上海市生態(tài)護岸建設(shè)中生態(tài)袋關(guān)鍵材料參數(shù)試驗研究

張琳琳

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

近年來，上海市河道建設(shè)深入貫徹黨對生態(tài)文明建設(shè)的要求，在各類河道整治工程中應(yīng)用的生態(tài)護岸型式多種多樣，取得了較好的生態(tài)效果。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，生態(tài)袋材料已經(jīng)在上海市生態(tài)護岸建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

生態(tài)袋是指由聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP）為原材料加工成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子。生態(tài)袋護坡是指利用生態(tài)袋建造的柔性生態(tài)護坡，生態(tài)袋內(nèi)填充基質(zhì)材料，可為植物提供扎根場所，較傳統(tǒng)的硬質(zhì)護坡更為環(huán)保、經(jīng)濟及生態(tài)。為了保證生態(tài)袋護坡的質(zhì)量和生態(tài)效果，應(yīng)對生態(tài)袋的單位面積質(zhì)量、橫/縱向拉伸強度、橫/ 縱向伸長率、橫/ 縱向梯形撕裂強度、CBR 頂破強度、垂直滲透系數(shù)、等效孔徑O90、橫/ 縱向強度保持率等關(guān)鍵材料參數(shù)進行嚴格的篩選。2013 年，上海市水務(wù)局印發(fā)的《上海市河道生態(tài)治理設(shè)計指南（試行）》針對生態(tài)袋的上述部分關(guān)鍵材料參數(shù)提出了具體要求，如表1 所列。

表1 《指南》中對生態(tài)袋材料參數(shù)的要求一覽表[2]

然而，表1 存在材料參數(shù)指標不全、要求不明確等問題，給實際應(yīng)用帶來了困難。現(xiàn)針對該問題，通過材料試驗的方法，開展上海市生態(tài)護岸建設(shè)中生態(tài)袋關(guān)鍵材料參數(shù)的研究工作。

1 生態(tài)袋材料試驗簡述

通過市場調(diào)研，從已在上海市護岸工程建設(shè)中應(yīng)用過的生態(tài)袋供應(yīng)商處采購樣品（詳見表2），通過單位面積質(zhì)量測定、等效孔徑試驗（干篩法）、垂直滲透試驗、握持拉伸試驗、梯形撕破試驗、圓柱（CBR）頂破試驗、熒光紫外燈老化試驗等獲得生態(tài)袋樣品的關(guān)鍵材料參數(shù)。上述試驗方法詳見《土工合成材料測試規(guī)程》（SL 235—2012）[3]。具體檢測項目、對應(yīng)方法等見表3 所例，材料試驗委托上海勘測設(shè)計研究院有限公司土工合成材料檢測中心開展。圖1 為生態(tài)袋材料試驗現(xiàn)場之實景。

圖1 生態(tài)袋材料試驗現(xiàn)場之實景

表2 生態(tài)袋采購樣品表

表3 生態(tài)袋關(guān)鍵材料參數(shù)檢測表

2 生態(tài)袋材料試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 材料試驗數(shù)據(jù)成果

通過上述材料試驗，共獲得75 組關(guān)鍵材料參數(shù)（除橫/ 縱向強度保持率數(shù)據(jù)外），以及40 組橫/ 縱向強度保持率參數(shù)，限于篇幅表4 僅列出其中10 組材料參數(shù)。

表4 生態(tài)袋關(guān)鍵材料參數(shù)試驗部分數(shù)據(jù)一覽表

2.2 生態(tài)袋材料試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析

首先，按照常規(guī)土工合成材料檢測試驗的要求，通過計算得到關(guān)鍵材料參數(shù)的統(tǒng)計學(xué)意義上的算術(shù)平均值、標準差和變異系數(shù)，計算公式見式（1）～ 式（3），計算結(jié)果見表5 所列。

表5 生態(tài)袋材料性能試驗數(shù)據(jù)一覽表

算術(shù)平均值：

標準差：

式中：n 為試樣數(shù)量；xi為第i 試樣的測試值；為n塊試樣測試值的算術(shù)平均值（簡稱平均值）；σ 為標準差；CV為變異系數(shù)。

從表5 所列數(shù)據(jù)可以看出：在目前尚未建立統(tǒng)一生態(tài)袋生產(chǎn)技術(shù)標準的前提下，生態(tài)袋的關(guān)鍵材料參數(shù)生產(chǎn)標準呈現(xiàn)出局部上的有序性和總體上的不穩(wěn)定性，亟需具有統(tǒng)一標準的規(guī)范。

其次，通過利用數(shù)據(jù)分析軟件Origin 進行繪圖，再根據(jù)數(shù)值分布情況選取適合的概率統(tǒng)計模型進行擬合。經(jīng)分析，各項材料參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布模型，故選取Gauss 正態(tài)分布函數(shù)數(shù)值模型進行非線性曲線擬合。Gauss 數(shù)值模型見式（4），曲線及參數(shù)意義見圖2 所示。

圖2 Ga us s 正態(tài)分布函數(shù)曲線模型及參數(shù)意義曲線圖

（1）單位面積質(zhì)量試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：163.7 g·m-2），圖3 為單位面積質(zhì)量試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖3 單位面積質(zhì)量試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：g/m2）

（2）縱向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：13.2 kN/m），圖4 為縱向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖4 縱向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN/m）

（3）橫向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：14.2 kN/m），圖5 為橫向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖5 橫向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖(單位：kN/m)

（4）縱向伸長率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：43.9 %），圖6 為縱向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖6 縱向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

（5）橫向伸長率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：64.1 %），圖7 為橫向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖7 橫向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

（6）縱向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：0.38 kN），圖8 為縱向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖8 縱向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN）

（7）橫向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：0.34 kN），圖9 為橫向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖9 橫向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN）

（8）CBR 頂破強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：2.21 kN），圖10 為CBR 頂破強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖10 CBR 頂破強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN）

（9）垂直滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：0.46 cm/s），圖11 為垂直滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖11 垂直滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：cm/s）

（10）等效孔徑O90試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95%保證率閾值：0.2 mm），圖12 為等效孔徑O90試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖12 等效孔徑O90 試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：mm）

（11）縱向強度保持率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95 %保證率閾值：98 %），圖13 為縱向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖13 縱向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

（12）橫向強度保持率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結(jié)果（95 %保證率閾值：98 %），圖14 為橫向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖14 橫向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

2.3 生態(tài)袋材料推薦參數(shù)

依據(jù)上述概率統(tǒng)計分析結(jié)果，可以得到目前應(yīng)用于上海市生態(tài)護岸建設(shè)中生態(tài)袋材料的各關(guān)鍵材料參數(shù)的概率密度函數(shù)及95 %保證率的閾值。現(xiàn)結(jié)合《上海市河道生態(tài)治理設(shè)計指南（試行）》推薦標準，特提出如下生態(tài)袋材料關(guān)鍵參數(shù)指標推薦值（見表6）。

表6 上海市生態(tài)護岸建設(shè)中生態(tài)袋材料關(guān)鍵參數(shù)指標推薦值一覽表

3 結(jié)論

從已在上海市護岸工程建設(shè)中應(yīng)用過的生態(tài)袋供應(yīng)商處采購試驗樣品，委托上海勘測設(shè)計研究院有限公司土工合成材料檢測中心開展了材料試驗，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)。然后應(yīng)用概率統(tǒng)計學(xué)原理，以Gauss 分布函數(shù)數(shù)值模型為基礎(chǔ)，通過origin 數(shù)據(jù)擬合軟件對生態(tài)袋材料的性能檢測數(shù)據(jù)進行擬合，得出了各關(guān)鍵材料參數(shù)滿足95%保證率的指標閾值，然后結(jié)合《上海市河道生態(tài)治理設(shè)計指南（試行）》提出了生態(tài)袋關(guān)鍵材料參數(shù)的指標推薦值。其成果可為上海市生態(tài)袋護坡的設(shè)計、施工、質(zhì)檢提供技術(shù)支撐。此研究成果亦可為國內(nèi)生態(tài)袋產(chǎn)品指標提供參考。