波浪作用下土工織物充灌袋的漏砂機(jī)理分析及治理探討

摘要：對于土工織物充灌袋實際施工中大量漏砂情況都是伴隨著波浪作用下產(chǎn)生的。本文對波浪作用下土工織物充灌袋漏砂進(jìn)行了分析，并提出了防止土工織物充灌袋漏砂措施。

關(guān)鍵詞：波浪作用 土工織物充灌袋 砂土顆粒 漏砂

0 引言

將土工織物縫制成袋，袋內(nèi)充砂或砂性土，疊置成堤心，外筑防護(hù)層即成堤壩。國外與50年代后期開始使用此技術(shù)，我國自上世紀(jì)80年代采用大型編織布袋筑堤成功。充砂土工織物袋筑堤技術(shù)，在我國起步雖然較晚，但進(jìn)展很快。天津港已在天津港圍海造陸及防波堤工程中大范圍使用，為天津港節(jié)省了大量的投資。但是，在應(yīng)用土工織物充灌袋存在漏砂問題，應(yīng)引起設(shè)計、施工的高度重視。如黃驊港—期引堤橫堤，黃驊港翻車機(jī)房小區(qū)護(hù)岸等工程就發(fā)生漏砂，天津港南疆南外堤西段施工中也曾出現(xiàn)漏砂。對于土工織物充灌袋袋布的選擇一般主要考慮保土性、透水性和滿足抗拉強(qiáng)度這三個因素，很少考慮波浪對漏砂的影響，但是實際施工中大量漏砂情況都是伴隨著波浪作用下產(chǎn)生的。因此有必要討論波浪對漏砂問題的影響，從而為避免因波浪造成的漏砂尋求解決辦法。

1 設(shè)計規(guī)程對土工織物保土性和滲透性的要求

由于現(xiàn)行的土工織物充灌袋設(shè)計一般均按《水運(yùn)工程土工織物應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求進(jìn)行土工織物的設(shè)計，因此有必要對該規(guī)程的要求及其含義進(jìn)行簡單的介紹。保土性即不能使充填土大量流失，因此要求袋布的孔徑大小與土料的顆粒組成相匹配：透水性即要使袋內(nèi)的水盡快排出，使充填土在短時間內(nèi)達(dá)到一定的固結(jié)狀態(tài)；袋布抗拉強(qiáng)度即要抵抗袋內(nèi)充填土在其自重和上部荷載的作用下所產(chǎn)生的橫向力。保土性一般要求孔徑越小越好，而透水性一般要求孔徑越大越好，這似乎是一個矛盾體。因此在設(shè)計中我們應(yīng)該綜合平衡考慮這兩個問題。

《水運(yùn)工程土工織物應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：靜荷載、單向滲流條件下的保土性能應(yīng)符合下式要求：

(1)非粘性土O₉₅85

(2)粘性土O₉₅<0.21mm

滲透性應(yīng)符合下式要求：

O₉₅d₁₅或者K_g≥λ_pk_s

式中O₉₀，O₉₅為等效孔徑(mm)，在土工織物孔徑大小分布曲線上小于該孔徑的土顆粒有90％，95％；d₁₅，d₈₅如為土顆粒篩分曲線上小于該粒徑的土顆粒重量分別占總重的15％，85％，d為顆粒粒徑；k_g為土工織物滲透系數(shù)(cm/S)：k_s為土的滲透系數(shù)(cm/s)：λ_p為系數(shù)，對于粘土取10～100，對于砂性土取1～10。

規(guī)程中的保土性是保證土大部分顆粒不會流失，但是允許少部分細(xì)小顆粒穿過織物孔徑流走，使過濾層不致淤堵，保證排水暢通。為了確保水能暢通地流過土工織物，公式中透水性原則要求土工織物的滲透系數(shù)大于土的滲透系數(shù)。由于土工織物不可避免地要產(chǎn)生一定淤堵現(xiàn)象，導(dǎo)致滲透率降低，因而要求土工織物淤堵前的滲透系數(shù)為土的滲透系數(shù)的若干倍。

2 波浪作用下土工織物充灌袋漏砂的分析

雖然規(guī)程公式中考慮了滲透性和保水性，但給出的是靜載、單向滲流條件下的情況，而在港口工程中波浪卻是動荷載，這造成了織物受力后拉伸變形使孔徑增大，同時各孔徑疏密并不完全均勻，造成局部孔徑漏砂的可能性很大。因此有必要進(jìn)一步分析波浪條件下充灌袋漏砂問題的產(chǎn)生原因。

2.1波浪荷載是一種周期性的動荷載。土工織物充灌袋中的粉細(xì)砂在未完全固結(jié)的情況下在水中浸泡處于軟化狀態(tài)，而波浪這種周期性動荷載對軟化的粉細(xì)砂進(jìn)一步擾動，可使粉細(xì)砂處于懸浮狀態(tài)。這種懸浮狀態(tài)的粉細(xì)砂是可流動的，懸浮流動狀態(tài)是形成漏砂的必要條件，如果粉細(xì)砂不形成懸浮流動狀態(tài)而是固結(jié)狀態(tài)，也就無法造成砂土顆粒漏出充灌袋，所以說粉細(xì)砂顆粒處于懸浮狀態(tài)是造成漏砂的具體原因。

2.2波浪荷載是一種雙向荷載，當(dāng)波浪打向充灌袋時袋子受一種波壓力荷載，當(dāng)波浪反向作用時是一種波吸力荷載，這種荷載對充灌袋中的很小范圍產(chǎn)生懸浮狀態(tài)的粉細(xì)砂顆粒產(chǎn)生抽吸作用，可使砂土顆粒流走，這種反復(fù)抽吸作用使砂土顆粒流走范圍不斷擴(kuò)大，進(jìn)而產(chǎn)生懸浮的狀態(tài)不斷擴(kuò)大，砂土流失的也越來越多。抽吸產(chǎn)生的水平力也是使砂土袋位移的作用力，這種位移使砂土產(chǎn)生移動，這種移動對砂土來說是一種擾動，擾動加大了砂土形成懸浮狀態(tài)，進(jìn)而加大了砂土的流失。

2.3波浪作用力的不均衡性，遇到光滑平順的建筑物表面波浪可以爬得很高很遠(yuǎn)，當(dāng)建筑物表明不平順光滑時，波浪對突出部位將產(chǎn)生很大的作用力。砂土袋局部漏砂凹陷，將使其周圍的突起部位受到不均衡的力，所以漏砂也是砂袋撕裂的一個原因。

3 防止土工織物充灌袋漏砂措施的探討

從以上分析可以看出，波浪作用于土工織物充灌袋表面，若能將土顆粒從織物孔隙處淘出，必須具備兩個條件：①織物孔徑大干土的顆粒；②足夠大的波浪力作用相當(dāng)時間，二者缺一不可。波浪力實質(zhì)上反映波浪作用的能量，只有能量足夠大才能將顆粒逐漸地從織物孔中帶出。因此在設(shè)計及施工中除應(yīng)考慮到具體的波浪條件，還應(yīng)從以下幾個方面采取措施防止漏砂。

3.1要嚴(yán)格控制非粘性土O₉₅＜d₈₅及粘性土O₉₅＜0.21mm的匹配關(guān)系，適當(dāng)提高O值和考慮孔徑在外力作用下的增大作用是必需的。

3.2要適當(dāng)增大袋布的抗拉強(qiáng)度值，以免撕裂：應(yīng)適當(dāng)限制編織物的應(yīng)變值，使其受力后孔徑不能增大很多。要注意編織物孔徑和無紡物孔徑相同時漏砂的難易程度是不同的。編織物是由單層扁絲編織，阻止砂土顆粒外漏只有一層防線，極易漏出；而無紡織物有一定厚度，孔徑也可能彎彎曲曲，漏砂要經(jīng)過多道防線，阻止效果較好。另外編織物的孔眼不僅會因拉伸而增大，同時也會因局部受力而加大，這也是編織布容易漏砂的一個原因，因此對編織物的孔徑與砂土顆粒粒徑的匹配一定要嚴(yán)格要求。

3.3充灌袋一般為扁平長條狀，平面尺度很大，充灌率一般在80％左右，因此頂層袋體在波浪作用下易發(fā)生位移，所以要采取措施增大袋間抗滑力，防止袋子產(chǎn)生位移，若頂層寬度較小的充灌袋不能滿足抗滑要求時，可在兩層充灌袋間做成凹凸槽以增加其穩(wěn)定性，也可采用增大層間摩擦系數(shù)的袋布和袋間增加連接等措施斯拉夫。

3.4要及時防護(hù)，袋子裝砂后要及時做好防浪的防護(hù)措施，如迎浪面采用較高要求的材料，并在鋪袋后及時做其外部的護(hù)面防護(hù)等。

總之，要解決土工織物充灌袋的漏砂問題，不僅設(shè)計前要考慮砂土顆粒和土工織物之間的匹配關(guān)系，還要考慮波浪因素對漏砂的影響。在施工中要采取必要的防護(hù)措施，同時要及時了解充灌土的物理特性，對袋布指標(biāo)做出相應(yīng)調(diào)整。