基于土工袋的河岸防護(hù)應(yīng)用研究

徐解剛，杭天飛，厲 凱，張 聞，王 盼

(1.宜興市湖鎮(zhèn)水利站，江蘇 宜興 214200；2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 引言

河岸侵蝕是世界范圍內(nèi)面臨的主要自然災(zāi)害之一[1]。強(qiáng)大的河流侵蝕著河堤坡腳的細(xì)沙，使斜坡變得更陡。當(dāng)河流的坡度突然減小，大量沉積物沉積，導(dǎo)致河流橫向發(fā)展。隨著汛期開始，河流的輸沙量增加，水深開始發(fā)生變化，河床上的沉積物以砂壩和島嶼的形式出現(xiàn)，嚴(yán)重的河岸侵蝕，導(dǎo)致每年大量肥沃土地流失[2]。

傳統(tǒng)的河岸侵蝕防護(hù)措施都過(guò)于昂貴。修建護(hù)岸的成本從每千米600萬(wàn)元到1000萬(wàn)元不等[3]。加之一些地方修筑混凝土所用的骨料在本地短缺、沒(méi)有適合拋石的巖石、沒(méi)有用于施工的重型船用設(shè)備、更深的地方需要防護(hù)等問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)的護(hù)岸工程在一些地域難以實(shí)施。隨著土工織物材料在建筑行業(yè)的日益普及，土工織物袋、土工織物管因其低廉的價(jià)格和容易獲取的原材料在河岸保護(hù)工程廣泛應(yīng)用。使用放置在土工織物過(guò)濾層上的土工織物袋進(jìn)行護(hù)岸，修建適當(dāng)?shù)暮拥勒喂こ蘙4]，如填充有土工織物袋的鋼石籠以規(guī)則的間隔放置，增強(qiáng)沖刷保護(hù)措施的穩(wěn)定性[5]。本文對(duì)正在進(jìn)行的洑西河土工袋保護(hù)周圍灌溉用地和農(nóng)村項(xiàng)目進(jìn)行描述，闡述該工程土工袋防護(hù)的應(yīng)用過(guò)程、護(hù)岸的關(guān)鍵要素及接下來(lái)的工作安排。

2 研究區(qū)概況

3 河岸侵蝕機(jī)理

被侵蝕河岸的水流基本上是南北向，在洪水季節(jié)與河岸線平行，但在旱季與河岸成一定角度。最低沖刷床面可能是在低流量期間產(chǎn)生的。岸線移動(dòng)是上游岸線侵蝕的結(jié)果，向項(xiàng)目旁邊的沙洲輸送了大量沉積物。在大洪水期間，河道中的流量很高，水以高達(dá)3 m/s的速度在緊鄰工程岸線的地方流動(dòng)，這就需要修建水下保護(hù)工程。受到侵蝕的岸坡平均坡度為1∶2。

4 土工袋防護(hù)的應(yīng)用過(guò)程

在2017年，作為一項(xiàng)緊急措施，沿河岸首次放置了土工袋。同時(shí)準(zhǔn)備了一個(gè)災(zāi)難應(yīng)急計(jì)劃，以防河水沖破防洪堤。就項(xiàng)目至今仍然完好無(wú)損而言，可以說(shuō)用土工袋進(jìn)行保護(hù)是成功的。然而無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是在其他地方，關(guān)于土工袋的某些基本假設(shè)都無(wú)法通過(guò)理論或經(jīng)驗(yàn)來(lái)證明，這是在理論可行性方面存在問(wèn)題。圖1給出了土工袋施工的概念圖。在接下來(lái)的計(jì)劃中對(duì)土工袋護(hù)岸進(jìn)行修改，這種改變稱為“適應(yīng)性方法”。適應(yīng)河流是必要的，因?yàn)榍治g是不確定的，河流即使是在短期內(nèi)也容易在以不可預(yù)測(cè)的方式改變。

圖1 土工袋施工概念圖

根據(jù)2017年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)土工袋的尺寸進(jìn)行了修改。當(dāng)裝滿干沙時(shí)，袋的質(zhì)量分別為11 kg、36 kg、78 kg和126 kg(圖2)。將所有不同尺寸的土工袋進(jìn)行混合，每種尺寸占總質(zhì)量的25%。填充砂的密度取為1500 kg/m3。

圖2 不同規(guī)格的土工袋

表1給出了不同規(guī)格土工袋的質(zhì)量和尺寸，為了抵抗水流，保證袋子的穩(wěn)定性，袋子越大越好。填充至80%容量(扁平形狀)的袋子能覆蓋其未填充區(qū)域的80%，而當(dāng)填充至100%(圓形形狀)時(shí)，其僅能覆蓋其未填充區(qū)域的75%。

表1 土工袋的質(zhì)量和尺寸

土工袋由聚丙烯或聚酯織物制成，這種織物是無(wú)紡和針刺的，不僅僅是熱粘合的。該紡織品的密度約為400 g/m2，拉伸強(qiáng)度超過(guò)20 kN/m。需要確保其在使用前保持其原始拉伸強(qiáng)度的70%。土工織物的孔隙率要求至少為80%。在觀察到某些使用過(guò)的土工織物產(chǎn)生材料散開的現(xiàn)象后，進(jìn)行磨損試驗(yàn)，以確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性(圖3)。并對(duì)土工袋材料、袋及其接縫的其他特性進(jìn)行測(cè)試。

圖3 袋子表面的磨損情況

5 土工袋護(hù)岸的關(guān)鍵要素

5.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

在土工袋護(hù)岸實(shí)施過(guò)程中，將土工袋推下水，使其在天然岸坡上形成一薄層。在護(hù)岸上，土工袋受到由流過(guò)其上的水引起的壓力和剪切力的作用，其自身重力是主要的穩(wěn)定力，用來(lái)抵抗水動(dòng)力將土工袋保持在適當(dāng)?shù)奈恢?前提是堤岸不要太陡)，否則容易被沖走。在薄薄的土工袋層下面，是由沙子、淤泥或粘土組成的天然坡腳。從巖土工程的角度來(lái)分析，坡腳河床沖刷是影響岸坡穩(wěn)定性的最重要因素。研究區(qū)的河床由細(xì)砂和極細(xì)砂組成，直徑為0.1 mm～0.3 mm，幾乎任何微小的水流都會(huì)擾動(dòng)這種物質(zhì)。

在水動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)估中，假設(shè)土工袋表層覆蓋的岸坡是穩(wěn)定的，并且土工袋不會(huì)在岸坡上滑動(dòng)，流體動(dòng)力傾向于將袋子向下游移動(dòng)；重力具有將袋子保持在適當(dāng)位置的分量和將袋子沿斜坡向下移動(dòng)的分量。在實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)比例為20∶1(原型對(duì)模型)的水力模型試驗(yàn)，研究土工袋的水動(dòng)力特性。模型土工袋由填充有細(xì)沙的可滲透布料構(gòu)成，放置在坡度為1∶1.5和1∶2的堤岸上。它們以表2所示的初始運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)。

表2 初始運(yùn)動(dòng)速度(原型值)

表2中的袋子質(zhì)量是填沙的干縮比原型值，“河岸”速度代表從斜坡初始坡腳起三分之一斜坡長(zhǎng)度處的縮比深度平均值。在模型中還確定了角狀巖石(22 kg)、圓形巖石(50 kg)和混凝土塊(65 kg)的初始運(yùn)動(dòng)速度。這三種巖石和126 kg沙袋的初始運(yùn)動(dòng)速度實(shí)際上是相同的。邊坡修正系數(shù)K1的關(guān)鍵參數(shù)見表3。

表3 邊坡的傾斜角與修正系數(shù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，在1∶2和1∶1.5坡度上，兩個(gè)最大模型土工袋的形狀系數(shù)應(yīng)采用平均值0.77。當(dāng)流速超過(guò)1.5 m/s左右時(shí)，沙子從袋內(nèi)溢出，從上游側(cè)移動(dòng)到下游側(cè)。

5.2 巖土工程研究

本節(jié)中討論的內(nèi)容包括河岸原生岸坡的運(yùn)動(dòng)以及土工袋在河岸原生岸坡界面上的運(yùn)動(dòng)。這包括沙袋在沙子上滑動(dòng)；袋子和沙子粘合在一起，導(dǎo)致混合物在下層沙子上滑動(dòng)。在安裝土工袋防護(hù)裝置之前，研究區(qū)河岸侵蝕的特點(diǎn)是水流侵蝕岸坡和河床的沙子，隨后是上層巖土破壞，從河岸頂部向下延伸至低水位。在鋪設(shè)土工織物過(guò)濾器和混凝土塊之前，將河岸的上坡修整至1∶2。填物堆由不同級(jí)別的土工袋組成。堆積物向河流方向的坡度設(shè)定為1∶1.25(大約與水平面成39°)，土工袋的靜止角是52°，但是通過(guò)堆積過(guò)程，土工袋可以穩(wěn)定在更陡的斜坡上。圖4給出了侵蝕區(qū)河岸剖面模擬結(jié)果。

圖4 侵蝕區(qū)河岸剖面模擬結(jié)果

進(jìn)行大量的巖土工程勘察，包括鉆孔和測(cè)井，以及估算土壤強(qiáng)度特性，結(jié)果表明邊坡總體穩(wěn)定。通常沒(méi)有考慮巖土工程因素，對(duì)于傾角陡于1∶2的邊坡，認(rèn)為自然斜坡的陡峭部分是“穩(wěn)定性的極限”。

上層為5 m～6 m厚的河漫灘土壤，由粘土和低塑性粘土-淤泥組成。粘土層從洪泛區(qū)向下延伸到低水位。在上部粘土層之下，堤岸由中等密實(shí)度的細(xì)粒和級(jí)配不良的砂組成。沙粒的比重取26.5 kN/m3。沙子主導(dǎo)整體穩(wěn)定性，如果它在粘土下面失穩(wěn)，會(huì)導(dǎo)致粘土坍塌。邊坡有三種破壞方式，分別是地質(zhì)破壞、沙子的流動(dòng)破壞以及疏浚引起的液化破壞。沖刷是引發(fā)邊坡破壞過(guò)程的一個(gè)重要因素。通過(guò)保護(hù)坡腳和較低岸坡，防止坡腳土壤應(yīng)力水平的快速變化，穩(wěn)定頂部岸線，防止斜坡出現(xiàn)此類破壞。

設(shè)想不同尺寸土工袋的防護(hù)方案，它們沿著低水位的河岸放置，當(dāng)受到侵蝕而下陷時(shí)，將這些土工袋推出，并以0.9 m厚的保護(hù)層覆蓋侵蝕區(qū)域。但實(shí)際并非如此，覆蓋面要么是單個(gè)袋子，要么是凹凸不平的裸露石塊，最小的袋子被沖走了。對(duì)于主要的防護(hù)目的，使用單一尺寸的土工袋是最有效的，因此將126 kg的土工袋應(yīng)用于該河未來(lái)的施工。

5.3 保護(hù)措施系統(tǒng)

開發(fā)一個(gè)多步驟的實(shí)施系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合對(duì)侵蝕威脅的快速響應(yīng)和對(duì)袋子的優(yōu)化使用，提供令人滿意的保護(hù)效果。

立即保護(hù)：對(duì)即將到來(lái)的河流侵蝕需要做出快速反應(yīng)。這是通過(guò)將河岸上堆積的土工袋迅速推下水來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖5)，這將形成厚的覆蓋層，大大降低了侵蝕率，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看并不穩(wěn)定，故將其定位為立即保護(hù)措施。

圖5 實(shí)施即時(shí)保護(hù)

一級(jí)保護(hù)：在立即保護(hù)放置的袋子上繼續(xù)放置三層袋子。在一級(jí)保護(hù)完成后，平均在斜坡上形成四層厚度。此外，將一個(gè)薄而寬的防墜護(hù)坦放置在這種保護(hù)的底部，用于防護(hù)程度更大的沖刷。

二級(jí)保護(hù)：河流在接下來(lái)的幾年對(duì)護(hù)岸造成破壞，導(dǎo)致其整體形態(tài)發(fā)生變化。沖刷可能會(huì)在坡腳處和護(hù)坦處達(dá)到更深的水平。第二級(jí)保護(hù)的目的是維護(hù)一級(jí)保護(hù)形成的護(hù)案層(圖6)，以達(dá)到更均勻的表面，計(jì)劃是在達(dá)到最深沖刷深度后放置2層袋子。

圖6 二級(jí)防護(hù)施工

維護(hù)：定期維護(hù)是保障護(hù)岸系統(tǒng)使用壽命期間的關(guān)鍵操作。維護(hù)預(yù)計(jì)將在實(shí)施后5年～10年內(nèi)開始。

6 結(jié)論

本文以洑西河油車水庫(kù)下游段正在進(jìn)行的土工袋保護(hù)周圍灌溉用地和農(nóng)村項(xiàng)目為例，介紹土工袋防護(hù)的應(yīng)用過(guò)程，并對(duì)所使用土工袋的規(guī)格及其性能進(jìn)行研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和巖土工程研究揭示土工袋護(hù)岸穩(wěn)定的關(guān)鍵要素，制定由立即保護(hù)、一級(jí)保護(hù)、二級(jí)保護(hù)和維護(hù)手段組成的護(hù)岸防護(hù)措施系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地阻止即將到來(lái)的河流侵蝕及防護(hù)更大程度的沖刷。該研究提供了一種切實(shí)可行的防止河岸侵蝕的手段，與傳統(tǒng)混凝土護(hù)岸相比，該方案充分利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的材料，節(jié)省了大量的人力和經(jīng)濟(jì)成本，該案例可為類似的工程提供借鑒和參考。