航道整治工程袋裝砂斜坡堤新型砂袋研制與應(yīng)用

施軍，毛森敏

（1.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122；2.杭州申聯(lián)寶塑實(shí)業(yè)有限公司，浙江 杭州 311245）

0 引言

自20世紀(jì)70年代起，我國(guó)開(kāi)始引入大型充砂袋結(jié)構(gòu)，并率先在江蘇、浙江的河海堤壩工程中應(yīng)用。由于砂袋結(jié)構(gòu)對(duì)軟基適應(yīng)能力強(qiáng)、施工速度快且造價(jià)低，袋裝砂代替拋石構(gòu)筑堤心的做法得以在航道整治工程中推廣應(yīng)用。趙龍根等[1]研制了多層復(fù)合砂袋、袋裝砂堤心水下充灌及鋪設(shè)工藝，運(yùn)用GPS定位技術(shù)解決了平面控制和高程控制技術(shù)難題；樓啟為[2]開(kāi)發(fā)了袋裝砂斜坡堤堤心充灌及鋪設(shè)成型施工工藝，實(shí)現(xiàn)了袋裝砂水上作業(yè)、水下充灌、水下成型鋪設(shè)；張慶文等[3]通過(guò)優(yōu)化充灌砂袋縫制工藝、完善充灌袋裝砂鋪設(shè)流程，實(shí)現(xiàn)了充灌袋裝砂堤心施工工藝在深水施工中的應(yīng)用；周林等[4]研發(fā)了一整套機(jī)械化自動(dòng)化的大型水上土工砂袋裝填及定位下沉施工工藝，達(dá)到了安全生產(chǎn)與施工高效目的。王新強(qiáng)等[5]采用了布置臨時(shí)砂庫(kù)、精確加載與加快充填砂固結(jié)等措施，實(shí)現(xiàn)了大型充砂袋圍堤應(yīng)用于圍海造陸工程。

在以往的工程實(shí)踐中，水下充灌袋裝砂堤心普遍采用230~350 g/m2普通機(jī)織布作為袋體材料[6]。由于材料本身的強(qiáng)度限制，袋體充灌高度往往只有0.5~1.0 m，堤心需要多道砂袋層層疊疊方能成型，定位精度低，斷面尺寸偏大，且水下穩(wěn)定性差。隨著新技術(shù)、新工藝和新材料的發(fā)展與突破，土工織物材料、編織技術(shù)等也有了長(zhǎng)足發(fā)展，這使得袋裝砂斜坡堤新型砂袋的研制成為可能。

1 材料選擇

1.1 土工織物選用

單一機(jī)織布具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的排水能力，但保砂能力較弱，無(wú)紡布保砂能力強(qiáng)但材料強(qiáng)度低，斜坡堤砂袋的設(shè)計(jì)宜充分發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)。考慮到丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織布強(qiáng)度高、造價(jià)低、滲透強(qiáng)，選用510 g/m2丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織布與150 g/m2無(wú)紡布進(jìn)行復(fù)合砂袋制備。丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織布為高密度與高強(qiáng)度布料，布料寬365 cm，經(jīng)向布料密度為11.5根/cm，緯向布料密度為10根/cm，布料孔徑小于0.3 mm。其縱向、橫向抗拉強(qiáng)力均大于125 kN/m，布面強(qiáng)度高；布料的滲透系數(shù)為1.2 cm/s，透水性強(qiáng)。無(wú)紡布為常規(guī)制作，由定向的或隨機(jī)的纖維構(gòu)成。為提升機(jī)織布與無(wú)紡布協(xié)同工作的能力，制備時(shí)將無(wú)紡布縫制在袋體內(nèi)側(cè)。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

兩種布料通過(guò)機(jī)織布料經(jīng)線和緯線上下沉浮不規(guī)則交織，形成典型的多層亂紋組織。該組織包括上層組織、中層組織以及下層組織，3層結(jié)構(gòu)交錯(cuò)在一起。上層組織上表面設(shè)有抗腐蝕膜層，抗腐蝕膜層通過(guò)膠水涂覆在上層組織上，抗腐蝕膜層可以防止布料過(guò)早的腐爛，延長(zhǎng)布料的使用壽命，保證質(zhì)量；抗腐蝕膜層由基膜以及覆蓋在基膜上的保護(hù)膜組成；基膜和上層組織之間等間距設(shè)有沿基膜長(zhǎng)度方向設(shè)置的空腔，空腔內(nèi)設(shè)有加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋由纖維材料制成，其重量輕，不會(huì)過(guò)多增加布料的質(zhì)量；同時(shí)加強(qiáng)筋的設(shè)置增加了布料各個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力，如圖1所示。

圖1 多層亂紋組織Fig.1 Multi-layer disordered texture

1.3 編織方式

上層組織按照每4根經(jīng)線循環(huán)1次，每100梭緯線循環(huán)1次的方式相互交錯(cuò)；中層組織按照每6根經(jīng)線循環(huán)1次，每130梭緯線循環(huán)1次的方式相互交錯(cuò)；下層組織按照每8根經(jīng)線循環(huán)1次，每160梭緯線循環(huán)1次的方式相互交錯(cuò)。經(jīng)線、緯線的捻度均為55捻回?cái)?shù)/m、經(jīng)線和緯線均由7根2000D高強(qiáng)丙綸長(zhǎng)絲加捻制成，強(qiáng)度高，不易斷裂，使用壽命長(zhǎng)。采用該編織方式的材料強(qiáng)度高，透水性強(qiáng)，同時(shí)具有優(yōu)良保砂能力，相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 多層亂紋組織布料物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of multi-layer random texture fabric

2 砂袋設(shè)計(jì)與加工

2.1 加筋帶設(shè)計(jì)

砂袋尾部上下2層設(shè)若干個(gè)加筋帶進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，加筋帶寬70 mm，間距1 m，每個(gè)加筋帶均伸入砂袋體內(nèi)5 m，加筋環(huán)加密縫制以防止拉脫。通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)措施使砂袋抗變形能力增強(qiáng)、不易撕裂。

2.2 袖口設(shè)置

砂袋設(shè)有袖口，袖口的直徑為25 cm，長(zhǎng)度為50耀80 cm，同時(shí)袖口直徑可根據(jù)沖砂管直徑靈活調(diào)整。袖口間距在砂袋體寬度方向?yàn)?~6 m，在長(zhǎng)度方向?yàn)?~8 m，確保袋體充灌均勻性。袖口為雙層袖口，可滿足水下自動(dòng)封閉的要求。

2.3 拉環(huán)布設(shè)

砂袋兩側(cè)每隔4 m設(shè)有1個(gè)拉環(huán)，加筋帶上每隔1 m布設(shè)拉環(huán)，拉環(huán)的設(shè)置便于施工中調(diào)整鋪設(shè)位置，拉環(huán)的長(zhǎng)度為40 cm。

2.4 加工步驟

本次砂袋的加工工藝，與傳統(tǒng)作法有所區(qū)別，主要步驟如下：

1）單元片劃線

根據(jù)工程需要確定袋體尺寸，選取單幅土工布，進(jìn)行縱向、橫向的丈量與劃線，確定加筋帶和袖口的位置。

2）加筋帶和袖口縫制

將加筋帶和袖口縫制在土工布上，采用工業(yè)縫紉機(jī)進(jìn)行縫紉。每個(gè)工業(yè)縫紉機(jī)配套3個(gè)專業(yè)縫紉工。縫制方式根據(jù)拼接位置不同分為包縫和拼縫兩種，每一道縫制需要損耗25 cm的布邊；

3）砂袋拼接

拼接相鄰袋布，通過(guò)縫制形成砂袋。袋體頂部、側(cè)面、底部采用包縫，袋體底部的最后一道縫制采用拼縫，以承受最輕的強(qiáng)力要求，縫制時(shí)的縫制線采用2000D滌綸三股紗線；在條件允許的情況下，盡量采用包縫的縫制方式來(lái)保證強(qiáng)力的最大化，包縫可以達(dá)到縫制強(qiáng)力保持80%以上，拼縫可以保持強(qiáng)力60%以上。

4）檢驗(yàn)、打包與入庫(kù)

袋體加工完成后進(jìn)行觀察檢查，檢驗(yàn)合格后由人工打包，運(yùn)往成品倉(cāng)庫(kù)，并填寫(xiě)入庫(kù)單，寫(xiě)明規(guī)格、型號(hào)、加工日期、排號(hào)，立卷歸檔，并備好出庫(kù)單，供出庫(kù)用。

5）注意事項(xiàng)

砂袋呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度富裕系數(shù)按1.05控制；根據(jù)袖口的設(shè)計(jì)位置，采用丁縫法將袖口縫制在單元片體上；袖口應(yīng)為雙層袖口，可滿足水下自動(dòng)封閉的要求。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 袋體強(qiáng)度

排頭充填過(guò)程中，通常需充填一定數(shù)量的砂后才可下放并確保砂袋順直。采用10.2 m伊19.5 m伊1.5 m（長(zhǎng)伊寬伊高）的大型砂袋為例，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本次研發(fā)的砂袋可承受保證袋體順直的排頭充砂量，而采用230 g/m2機(jī)織布與300 g/m2無(wú)紡布制備的復(fù)合砂袋，由于袋體強(qiáng)度偏低，充砂量過(guò)多時(shí)加筋帶以及砂袋易撕裂，充砂量過(guò)少時(shí)則導(dǎo)致袋子入水后會(huì)飄移以及移船時(shí)被拖走。

3.2 袋體滲透性

采用同樣規(guī)格砂袋進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)可見(jiàn)，本次研發(fā)的砂袋內(nèi)部水可自行排出，不需要人工排水，對(duì)提升施工工效有利。而采用230 g/m2機(jī)織布與300 g/m2無(wú)紡布的砂袋滲透性較差，充填袋體頭部時(shí)均需要進(jìn)行1 h左右的人工排水，不利于趕潮施工以及搶工期。

3.3 袋體保砂性

斜坡堤心構(gòu)筑以及日后運(yùn)維中，砂袋保砂能力對(duì)于結(jié)構(gòu)安全有重大影響，故采取兩種試驗(yàn)復(fù)核其在不同狀態(tài)下的保砂率。

1）充砂試驗(yàn)

充填一個(gè)3.9 m伊1.9 m伊1.0 m（長(zhǎng)伊寬伊高）的砂袋體，2019年5月8—26日，隔2 d定期檢測(cè)袋體尺寸變化，進(jìn)而評(píng)估其保砂能力。試驗(yàn)結(jié)果反映出，充填完成后袋體的尺寸基本無(wú)變化，袋體形態(tài)保持良好，表明了新研發(fā)的砂袋在普通環(huán)境下具有較好的保砂能力。

2）入水試驗(yàn)

采用510 g/m2丙綸長(zhǎng)絲織布與150 g/m2無(wú)紡布復(fù)合制作1個(gè)小袋體，裝砂放置于船邊入水，定期撈起稱重，檢查水流作用下砂袋的保砂率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 入水試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Water entry test results

由圖2可見(jiàn)，袋體質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，袋體的保砂率良好，表明了新型材料砂袋在水流作用下仍具有良好保砂性能。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程整治建筑物工程[7]，總長(zhǎng)約16 km，軟體排采用砂袋護(hù)底聯(lián)體[8]。其中6+100—14+975區(qū)段共8 875 m為袋裝砂斜坡堤，堤心采用袋裝砂結(jié)構(gòu)。袋裝砂斜坡堤灘面標(biāo)高-1.7耀-6.8 m，堤頂高程+1.5耀+2.0 m。兩側(cè)邊坡1頤1.5，采用扭王字塊體護(hù)面，堤身兩側(cè)設(shè)拋石護(hù)腳棱體。袋裝砂堤心和護(hù)面之間設(shè)10耀100 kg拋石和100耀200 kg墊層石。

4.2 應(yīng)用效果

施工后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)深儀檢測(cè)，新制備的砂袋充填高度可達(dá)到2 m以上，充填高度是普通砂袋的2耀3倍。通常情況下，航道整治工程由于受平潮時(shí)間影響，1個(gè)潮水往往僅能鋪設(shè)1個(gè)袋體，若采用普通袋體需堆疊6層，需6個(gè)潮水，而采用新型砂袋僅需堆疊2層，2個(gè)潮水便能完成施工，極大地提高了施工效率，對(duì)確保施工如期完成起到了關(guān)鍵的作用。施工工效提升示意見(jiàn)圖3。

圖3 袋裝砂堤心結(jié)構(gòu)施工工效提升示意Fig.3 Schematic diagram of improved construction efficiency of sand bag dike core structure

由于項(xiàng)目場(chǎng)地位于長(zhǎng)江口生態(tài)敏感區(qū)，新型砂袋的成功應(yīng)用縮短了施工周期，減少了對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的干擾，取得了良好的環(huán)境效益。同時(shí)該砂袋的應(yīng)用降低了施工難度，減少了材料浪費(fèi)，節(jié)約了工程造價(jià)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用新型砂袋后，直接節(jié)約人工8 160工日，節(jié)省砂袋布料12 800 m2，節(jié)約船機(jī)臺(tái)班時(shí)間約17個(gè)月，減少了充灌砂8 600 m3，節(jié)省工期約30 d，綜合折算后節(jié)省工程造價(jià)約1 272萬(wàn)余元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。綜上，新型砂袋的研制與應(yīng)用取得了成功，屬航道整治工程領(lǐng)域的綠色生態(tài)施工工藝，具有實(shí)用價(jià)值與推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了新型砂袋的開(kāi)發(fā)，并運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后通過(guò)長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程表明了其適用性與優(yōu)越性，主要結(jié)論包括：

1）采用510 g/m2丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織布與150 g/m2無(wú)紡布進(jìn)行復(fù)合砂袋的制備，通過(guò)多層亂紋組織及獨(dú)特的編織方式，可充分發(fā)揮2種布料的優(yōu)點(diǎn)與工作特性。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，2種布料復(fù)合制備而成的新型砂袋強(qiáng)度高、排水快且保砂能力強(qiáng)，具有比傳統(tǒng)砂袋更優(yōu)的工作性能。

3）通過(guò)工程應(yīng)用可見(jiàn)，新型砂袋充填高度是傳統(tǒng)砂袋的2~3倍，實(shí)現(xiàn)了袋體充灌高度達(dá)2 m以上的突破，提高了施工效率，具有較好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

4）新型砂袋的研制取得了成功，是航道整治工程領(lǐng)域的一種綠色生態(tài)施工工藝，具有實(shí)用價(jià)值與推廣應(yīng)用前景。