土工布袋圍堰安裝過(guò)程及沉降分析

于懷遠(yuǎn)，陳浩然，孔慶華，李崢

（北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

1 引言

海岸防侵蝕措施一直在不斷更新發(fā)展，土工布袋越來(lái)越多地應(yīng)用在圍墾灘涂、防止河水侵蝕的相關(guān)工程中，并且在河口河岸位置的工程中居多。其中，土工布袋圍堰主要是在河岸邊用填滿土的布袋形成圍堰。本文討論了土工布袋圍堰工程中土工布袋的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程，記錄了土工布袋的沉降以及形變。

2 土工布袋設(shè)計(jì)

2.1 土工布袋設(shè)計(jì)方法

根據(jù)以往的研究，關(guān)于土工布袋臨時(shí)圍堰的設(shè)計(jì)規(guī)范或參考資料有不確定的情況，并且關(guān)于泥質(zhì)沿海土工布袋臨時(shí)圍堰形變與位移的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析的文獻(xiàn)不足?，F(xiàn)有的研究大多采用數(shù)學(xué)模型模擬和理論數(shù)值分析的方法，重點(diǎn)關(guān)注土工布袋的內(nèi)部穩(wěn)定性，而未考慮水動(dòng)力和可變形基礎(chǔ)對(duì)土工布袋的影響，但這兩者都是影響土工布袋外部穩(wěn)定性的主要因素。

以往其他研究是將土工布袋的設(shè)計(jì)通過(guò)橢圓積分估算為管狀土工布袋（見(jiàn)圖1）。根據(jù)周長(zhǎng)、壓力方向、與基礎(chǔ)的接觸的長(zhǎng)度以及土工布袋填充后的高度和寬度，采用微分方程計(jì)算基于設(shè)計(jì)高度和靜水壓力的結(jié)構(gòu)形狀[1，2]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，一些研究人員模擬了土工布袋在不同條件下的狀態(tài)，例如，采用有限元法模擬了堆疊土工布袋的固結(jié)過(guò)程，對(duì)填充幾種不同密度材料的土工布袋進(jìn)行了有限元分析。其報(bào)告中生成了不飽和無(wú)紡織土工布袋設(shè)計(jì)的有限元分析結(jié)果，利用有限元模型分析模擬了用于沙灘保護(hù)的土工布袋的最佳形狀。

圖1 常規(guī)研究下所模擬土工布袋在剛性地面上的形狀

雖然，上述方法提供了土工布袋的應(yīng)用方法與措施，但這些方法大多未考慮水動(dòng)力，其主要原因是這些土工布袋沒(méi)有被用作臨時(shí)圍堰。除此之外，土工布袋底部基礎(chǔ)通常被建模為剛體，這并不滿足可變形的泥質(zhì)基礎(chǔ)的特征。而實(shí)際土工布袋會(huì)在柔性地面上產(chǎn)生微小的形變（見(jiàn)圖2）。

圖2 土工布袋在柔性地面上產(chǎn)生的形變

2.2 土工布袋設(shè)計(jì)需考慮的因素

在許多對(duì)于土工布袋狀模型的數(shù)值研究中，為了簡(jiǎn)化模型，忽略了土工布袋基礎(chǔ)的柔性特征。而在真實(shí)環(huán)境下，大多數(shù)沿河或沿海土壤成分并不均勻，而且其承載力較低。在軟弱地基上進(jìn)行河岸防護(hù)結(jié)構(gòu)施工會(huì)導(dǎo)致過(guò)度沉降，以及上部圍堰結(jié)構(gòu)破壞。因此，如果直接假設(shè)土工布袋下為剛性基礎(chǔ)，會(huì)誤判土工布袋圍堰施工完成以后的完整性和使用性能。這就說(shuō)明在設(shè)計(jì)階段所需數(shù)值模型中，需要采用實(shí)地測(cè)量的地基參數(shù)。此外，土工布袋被放置在河流沿岸，并受到高強(qiáng)度的波浪沖擊。施加在土工布袋上的水動(dòng)力可以通過(guò)以下方程計(jì)算[3]：

式中，F(xiàn)hp為水動(dòng)力，kPa；β 為與土工布袋高度、波浪高度和原始水平面標(biāo)高有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；γw為河水的重度，kN/m3；H為土工布袋的高度，m。

對(duì)于土工布袋填充設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高度以及填充后需要增加結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)寬度，需要同時(shí)考慮。因?yàn)槌涮畎俜直容^低會(huì)導(dǎo)致袋內(nèi)的砂遷移，使土工布袋變形。低填充率也可能產(chǎn)生土工織物的機(jī)械磨損，這是由于波浪產(chǎn)生的載荷對(duì)袋內(nèi)的材料進(jìn)行推動(dòng)，這將減少土工布袋的壽命。同時(shí)較高的填充百分比也減少了因波浪產(chǎn)生的荷載導(dǎo)致的土工布袋內(nèi)部砂粒頻繁移位。因此，一般認(rèn)為根據(jù)橫截面積計(jì)算的填充率為80%時(shí)，是土工布袋可填充的實(shí)際最大值。

3 孟加拉海事大學(xué)圍堰項(xiàng)目案例分析

3.1 項(xiàng)目背景

擬建場(chǎng)地地貌形態(tài)為河漫灘沼澤，場(chǎng)地四周已經(jīng)用土堤將其與河水隔開(kāi)，場(chǎng)地初期整體地勢(shì)較平整，些許低洼處有積水，植被以雜草為主，間有灌木，河流水系豐富。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究如何通過(guò)土工布袋臨時(shí)圍堰減少河流的沖擊，保護(hù)河岸。為了加固土地，設(shè)計(jì)人員在河岸附近設(shè)計(jì)的臨時(shí)圍堰由設(shè)計(jì)標(biāo)高為3 m 的土工布袋以及上部回填沙層組成。選用的土工布袋材料由為400 g/m2的機(jī)制土工布和200 g/m2的無(wú)紡?fù)凉げ紡?fù)合而成。土工布袋經(jīng)緯向強(qiáng)度均約為40 kN/m2。每個(gè)土工布袋長(zhǎng)20 m，橫截面周長(zhǎng)4 m，其厚度為1.67 mm。土工布袋內(nèi)填充附近河底采集的疏浚砂，在進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)后取得顆粒度報(bào)告中顯示99%的疏浚砂為細(xì)沙，主要為0.23 mm 的細(xì)沙，占總體的73.37%，剩余1%為粉沙。

3.2 土工布袋安裝流程

用于沿海和河流應(yīng)用的土工布袋通常用砂泵進(jìn)行液壓填充。從土工布袋的一端插入泵送導(dǎo)管進(jìn)行填充。在填充之前將土工布袋放置在預(yù)定設(shè)計(jì)位置。首先，土工布袋兩端的填充口一端用于泵入砂水混合物，另一端用于泄壓和排水。而中間的填充口被暫時(shí)關(guān)閉。填充完成后，將端口套筒縫合，并附著在土工布袋上，以防止沙子流失和套筒被波浪移動(dòng)。具體流程如下：

通過(guò)GPS 放坡腳線，竹竿標(biāo)記→挖掘淤泥并填補(bǔ)少量沙土、平整土工布袋的接觸面→粗壯樹(shù)干固定土工布袋防止位移→鋪設(shè)土工布袋，引導(dǎo)柱固定布袋邊緣→水泵、運(yùn)沙船就位→柔性管連接吹沙專用水泵→水泵連接船艙→將沙水按合適比例且一般為7∶3，準(zhǔn)備將沙水混合泵送→柔性管連接土工布袋內(nèi)→開(kāi)泵控制進(jìn)給量→工人踩踏均勻充填布袋使其均勻填充→切換灌裝位置→等待水排干后，對(duì)空隙進(jìn)行補(bǔ)填→填滿后縫合土工布袋填充管。

3.3 測(cè)量記錄

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量在試點(diǎn)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)對(duì)土工布袋臨時(shí)圍堰的位移和變形以及泥質(zhì)地基的沉降進(jìn)行測(cè)量。第一次測(cè)量是在土工布袋臨時(shí)圍堰填充完成后立即進(jìn)行的，并在整個(gè)研究過(guò)程中作為基準(zhǔn)。第二次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量在土工布袋施工后一周進(jìn)行，隨后的測(cè)量每2 個(gè)月進(jìn)行一次，持續(xù)一年。為了在現(xiàn)場(chǎng)便于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)反光條，這些標(biāo)記的坐標(biāo)由附近設(shè)置的原始基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)出，保證了測(cè)量記錄的準(zhǔn)確性。監(jiān)測(cè)過(guò)程利用全站測(cè)量設(shè)備和無(wú)人機(jī)航拍觀察在河水低潮期間測(cè)土工布袋的位移、變形和地基的沉降。反射膠帶目標(biāo)附著在土工布袋表面作為測(cè)量標(biāo)記。共12 個(gè)標(biāo)記附著在4 個(gè)土工布袋上，每個(gè)土工布袋由3 組放置在結(jié)構(gòu)兩端和中間的標(biāo)記組成。每組標(biāo)記由3 個(gè)標(biāo)記組成，分別在結(jié)構(gòu)的頂部、中間和底部，如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)土工布袋標(biāo)高及位移測(cè)量方法

3.4 觀測(cè)結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量填充后的土工布袋實(shí)際高度約為0.8 m，寬為1.25 m。測(cè)土土工布袋的高度由測(cè)土工布袋上頂部和底部標(biāo)記之間的平均距離得出?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示，土工布袋施工一周后，土工布袋高度平均降低了0.07 m。觀測(cè)到土工布袋高度的降低主要是由于填充材料的自密實(shí)導(dǎo)致土工布袋的形狀變得扁平。這也是因?yàn)樗x用滲透性良好的疏浚沙作為填充土工布袋的材料，可以允許水快速?gòu)耐凉げ即辛鞒觯瑫r(shí)保留袋內(nèi)的沉積下來(lái)的沙子[4]。因此，早期土工布袋高度的降低主要是由于沉積物間的間隙變小。隨后的測(cè)量表明，土工布袋高度減少不再顯著，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄，1 年內(nèi)土工布袋的高度共減少0.075 m。觀測(cè)底部反光條標(biāo)高變化的過(guò)程是記錄水動(dòng)力引起的淤泥為主體的柔性基礎(chǔ)沉降。土工布袋施工一周后，平均基礎(chǔ)沉降量為0.009 m。而最終獲得的測(cè)量結(jié)果表明，平均總地基沉降量為0.030 m。1 年后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步的地基沉降，因此，對(duì)于基礎(chǔ)沉降的影響在初期相對(duì)較小。

土工布袋頂部標(biāo)記物的最終海拔較初始海拔平均降低0.114 m。其早期土工布整體結(jié)構(gòu)高度的降低占整體結(jié)構(gòu)的66%，土工布袋高度的變化主要是由于水從土工布袋流出后，填料變成餅狀后導(dǎo)致的。結(jié)構(gòu)高度的進(jìn)一步降低（約34%）主要是由于對(duì)土工布袋防波堤的長(zhǎng)期水動(dòng)力影響造成的基礎(chǔ)沉降。除了垂直變形外，還測(cè)量了橫向位移。施工后一周測(cè)量顯示土工布袋水平位移為0.02 m。土工布袋的初始水平位移主要是由于填料形成餅狀時(shí)土工布袋的水平膨脹，并引起土工布袋形狀的變化。土工布袋防波堤的橫向位移不顯著，表明土工布袋對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)具有足夠的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)土工布袋臨時(shí)圍堰在作為泥灘護(hù)岸過(guò)程中的變形和沉降進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)值分析，在結(jié)構(gòu)變形和基礎(chǔ)沉降方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論：

1）在安裝土工布袋前，要深入了解沉降條件，防止由于過(guò)度位移和基礎(chǔ)沉降而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

2）在初步研究和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，可以對(duì)土工布袋的方向、布置或設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。泥質(zhì)海岸的淤泥、細(xì)沙比例較高與沙灘相比，不具有較高的基質(zhì)強(qiáng)度。因此，泥濘海岸的海岸防御結(jié)構(gòu)在一定時(shí)間后可能會(huì)經(jīng)歷不同的沉降。