三維復合排水墊在航道護岸工程中的應用研究

劉 旺 喜

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

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三維復合排水墊在航道護岸工程中的應用研究

劉 旺 喜

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

針對不良地質條件下傳統砂石反濾結構反濾性能不足的問題，提出采用三維復合排水墊的新型排水反濾結構，并通過室內實驗測定了其排水性、反濾性和耐久性等參數。結合長江中游湖廣-羅湖洲河段航道整治工程應用實踐，分析了三維復合排水墊的效果及應用條件和特點，可為同類工程提供經驗借鑒。

航道工程；三維復合排水墊；航道整治；護岸工程

0 引 言

長江作為我國第一大河流，是全國內河航運最重要的水運主通道，水運條件十分優越。長江水道是連接我國東、中、西部地區的重要紐帶，是長江沿江經濟持續、快速發展的重要支撐，更是推動長江經濟帶發展的重要依托。“十二五”期間，提出要將長江航道建成暢通、高效、平安、綠色現代化內河水運體系。為實現這一目標，長江干線多個河段開展了航道建設工程。

長江中下游河段一直是長江航道重點整治對象。因河床、河岸組成物質抗沖性能較差，河道沖淤演變頻繁，導致河勢易發生改變，航道難以穩定。在這些河段的航道整治工程中，常用護岸來保護河岸或者洲灘，而護岸建筑物的結構型式和材料的選擇是航道整治工程設計的重要環節。對于護岸工程，滲流是導致岸坡損壞的重要因素之一，岸坡的滲透破壞是從滲流出口開始，向岸坡內部發展，最后形成滲流破壞而導致失事。因此保護滲流出口不遭到滲流破壞，是保證滲流穩定的主要途徑[1]。J．L．Sheard[2]提出：“當前防止土石壩滲透破壞的首道防線應是反濾層”。這是因為反濾層能充分發揮“濾土”和“排水”作用。“濾土”能夠防止顆粒流失，保障被保護土層不發生管涌、流土等有害的滲透變形，同時能夠阻止被保護土顆粒進入反濾層，引起濾層淤塞；“排水”是能夠使進入反濾層的滲透水排走，滲透水壓力全部或大部分消失，從而達到滲透穩定的目的。太沙基等[3]于1922年提出著名的用反濾層防止土體滲透破壞的理論和濾層原則，該理論的出現為設計反濾層提供了具體方法。20世紀七八十年代及以后，許多學者針對太沙基準則不宜用于寬級配土料的限制，通過實驗研究提出了一些新的濾層準則。郭慶國等[4]詳細介紹了被保護土的分析方法及濾層準則的研究及應用等，并就砂石濾層的材料質量、填筑寬度、壓實要求、防止分離、污染及施工方法等問題進行了探討[5]。程琨等[6]根據反濾層“濾土”和“排水”功能，對反濾層的構造、設計方法等方面做了較為系統的探討。曾亞東等[7]在淮河航道治理中探討了單層聚丙烯編織布加筋而成的土工布在細沙航道整治中作為鉸鏈排排墊反濾與抗沖作用。

在長江中下游河道治理的岸坡反濾大多采用傳統砂石反濾層結構型式，即以黃砂和碎石為主進行反濾排水的結構，在一定程度起到排水反濾作用。但是，當出水點偏高，浸潤線抬高過多時，若發展嚴重，超出安全滲流限度，即可能導致土體發生滲透變形，使得岸坡出現流土、陷坑或漏洞，甚至出現滑坡或崩岸等險情。長江中游碾子灣水道水上護坡工程竣工十年后，滲流嚴重部位多處出現鼓包或塌陷現象(圖1)，大大增加了后期維護成本。付貴海[8]提出用無砂混凝土作反濾層的想法。無砂混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一種多孔混凝土，它不含細骨料，由粗骨料表面包覆薄層水泥漿相互黏結而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結構。陳志強等[9]對混凝土劈離砌塊在內河航道護岸工程中作為復合護面結構取代傳統材料方面進行了相關的試驗和應用研究。楊耀升[10]則提出用土工織物或土工復合材料代替或部分代替傳統砂石料進行反濾和排水。

圖1 護坡滲流、鼓包現象Fig.1 Seepage, bulging phenomenon of the slope protection

盡管對于地質條件較差的河段護岸工程的反濾和排水結構研究較多，但是在實際工程中，現有理論及方法仍然存在不少的問題，從而導致護岸工程失敗。在新的形勢下，由于長江中下游大量航道建設工程正在開展，積極探索新結構、新材料、新工藝是打造“暢通、高效、平安、綠色的現代化內河水運體系”中需要解決的問題。筆者針對不良地質條件下傳統排水反濾措施中的不足，提出將三維復合排水墊用于航道護岸工程，通過室內實驗測定了其性能參數，并將其應用于長江中游湖廣-羅湖洲河段航道整治工程實踐，取得了良好的效果。

1 三維復合排水墊簡介

土工合成材料的不斷發展，為工程問題的解決提供了更多的選擇。利用土工合成材料獨有的性能，并與實際工程情況相結合，用以改進傳統方案中的某些不足，已成為當前工程領域的一種趨勢。基于這種思路，通過總結分析長江中下游護岸工程的實際情況，并研究對比各種可能適用的土工合成材料，最終決定在不良地質條件下的岸坡采用馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發有限公司開發生產的三維復合排水墊替代傳統砂石排水反濾層。

三維復合排水墊是一種三維排水結構，其由經過特殊加工擠壓形成“W”型或“M”型三維聚丙烯網墊作為縱向全斷面排水通道，再與兩層針刺并經熱處理的無紡土工布通過熱黏合而成的整體(圖2)。該結構具有較好的分離、排水、過濾以及加固等功能，其材料組成、尺寸參數及主要的性能指標見表1，其中：反濾層原材料為抗紫外線穩定的聚丙烯，結構為針刺并經過熱處理的無紡土工布；排水芯材原材料為含炭素的、抗紫外線穩定的聚丙烯，結構為經特殊擠壓作用形成“W”或“M”形排水結構。盡管施工工藝或細部構造與航道工程中有所區別，但其在建筑工程、道路工程、隧道管涵工程、垃圾填埋場等領域已有較為廣泛的應用。

圖2 三維復合排水墊Fig.2 Three-dimensional composite drainage mat

主要指標參考標準數值公差/%三維復合排水墊厚度/mmENISO9863-17.0+10單位重量/(g·m-2)ENISO9864660+10縱向拉伸強度/(kN·m-1)ENISO10319≥13—反濾層單位面積質量/(g·m-2)ENISO9864105+15厚度/mmENISO9863-10.75+20等效孔徑/μmENISO12956100+26垂直滲透流量/(m-2·s)ENISO11058110-30CBR頂破強力/kNENISO122361.3+20

2 三維復合排水墊的性能測試分析

三維復合排水墊已在部分工程中開展了嘗試性應用，對其部分特性、參數已有初步了解，但是其在大型航道工程中的應用尚屬首次。為正確使用三維復合排水墊，以確保長江航道護岸工程反濾排水結構的有效運行，結合長江中游湖廣-羅湖洲河段航道整治工程西河鋪護岸的水文地質條件，對其各方面的特性進行全面的測試。

2.1 排水性能

三維復合排水墊由內部排水芯板和外側無紡土工布組成。其中，排水芯板主要用于集水、排水，同時還需滿足耐壓等要求。為了對比碎石排水層和三維復合排水墊的排水性能，針對兩者的特點設計了排水性能的對比試驗。試驗方案布置如圖3，保持注水量條件一致，一側設置碎石排水層，另一側設置三維復合排水墊，在其底部設置排水孔測量相同時間下的排水量。

圖3 兩種結構的排水率對比試驗方案設計Fig.3 The scheme design of the contrast test for the drainage rate with two structures

結果表明，7 mm厚三維復合排水墊與120 mm厚砂層組成的反濾層的排水速度遠大于傳統的150 mm厚碎石與120 mm厚砂層和無紡布組成的反濾層。

為了研究芯板所受法向荷載對導水率的影響，通過專門的導水率測試儀器——臥式通水能力測試儀詳細測量了三維復合排水墊施加不同荷載時相應的導水率。

試驗結果表明，法向荷載不同，其縱向導水率也不同。這是因為芯板在承受壓力時，其過水通道將縮小，從而影響排水性能。優良的排水芯板應在承受較大法向荷載時仍能保證較高的縱向導水率。試驗結果也表明，三維復合排水墊即使在承受較大法向荷載的情況下仍具有很好的排水性能。

2.2 反濾性能

無紡土工布主要起反濾作用，即防止被保護土體流失從而引起滲透變形。首先，土工布要能有效防止土壤的流失，則其有效孔徑不宜過大；其次，土工布需要保證滲透水的通暢排除；最后，土工布還不能被細土顆粒淤堵失效。據此，反濾層需滿足以下條件：①保土性：O95≤nd85；②透水性：Kg≥AKs；③防淤堵性：GR≤ 3。

為達到上述要求，結合工程實踐區域的水文地質條件，反濾層所采用的土工布的主要技術參數為：①等效孔徑：100±26 μm；②垂直滲透系數：2 mm/s；③單位克重：105±15 g/m2。

通過室內試驗測試，三維復合排水墊采用的無紡布能夠滿足以上要求，具體測試結果見表2，測試結果與廠家性能指標基本匹配。

表2 三維復合排水墊主要性能參數測定結果統計

2.3 耐久性

耐久性主要是指對紫外線輻射、溫度變化、化學與生物腐蝕、干濕變化、凍融變化等外界因素的抗御能力，主要取決于產品所采用的原料和使用的環境。三維復合排水墊的原料主要為聚丙烯和各種添加劑，聚丙烯本身抗紫外線輻射能力較差，但通過改變材料的配方，添加抗老化劑，可大大增加其耐久性。同時，三維復合排水墊一般埋在地下，可大大降低紫外線、氣溫變化等的影響。因此，配方良好的三維復合排水墊在通常的使用環境下具有較好的耐久性。筆者所采用的三維復合排水墊采用含炭素的、抗紫外線穩定的聚丙烯材料，完全滿足工程使用要求。

對于三維復合排水墊，除上述材料特性外，其單位面積質量、抗拉強度和CBD頂破強度等參數對于工程實踐均有重要指導作用，對這些參數也進行了詳細的測量，結果均統計于表2。綜合來看，三維復合排水墊具有良好的排水反濾性能，其各項物理化學指標亦能夠滿足工程實際要求。

3 工程應用效果分析

3.1 工程應用情況

為檢驗三維復合排水墊的排水反濾性能，選擇長江中游湖廣-羅湖洲河段西河鋪護岸部分存在不良地質條件的岸段進行應用。

長江中游湖廣—羅湖洲河段位于武漢下游約48 km，工程河段上起白滸鎮、下至三江口，全長約29 km，包括湖廣、羅湖洲兩個水道。為了穩定河勢，達到并維持航道標準4.5 m×200 m×1 050 m(水深×航寬×彎曲半徑)，需實施相應的航道整治工程。其中包括采用護岸工程對左岸西河鋪1 858 m長的岸線進行守護。西河鋪護岸工程岸坡主要由軟塑狀粉質粘土構成，該土層承載力120 KPa，滿足要求。但該土層抗剪強度很低，凝聚力15 KPa，內摩擦角僅9°，岸坡守護工程存在邊坡穩定性問題。且該土層滲透系數小，排水固結慢，很難利用自然固結提高其強度。在岸坡結構設計時需布設排水措施，加速粉質黏土排水，提高其強度，增強岸坡穩定性。

鑒于工程中岸坡含水量大，對于滲水處理要求較高，因此采用三維復合排水墊進行排水反濾，其上則采用生態型鋼絲網格結構進行防護。工程方案典型斷面和細部結構如圖4和圖5。

圖4 西河鋪護岸工程典型斷面Fig.4 The typical cross section of Xihepu revetment engineering

圖5 西河鋪護岸工程斷面細部結構Fig.5 The detail structure for the cross-secion of Xihepu revetment engineering

3.2 應用效果分析

西河鋪護岸工程已于2013年施工完成，工程完工的近2年內，多次對工程的穩定性、排水反濾效果進行檢驗。結果表明：三維復合排水墊具有較好的排水反濾性能。在退水期，表層地下水能很快通過三維復合排水墊外滲排出坡面，避免以往因水壓力過大造成岸坡“鼓包”等現象的發生，收到了預期的效果。

綜合來看，三維復合排水墊具有較好的排水反濾性，施工便捷，適宜作為不良地質條件下的岸坡反濾結構。相比傳統的結構，其優勢主要體現如下。

3.2.1 優良的排水反濾抗淤性能

1)過濾性：兩邊由非織造布復合的內芯材料，提供了極好的分離砂層和垂直過濾功能，可以防止砂土流失。

2)排水性：水平加固交叉網結構在不同方向上形成了6～20 mm高的排水通道。當其中某一點受到意外損壞時，相互獨立的網結構能防止情況惡化，保證排水通道暢通無阻。

3)抗淤積：中間的聚丙烯排水材料結構提供了各個方向上的排水性能，如有一定的坡度，它能有效地排除土壤的水分，無紡土工布的保護則提供了極強的抗淤積能力。

3.2.2 具有較好的工程力學性能

此種復合排水材料具有較好的拉伸和壓縮性能，以保證排水板不被土體壓力壓壞，是一種理想的加固及支撐材料；三維復合排水墊本身具有一定抗壓強度和抗剪強度，并允許一定的厚度變形，可以起到坡體找平層和應力擴散層的作用。

3.2.3 施工便捷

三維復合排水墊質輕，無需機械輔助，僅人工即可施工；相鄰之間通過簡單搭接即可保證施工的連續性；無需高級技工及特殊的施工工具，通常情況下，普通切割器具、釘子和錘子配合即可完成施工。

3.2.4 耐久性好

具有極好的化學穩定性、耐久性、防腐能力以及抗風化能力。

4 結 語

通過試驗測定了三維復合排水墊的排水性能、反濾性能及耐久性等多項參數，表明其具有良好的排水反濾效果。雖然三維復合排水墊代替砂石墊層在航道整治護岸工程的運用尚屬首次，但從實際運用情況看，其排水反濾效果良好，為長江航道整治護岸工程不利水文地質條件下的岸坡防滲排水處理提供了寶貴經驗，具有十分重要的指導意義。

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Application Research on Three-Dimensional Composite Drainage Matin Waterway Revetment Project

Liu Wangxi

(Changjiang Waterway Bureau, Wuhan 430010, Hubei, China)

Considering the poor anti-filtration performance of the traditional sand filter under the bad geological conditions, a three-dimensional composite drainage mat was proposed and applied as a new drainage filtration structure, and its parameters including drainage, anti-filtration and durability were tested by indoor experiments. The effect, application condition and characteristics of the three-dimensional composite drainage mat were discussed based on its application in Huguang-Luohuzhou waterway regulation project in the middle reach of the Yangtze River, which provided experience and references for similar engineering projects.

channel engineering; three-dimensional composite drainage mat; Waterway regulation; Revetment engineering

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.15

2014-05-23；

2015-08-05

劉旺喜(1965—)，男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事航道整治技術及航道建設管理方面的研究。E-mail: 353456012@qq.com。

U614；TV145.1

A

1674-0696(2015)05-075-04