一種新型吹填模袋［P］.中國，發(fā)揮著重要作用，另一方面對觀測數(shù)據(jù)以及工程檔案的管理、存儲等方面也起著不容忽視的地位［5］。它的有效應(yīng)用使得大壩所有觀測資料管理處于全面辦公自動化模式中。

4.6 系統(tǒng)管理及處理分析工作

根據(jù)實際工作的需要，硬石嶺水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)可以分為以下幾類：一是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；二是監(jiān)測數(shù)據(jù)管理信息子系統(tǒng)；三是安全監(jiān)測分析評價子系統(tǒng)；四是分析評價成果發(fā)布子系統(tǒng)。通過這幾類子系統(tǒng)對所采集的信息進(jìn)行系統(tǒng)全面的管理與整合，從而對大壩的安全性進(jìn)行綜合分析。

5 結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)硬石嶺水庫的具體情況，對水庫除險加固工程安全監(jiān)測所需要的具體內(nèi)容和要求進(jìn)行了詳細(xì)分析，合理確定了安全監(jiān)測點。水庫除險加固工程安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)建成以后，具有先進(jìn)的安全監(jiān)測技術(shù)，安全檢測的準(zhǔn)確值高，可以便捷的進(jìn)行維護(hù)和管理，達(dá)到了現(xiàn)代化管理的基本要求，并且還具有一定的擴(kuò)展性，可以方便以后的進(jìn)一步改進(jìn)。

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：1672-2469（2015）09-0053-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.018

唐金忠（1956年—），男，高級工程師。