一種新型吹填模袋技術

唐金忠

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海200061）

一種新型吹填模袋技術

唐金忠

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海200061）

圍海造地由淺灘向深水發展，現在的圍堤技術難以滿足深水灘涂開發，為此，本文提出一種筑堤的新方法、新工藝——U形模袋技術。此技術結構簡單，上部開口大，吹填施工方便，能適用于多種吹填料，與傳統的充填管袋組成的圍堤相比，經濟、快捷，適用于各種圍堤和施工圍堰。文章通過對圍堤結構分析和研究，為該技術在灘涂開發工程中的應用提供了參考。

深水圍堤；模袋；創新技術

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，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展。但是現有的充泥管袋筑堤的方式，在袋體鋪設、充填泥漿濃度、充填方式方法、袋體防護措施等方面都有嚴格的要求，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形模袋創新技術［1］，該技術是自主研發、具有獨立知識產權的新型水工結構，特別適用于深水圍堤吹填。本文還通過對芯堤結構分析和研究，為深水灘涂開發工程提供科學依據和基礎。

1 U形模袋創新設計

U形模袋創新技術主要是針對現有圍堤技術的不足，對現有技術進行改進和發展?，F有圍堤的主導技術為充泥管袋，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制樁，設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，依靠兩排樁支撐構成一個上部開口的U形模袋，如圖1所示。袋內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，護坡、護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形模袋構成示意圖

圖2

1.2 U形模袋構件組成及作用

1.2.1樁

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

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

1.2.2袋底和砂肋

袋底和砂肋均由土工布組成，砂肋內充填砂料，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，還作為圍堤基礎的反滲層。袋底增設加筋帶，以增加袋底強度。

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保持堤身底部連續完整，約束淺層軟土的側向變形，均化應力分布。因此，可以提高地基承載力和堤身穩定、減小沉降。

1.2.3袋壁

袋壁由土工布制作，內側與袋底相應設置加筋帶；其設計指標根據吹填砂土料確定，一般由土工布強度和延伸率指標控制［2］。例如，在吹填砂料時，袋壁土工布延伸率指標＜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合布（380g/m2），以防止袋裝砂堤身未實施護面時在波浪作用下可能發生的漏砂現象。

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，其作用是加強模袋強度；對拉加筋帶在U形模袋內垂直和水平方向上，按一定間隔和高度設置；水平設置為對拉加筋帶，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，增強堤防的穩定性。

1.2.5吹填料

敞口的模袋方便吹填施工，在砂源緊張區域，吹填料可以直接采用疏浚泥摻插吹填，實現“變廢為寶”。吹填袋能適用于任何吹填料，也可采用傳統的砂料吹填，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。

2 結構分析和計算

結構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計要求，圍堤的穩定應按規范要求計算。通過結構分析和計算，論證U形模袋創新技術的可行性，為今后工程中應用提供技術基礎。

2.1 芯堤穩定計算

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，相當于臨時水工建筑物，可簡化計算；當堤高不大于5.0m時，一般僅需進行地基承載力驗算。當設計的堤身荷載（P=γ h）小于P允許時，認為滿足穩定要求。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度，kP a；當袋底有軟體排時，Cu值可按提高20%～40%計算；K為安全系數，取K= 1.05～1.10。

2.1.2抗滑穩定計算

U形模袋吹填的芯堤需要進行抗滑穩定計算時，其邊坡抗滑穩定計算可采用瑞典圓弧滑動法，抗滑穩定安全系數不應小于1.05～1.10。芯堤的堤頂若有堆載和交通荷載時，應將這兩種荷載按有關規范換算成堤身荷載。

由于吹填砂土料—土工織物—地基的相互作用問題非常復雜，其機理也未完全搞清，整體穩定可采用荷蘭法設計［4］。因此在穩定分析中當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度，k N/m；R為滑弧半徑，m；n為土工織物層數。

2.2 芯堤受力分析

U形模袋是一種樁—土工織物的組合體，是一種復雜的柔性體空間結構，采用簡化的方法進行計算，即可滿足工程設計需要。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形模袋技術首先是袋內吹填形成芯堤，然后按設計要求對芯堤進行護腳、護坡和堤頂護砌，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計要求，即抗滑穩定、構件強度和變形等都要滿足設計［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。垂直段的袋壁應該滿足抗拉強度和變形。

兩樁之間的土工布，在土壓力的作用下將形成一個大圓?。ㄍ炼担?，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，其內力即為張拉力：

式中：T為內張拉力，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，土工布的內拉力等于圓弧半徑與土壓強之積。若計算某點的內拉力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，通過變形試算才能確定。U形模袋設計主要是驗算土工布的伸長率和強度，應滿足設計要求。可以用下式計算：

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 關于芯堤合龍

一般情況下傳統的圍堤都是采用龍口合龍，而U形膜袋芯堤施工時，則應避免出現龍口，芯堤吹填應盡可能均衡上升。特別是芯堤施工高度達到水位變化區時，在漲、退潮時，不宜留下個別缺口；分層吹填，同一層應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形袋體內的水能盡快排出，以便袋內充填料盡量能在短時間內達到固結狀態。

3.3 土工織物的選用

土工織物選用抗拉強度高、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 結語

采用樁—土工織物組成U形模袋新型筑堤技術，是一種全新的設計理念。該創新技術有以下優點：（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形構筑物，便于安裝；其施工速度快、勞動強度低，施工不受潮位限制，不受吹填料限制。（2）通過袋底設置砂肋排或砂袋，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形模袋內采用加強筋對拉，既可控制袋壁在土壓力作用下向外擴張寬度，同時形成加筋土，以提高吹填土料的強度，增加吹填堤的穩定性。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擴張，形成較優的梯形斷面，可作為永久大堤的堤芯，通過護坡、堤頂護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、自身穩定性好、對淤泥地基變形適應性強、施工簡單等特點，減少了施工難度和強度，有效地縮短了工期，節約工程投資。

［1］唐金忠，肖志喬，任華春.一種新型吹填模袋［P］.中國，發揮著重要作用，另一方面對觀測數據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 系統管理及處理分析工作

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

5 結語

綜上所述，本文根據硬石嶺水庫的具體情況，對水庫除險加固工程安全監測所需要的具體內容和要求進行了詳細分析，合理確定了安全監測點。水庫除險加固工程安全自動化監測系統建成以后，具有先進的安全監測技術，安全檢測的準確值高，可以便捷的進行維護和管理，達到了現代化管理的基本要求，并且還具有一定的擴展性，可以方便以后的進一步改進。

參考文獻

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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。