一種新型吹填模袋創(chuàng)新技術(shù)

唐金忠，朱博華

（1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200061；2.上海諾山工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海200333）

一種新型吹填模袋創(chuàng)新技術(shù)

唐金忠1，朱博華2

（1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200061；2.上海諾山工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海200333）

圍海造地正由淺灘向深水發(fā)展，現(xiàn)狀的圍堤技術(shù)已難以滿足深水灘涂開發(fā)，為此，提出一種U形模袋創(chuàng)新技術(shù)，一種筑堤的新方法、新工藝。U形模袋為樁—土工織物組成，樁為支撐骨架，模袋為土工布能透水保砂，袋體為柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)變形的適應(yīng)性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上部開口大，吹填施工方便，且能適用多種吹填料；與傳統(tǒng)的充填管袋組成的圍堤相比，經(jīng)濟(jì)、快捷，適用于各種圍堤和施工圍堰；通過圍堤結(jié)構(gòu)分析和研究，為U形模袋技術(shù)在灘涂開發(fā)工程中的應(yīng)用提供參考。

深水圍堤；模袋；創(chuàng)新技術(shù)；探索

海洋資源是我國(guó)最具潛力和價(jià)值的競(jìng)爭(zhēng)力資源，具有良好的發(fā)展前景，圍海造地是拓展城市空間的重要途徑之一。隨著近幾十年對(duì)灘涂大規(guī)模的開發(fā)，目前淺海灘地絕大部分已被圍墾利用，圍海造地正由淺灘向深水發(fā)展，但是現(xiàn)有的圍堤技術(shù)已難滿足這種開發(fā)要求。

充泥管袋筑堤是九十年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)、新工藝，該創(chuàng)造性的技術(shù)，為我國(guó)圍海造地、航道治理、抗洪搶險(xiǎn)、環(huán)境保護(hù)、垃圾處理等方面作出了卓越的貢獻(xiàn)。但是，這種技術(shù)在袋體鋪設(shè)、充填泥漿濃度、充填方式方法、袋體防護(hù)措施等方面都有嚴(yán)格的要求；在圍海造地中還需要搶低潮施工，尤其是深水施工難度很大，幾乎不可能，窘顯技術(shù)落后。

時(shí)代呼喚水利工程科技進(jìn)步，圍堤亟需新技術(shù)的誕生。本文提出一種U形模袋創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)是一種自主研發(fā)、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型水工結(jié)構(gòu)，特別適用于深水圍堤吹填；并通過芯堤結(jié)構(gòu)分析和研究，提出了具體的實(shí)施方法，為深水灘涂開發(fā)工程提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)。

1 U形模袋創(chuàng)新設(shè)計(jì)

U形模袋創(chuàng)新技術(shù)主要是針對(duì)現(xiàn)有圍堤技術(shù)的不足，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展；現(xiàn)有圍堤的主導(dǎo)技術(shù)為充泥管袋，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，繼而對(duì)芯堤裝修形成永久性的斜坡大堤。

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。該技術(shù)的主要構(gòu)成包括：沿堤線布置兩排平行且打入地基中的鋼筋混凝土預(yù)制樁；設(shè)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?jī)膳艠吨螛?gòu)成一個(gè)上部開口的U形模袋，對(duì)袋內(nèi)吹填砂土料后形成芯堤。

1.1 構(gòu)件組成和作用分析

深水圍堤吹填模袋創(chuàng)新技術(shù)，其目的是提供一種筑堤的新方法、新工藝，為實(shí)現(xiàn)此目的，采用樁—土工織物組成U形模袋，如圖1所示；袋內(nèi)吹填砂土料后形成吹填芯堤，如圖2所示；對(duì)芯堤裝修形成永久性的斜坡大堤，護(hù)坡、護(hù)腳和堤頂路面等有多種不同的做法，選擇其中一種斷面型式表達(dá)，如圖3所示。

為了更清楚地說明本創(chuàng)新技術(shù)方案，結(jié)合圖1～圖3所示，對(duì)U形模袋構(gòu)件組成及作用予以闡述。

（1）樁。樁是U形模袋的支架，且可以用于提高吹填堤的抗滑穩(wěn)定。樁間距由設(shè)計(jì)確定，取決于堤高（穩(wěn)定）、土工織物的抗拉強(qiáng)度等因素；一般圍堤越高，樁距越小；樁為鋼筋混凝土預(yù)制樁，樁長(zhǎng)和入土深度由控制水位、堤高、地質(zhì)條件等因素通過穩(wěn)定計(jì)算確定；在圍堤堤高較小時(shí)，也可采用木樁或竹樁。

圖1 U形模袋構(gòu)成示意圖

圖2 U形模袋芯堤橫剖面圖

圖3 U形模袋斜坡堤橫剖面圖

樁頂橫向間連接，根據(jù)需要可以設(shè)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(jié)構(gòu)，以增加吹填堤整體穩(wěn)定；縱向兩樁間設(shè)置拉索，用于掛起兩側(cè)袋壁形成U形模袋。芯堤完成后，按設(shè)計(jì)圍堤斷面，外海側(cè)堤腳處拋投棱體，棱體與芯堤之間拋投袋裝土；將護(hù)坡層以上的樁頂鑿除，再進(jìn)行堤坡和堤頂護(hù)砌。

（2）袋底和砂肋。袋底和砂肋均由土工布組成，砂肋內(nèi)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，其次還作為圍堤基礎(chǔ)的反滲層；袋底增設(shè)加筋帶，以增加袋底強(qiáng)度。砂肋可采用? 300的長(zhǎng)管狀砂肋袋，丁縫法縫制，如圖4所示；砂肋主要作用是方便U形模袋安裝、定位，同時(shí)作為圍堤基礎(chǔ)反滲層土工布（袋底）的壓載，能有效提高地基強(qiáng)度；砂肋的設(shè)置范圍在芯堤橫向兩樁之間。

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(xù)完整，約束淺層軟土的側(cè)向變形，均化應(yīng)力分布。因此，可以起到提高地基承載力和堤身穩(wěn)定、減小沉降。

圖4 U形模袋底砂肋示意圖

（3）袋壁。袋壁由土工布制作，內(nèi)側(cè)與袋底相應(yīng)設(shè)置加筋帶；袋壁土工布設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)吹填砂土料確定，一般由土工布強(qiáng)度和延伸率指標(biāo)控制。例如，在吹填砂料時(shí)，袋壁土工布延伸率指標(biāo)＜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380g/m2，丙綸無紡針刺復(fù)合布，以防止袋裝砂堤身未實(shí)施護(hù)面時(shí)在波浪作用下可能發(fā)生的漏砂現(xiàn)象。

（4）加筋帶。加筋帶有模袋加筋帶和對(duì)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，布置于U形袋體的外側(cè)，其作用是加強(qiáng)模袋強(qiáng)度；對(duì)拉加筋帶在U形模袋內(nèi)垂直和水平方向上，按一定間隔和高度設(shè)置；水平設(shè)置為對(duì)拉加筋帶，其作用是在土壓力的作用下對(duì)拉，限制U形模袋的擴(kuò)張寬度，同時(shí)，通過吹填的砂土與對(duì)拉加筋帶的摩擦作用，增強(qiáng)堤防的穩(wěn)定性。U形模袋與加筋帶可采用包縫法縫制拼接，拼接強(qiáng)度不小于原體強(qiáng)度的80%。

（5）套環(huán)。套環(huán)從樁頂套于樁上，用于U形模袋安裝，限制模袋移位。套環(huán)直徑稍大于樁徑，縫制于U形模袋的袋壁外側(cè)，垂直方向按一定的間距設(shè)置；沿堤線方向，模袋長(zhǎng)度大于樁距，即兩個(gè)套環(huán)間，模袋按堤寬要求預(yù)留橫豎兩個(gè)方向的長(zhǎng)度。

（6）模袋扣環(huán)。扣環(huán)縫制于U形模袋兩側(cè)袋壁的沿口，扣環(huán)掛于拉索上，用于吊起模袋兩側(cè)袋壁，形成U形袋。扣環(huán)可以采用加筋帶，縫制于U形模袋沿口并系于拉索上，也可采用能承受相應(yīng)重量的環(huán)狀商品配件。

（7）吹填料。敞口的模袋方便吹填施工，因此，在砂源緊張區(qū)域，吹填料可以直接采用疏浚泥摻插吹填，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”；也可采用傳統(tǒng)的砂料吹填，吹填袋能適用于任何吹填料；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(jié)。

1.2 創(chuàng)新技術(shù)與傳統(tǒng)圍堤技術(shù)比較

圍堤是灘涂開發(fā)工程中最關(guān)鍵技術(shù)，目前大多數(shù)是采用充泥管袋筑堤，形成圍堤有兩種方法，一是將土工織物縫制成袋，袋內(nèi)充砂，疊置成堤心，外筑防護(hù)層即成圍堤；二是充泥管袋作為兩側(cè)子堤，堤芯吹填砂。該技術(shù)具有造價(jià)低廉、取材方便、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于圍海造地工程和部分圍堰工程。但是，這種技術(shù)在袋體鋪設(shè)、充填泥漿濃度、充填的方式方法、袋體的防護(hù)措施等方面都有嚴(yán)格的要求；且需要搶低潮施工，尤其是深水施工難度很大，幾乎不可能。

創(chuàng)新技術(shù)的U形吹填模袋為柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)變形的適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；袋體上部開口大，吹填施工方便；與傳統(tǒng)的充填管袋組成的圍堤相比，經(jīng)濟(jì)、快捷，適用于各種圍堤和施工圍堰；目前，圍海造地正逐步向深水區(qū)發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)用于深水筑堤，更能體現(xiàn)其強(qiáng)大的優(yōu)越功能。

圍堤傳統(tǒng)技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)分項(xiàng)比較詳見表1。

表1 圍堤傳統(tǒng)技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)比較

2 結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算

結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算是論證創(chuàng)新技術(shù)的可行性，為今后在工程中應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算是針對(duì)芯堤而言，在形成圍堤的過程中，芯堤自身首先要滿足設(shè)計(jì)要求；圍堤的穩(wěn)定計(jì)算內(nèi)容和方法，可按照《海堤設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

2.1 芯堤穩(wěn)定計(jì)算

（1）地基承載力控制

對(duì)于軟土地基上U形模袋吹填而成的芯堤，相當(dāng)于臨時(shí)水工建筑物，可簡(jiǎn)化計(jì)算；當(dāng)?shù)谈卟淮笥?.0m時(shí)，一般僅需進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算。當(dāng)設(shè)計(jì)的堤身荷載（P=γ h）小于P允許時(shí)，認(rèn)為滿足穩(wěn)定要求。計(jì)算式如下：

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(qiáng)度，kP a；當(dāng)袋底有軟體排時(shí)，Cu值可按提高30%計(jì)算；K為安全系數(shù)，取用K= 1.05～1.10。

（2）抗滑穩(wěn)定計(jì)算

U形模袋吹填的芯堤需要進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，其邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算可采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.05～1.10。芯堤的堤頂若有堆載和交通荷載時(shí)，應(yīng)將這兩種荷載按有關(guān)規(guī)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(fù)雜，其機(jī)理也未完全搞清，整體穩(wěn)定可采用荷蘭法設(shè)計(jì)。荷蘭法假定發(fā)生破壞時(shí)土工織物發(fā)揮拉力的作用點(diǎn)及方向如圖5所示。因此在穩(wěn)定分析中當(dāng)滑弧通過土工織物時(shí)，只需在抗滑計(jì)算公式中的抗滑力矩部分增加一項(xiàng)ΔMr，即：

式中：ΔMr為由于土工織物作用而增加的單位寬度抗滑力矩，kN·m；T為單位寬度土工織物允許抗拉強(qiáng)度，；kN/m；R為滑弧半徑，m；n為土工織物層數(shù)。

圖5 土工織物抗滑計(jì)算示意圖

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(fù)雜的柔性體空間結(jié)構(gòu)，采用簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行計(jì)算，即可滿足工程設(shè)計(jì)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(shù)首先是袋內(nèi)吹填形成芯堤，然后按設(shè)計(jì)要求對(duì)芯堤進(jìn)行護(hù)腳、護(hù)坡和堤頂護(hù)砌，從而完成整個(gè)圍堤（海堤或圍堰）。在實(shí)施過程中，芯堤自身必須滿足設(shè)計(jì)要求，即抗滑穩(wěn)定、構(gòu)件強(qiáng)度和變形等都要滿足設(shè)計(jì)。

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(yīng)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(dòng)力，一般以抵抗滑動(dòng)力控制。垂直段的袋壁應(yīng)該滿足抗拉強(qiáng)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(gè)大圓弧（土兜），而在對(duì)拉加筋帶的作用下，使每個(gè)大圓弧上又形成局部小弧，為計(jì)算方便，忽略對(duì)拉筋帶的作用，按大圓弧計(jì)算土工布的拉力，如圖6所示；在驗(yàn)算土工布的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率時(shí)，可以忽略小圓弧和對(duì)拉力f，按大圓弧的變形方式計(jì)算土工布的內(nèi)拉力，顯然，這種簡(jiǎn)化是偏于安全。

圖6 袋壁受力計(jì)算示意圖

由以上分析可知，袋壁在袋體內(nèi)吹填砂土料后會(huì)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(nèi)力即為張拉力：

式中：T為內(nèi)張拉力，N/m m；R為圓弧半徑，m m；P為土壓力，kP a。

上式表明，土工布受土壓力形成圓弧狀，土工布的內(nèi)拉力等于圓弧半徑與土壓強(qiáng)之積。若計(jì)算某點(diǎn)的內(nèi)拉力T，土壓力P是已知的，因?yàn)镽的大小與土工布的伸長(zhǎng)率有關(guān)，通過變形試算才能確定。可以用下式計(jì)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(zhǎng)率，%；r為樁的半徑，m m。

U形模袋設(shè)計(jì)驗(yàn)算主要是驗(yàn)算土工布的伸長(zhǎng)率和強(qiáng)度，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)施方法和分析

3.1 實(shí)施方法

圍堤創(chuàng)新技術(shù)按以下方法實(shí)施，但在實(shí)施過程中，可以結(jié)合具體工程、場(chǎng)地環(huán)境和施工設(shè)備等因素予以調(diào)整。

（1）按照堤線布置和設(shè)計(jì)的樁距、樁型，采用船上打入預(yù)制樁、木樁或竹樁等。

（2）U形模袋可工廠制作，先做成卷，采用船裝運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。

（3）U形模袋安裝。安裝在專用船上進(jìn)行，整個(gè)模袋安裝是沿堤身軸線方向推進(jìn)；順著樁排定位，將U形模袋卷的袋口固定在樁頂?shù)膽宜魃希缓笱刂梯S線方向展開，邊充灌袋底的砂肋邊移船，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒以沉放整個(gè)U形袋，直至砂肋沉放到位，即形成U形模袋。

（4）由吹泥船上的泥漿泵將泥砂打入U(xiǎn)形模袋，也可采用其它機(jī)械設(shè)備拋投充填料，而這種方式更經(jīng)濟(jì)、快捷；在吹填過程中，兩側(cè)長(zhǎng)度和寬度都寬松的袋壁，在泥砂壓力的作用下向兩邊擴(kuò)張，至對(duì)拉筋發(fā)揮作用后，土工布包裹著泥砂土體，限制其擴(kuò)張；加強(qiáng)筋長(zhǎng)度控制著模袋擴(kuò)張的寬度，U形模袋充填砂土料后逐步形成梯形，上下層對(duì)拉筋不同長(zhǎng)度，控制芯堤的斷面坡度，可作為永久大堤的芯堤。

（5）對(duì)于圍堤內(nèi)吹填砂土形成陸域的工程，宜采用圍堤與吹填相結(jié)合。即U形模袋吹填堤構(gòu)筑一定高度后，即可進(jìn)行區(qū)內(nèi)吹填，與吹填堤同步；也可在U形模袋吹填形成大堤后，再進(jìn)行區(qū)內(nèi)吹填，但需做好區(qū)域內(nèi)的排水。

3.2 問題分析和要求

（1）關(guān)于芯堤合龍。一般情況下傳統(tǒng)的圍堤都是采用龍口合龍，而U形膜袋芯堤施工時(shí)，則應(yīng)避免出現(xiàn)龍口，芯堤吹填應(yīng)盡可能均衡上升。特別是芯堤施工高度達(dá)到水位變化區(qū)時(shí)，在漲、退潮時(shí)，不宜留下個(gè)別缺口；分層吹填，同一層應(yīng)在一次漲退潮期間完成，避免集中水流對(duì)芯堤的沖刷。

（2）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(nèi)的水能盡快排出，以便袋內(nèi)充填料盡量能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到固結(jié)狀態(tài)。

（3）土工織物應(yīng)選用抗拉強(qiáng)度高、延伸率低和摩擦性能好的材料。

（4）U形模袋沿堤軸線方向可分段實(shí)施，分段處U形模袋端頭同樣采用樁-土工布組成。

4 結(jié)語

（1）創(chuàng)新技術(shù)采用樁—土工織物組成U形模袋，一種全新的設(shè)計(jì)理念，一種新型筑堤技術(shù)。該創(chuàng)新技術(shù)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(wěn)定性。充分利用土工織物透水、抗拉性能，組成上部開口的U形構(gòu)筑物，便于安裝；以一個(gè)大型上部開口的U形袋統(tǒng)括了眾多小袋，節(jié)省投資，適用于深水施工；施工速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工不受潮位限制，不受吹填料限制。

（2）通過袋底設(shè)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(nèi)采用加強(qiáng)筋對(duì)拉，既可控制袋壁在土壓力作用下向外擴(kuò)張寬度，同時(shí)形成加筋土，以提高吹填土料的強(qiáng)度，增加吹填堤的穩(wěn)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(cè)擴(kuò)張，形成較優(yōu)的梯形斷面，可作為永久大堤的堤芯，通過護(hù)坡、堤頂護(hù)砌可以很方便形成永久大堤。

（4）U形模袋圍堤的斷面尺寸要比常規(guī)圍堰斷面小，對(duì)受場(chǎng)地限制的水利工程可創(chuàng)造更有利的空間，方便主體建筑施工。

（5）U形模袋芯堤具有斷面可大可小、自身穩(wěn)定性好、對(duì)淤泥地基變形適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，減少了施工難度和強(qiáng)度，有效地縮短了工期，節(jié)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(guó)，201320861251X，2014-06-25.

［2］GB50290-98.土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］SL435-2008.海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］唐金忠，盧永金.水工基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014（04）.

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1672-2469（2015）05-0050-06

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.017

唐金忠（1956年—），男，高級(jí)工程師。