充泥管袋導堤方案優化研究

沈保根

摘 要：綜合考慮巢湖口門區地貌特征等因素作用下可能對充泥土工管袋導堤結構穩定性產生的影響，開展管袋導堤結構斷面優化設計。采用現代設計理論，結合充填管袋導堤結構斷面的優化設計問題，總結歸納以往類似工程設計經驗，研究導堤的最優斷面形式，得到提高堤防整體穩定性并節約投資成本的設計方案。

關鍵詞：導堤堤型;結構優化;斷面形式;穩定性

中圖分類號：U655.4 文獻標識碼：A

0 引言

土工管袋是一種有一定材料強度的具有過濾結構的管狀土工袋，管袋尺寸可以根據設計需求調整，長度最大可達到200 m，材料具有強度高、過濾性能好、抗紫外線性能強等特點。土工管袋脫水分為充填、脫水、固結3個階段。通過管道泵送系統把淤泥充填到土工管袋中，必要時加入絮凝劑和固化劑促進固體顆粒固結，經脫水后超過99%的固體顆粒被存留在土工管袋中。

由于管袋堤壩建造工藝適合我國河口近海的工程條件，自上世紀80年代以來被廣泛采用，發展迅速。經國內外已有的工程實例證明，充泥管袋對底泥脫水具備速率快、經濟效益好、脫水能耗低、環境效益高、無需設備維護等優點[1-3]。

1 工程概況

巢湖流域位于長江下游左岸，處于安徽省中部，流域總面積13 486 km2，其中巢湖閘以上流域面積9 153 km2，主要支流有豐樂河、杭埠河、南淝河、派河、白石天河、柘皋河和兆河等呈放射狀注入巢湖。工程位于巢湖某入湖航道口門處，如圖1所示。工程區域距岸較近，工程鄰近地區經濟基礎較好，基礎設施完善，交通四通八達，水路和陸路運輸均較為方便。距安徽省合肥市南 70 km，合九鐵路、合安高速公路、合銅黃高速公路穿過縣境，為南北交通要道;合銅公路、巢廬公路以及四通八達的縣鄉村公路形成便捷的交通網絡;水路運輸通巢湖達長江。根據施工需要，岸上臨時基地需修建部分臨時道路，以連接各臨時生產設施、生活設施及臨時碼頭。

項目區地貌單元為沿江丘陵平原，地貌亞區為江北丘陵波狀平原，微地貌單元為湖積平原，地面標高在 7.20 m～9.00 m 之間，地勢平坦。防波堤工程位置處，巖性自下而上為中砂、細砂、稍密性粉土、可塑性粉質黏土、淤泥質粉質黏土、松散性粉土、軟塑性粉質黏土、淤泥。

2 研究現狀

在水利工程中，導流堤主要是用以調整和引導水流流向的整治建筑物。主要布置在河口攔門沙航道的一側或二側，用以集中與規順水流，增大水流輸沙能力，刷深航道，并能防止外海漂沙進入河口和航道。在平原河流用以調整洪水流向，將主流導向河道中部，沖刷航道，增大水深。形式按堤頂高程分，有高水堤、中水堤和淺水堤三種。

目前國內外比較成熟的建設方式是利用土石材料或混凝土材料來構筑導流堤，其構造出的導流堤效果好，穩定性強，但施工難度大，成本高，容易受到現場條件的制約。利用土工管袋技術來構筑導流堤施工難度相比較小，成本較低，但技術支撐材料較少，國內土工管袋應用實例大部分都是充砂筑堤，利用淤泥充填管袋筑堤的報道顯有聞見，這也是本次項目的設計重點和突破方向。

3 結構設計

充泥管袋堤心是整個攔沙堤的核心所在，根據工程建設條件，針對不同樁號范圍及堤底高程，擬設計不同參數的土工管袋填充高度，以某設計段為例，具體兩種設計參數如表1、表2所示，以確保能夠達到攔沙的目的。

由于管袋材質以及填充材料的不同，表1設計未按照規范[4]標準設計，表2設計要求按照規范要求設計。為保證上層管袋不受風浪的影響，擬設計單個袋體的重量均大于10 t，并且充填管袋垂直于堤軸線方向鋪設，上下袋體應錯縫排列，鋪設后的袋體滿足設計要求，單個袋體充填高度如上表所示。同時為保證管袋堆疊后的穩定性，管袋的擺放形式如圖2所示。

4 現場實驗

選取距河口 1 km 處的空曠區域開展現場實驗，為實驗所需用水及淤泥充填提供便利。實驗內容包括準備堆場、布設土工管袋、疏浚充填、脫水干化等環節，流程如圖3所示，以期為工程實施提供基礎數據和技術資料。

實驗段所選管袋主要尺寸（長寬高）為2.8 m×1.6 m×

0.6 m 和 3.2 m×1.6 m×1 m 兩種類型。通過實驗現場觀察發現，尺寸為 2.8 m×1.6 m×0.6 m 扁平型管袋從充填效果、充填后的管袋穩定性均要優于尺寸為 3.2 m×1.6 m×1 m 的長方型管袋，即設計方案2管袋設計高度較優。

5 穩定性分析

5.1 整體穩定性

管袋堤壩的穩定性問題包括地基的整體穩定性及各層管袋間的滑動穩定性。對于地基的整體穩定性驗算，許多文獻和規范推薦采用傳統的圓弧滑動法，但因管袋堤壩是由充填管袋疊置而成的棱體，其本身剛度較大，整體性較強，因此，可以考慮滑弧不通過壩體，這樣滑弧半徑加大，滑弧面也轉向深處，因而也就增強了地基的整體穩定性。通過管袋結構斷面離心模型試驗研究表明，充填管袋堤身斷面輪廓完整，邊坡無明顯變化，為了探討結構可能的破壞形式，將離心加速度提高到80g，并將模型向迎水面傾斜，相當于將垂直荷載擴大約1.6倍，水平荷載增大為垂直荷載的10%，在這種情況下，只是出現了地基下沉加劇，管袋下凹曲率增大，而斷面輪廓仍然完整，管袋間無相對滑移，說明該結構尚有足夠的安全儲備，滑弧不通過管袋壩體的假設是合理的。

5.2 充填袋層間抗滑穩定

考慮到水面以下的袋體受力情況，分析豎向受力，只需要確定豎向力最小的最不利情況，即頂層袋體的抗滑穩定性。頂層管袋受力圖如圖4所示。

考慮管袋在波浪作用下的受力情況，根據靜力平衡理論，設上下層土工管袋之間直接滑動的安全系數為，可用下式進行計算確定。

（1）

式中：—充填袋層間抗滑穩定安全系數，—計算層以上總垂直荷載（kN/m2），—充填袋袋間摩擦系數，實驗確定為0.7，—計算層以上袋體受到的總水平荷載（kN/m2）。

計算得值為2.25，結果顯示管袋間抗滑穩定的安全余量較大，滿足穩定性要求。

6 小結

充泥管袋筑堤方案可以均勻分散地基的集中受力，適應軟弱土層的不均勻沉降，施工工藝簡單可靠。經造價成本分析，處理1 m3干方淤泥所需費用為300元左右，相比較于傳統拋石筑堤或充砂管袋筑堤可節約成本20%以上，經濟效益顯著。同時，利用淤泥充填管袋脫水筑堤技術還可以解決巢湖清淤產生的淤泥消納困難、占用農業及建設用地、污染環境等問題，具有較大的社會效益和推廣應用價值。

參考文獻：

[1]單文華，徐春峰.集鎮區疏浚工程土工管袋淤泥固化技術的應用[J].人民黃河，2020（S1）：11-13.

[2]黃佳音，楊旺旺，王利桃，等.基于白洋淀底泥土工管袋脫水工藝試驗研究[J].人民黃河，2019（S2）：97-98+119.

[3]查道平，黃萬凌，孫淼焱，等.生態環保土工管袋處置河道疏浚底泥的施工技術[J].建筑施工，2020（11）：2149-2151.

[4]天津港航工程研究所.JTJ239-2005，水運工程土工合成材料應用技術規范[S].北京：人民交通出版社，2005.