一种新型吹填模袋技术

唐金忠

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061）

一种新型吹填模袋技术

唐金忠

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061）

围海造地由浅滩向深水发展，现在的围堤技术难以满足深水滩涂开发，为此，本文提出一种筑堤的新方法、新工艺——U形模袋技术。此技术结构简单，上部开口大，吹填施工方便，能适用于多种吹填料，与传统的充填管袋组成的围堤相比，经济、快捷，适用于各种围堤和施工围堰。文章通过对围堤结构分析和研究，为该技术在滩涂开发工程中的应用提供了参考。

深水围堤；模袋；创新技术

围海造地是拓展城市空间的重要途径之一，近几十年随着沿海对滩涂疯狂地开发，浅海滩地基本被围垦利用枯竭，围海造地正由浅滩向深水发展。但是现有的充泥管袋筑堤的方式，在袋体铺设、充填泥浆浓度、充填方式方法、袋体防护措施等方面都有严格的要求，在围海造地中需要抢低潮施工，尤其是深水施工难度很大，几乎不可能。

本文提出一种U形模袋创新技术［1］，该技术是自主研发、具有独立知识产权的新型水工结构，特别适用于深水围堤吹填。本文还通过对芯堤结构分析和研究，为深水滩涂开发工程提供科学依据和基础。

1 U形模袋创新设计

U形模袋创新技术主要是针对现有围堤技术的不足，对现有技术进行改进和发展。现有围堤的主导技术为充泥管袋，即管袋水平放置，叠加成堤。而U形模袋是一种以桩为支撑骨架，桩—土工布组成U形吹填模袋，吹填砂土料（疏浚泥、砂料）后形成吹填芯堤，继而把芯堤装修形成永久性的斜坡大堤。

1.1 U形模袋的制作方法

U形模袋由土工布和加筋带制作，柔性土工织物将吹填土料荷载直接传递给地基，部分传递于桩，通过桩基再传给地基。制作方法是：沿堤线布置两排平行且打入地基中的钢筋混凝土预制桩，设置在两排钢筋混凝土桩之间为柔性土工织物，柔性织物由三面组成，依靠两排桩支撑构成一个上部开口的U形模袋，如图1所示。袋内吹填砂土料后形成吹填芯堤，把芯堤装修形成永久性的斜坡大堤，护坡、护脚和堤顶路面等有多种不同的做法，选择其中一断面，如图2所示。

图1 U形模袋构成示意图

图2

1.2 U形模袋构件组成及作用

1.2.1桩

桩是U形模袋的支架，可以提高吹填堤的抗滑稳定。桩间距由设计确定，取决于堤高（稳定）、土工织物的抗拉强度等因素。一般围堤越高，桩距越小。桩为钢筋混凝土预制桩，桩长和入土深度由控制水位、堤高、地质条件等因素通过稳定计算确定。在围堤堤高较小时，也可采用木桩或竹桩。

桩顶横向间连接，根据需要可以设置混凝土拉梁、木拉梁或钢拉梁等，在围堤的断面上形成排架结构，以增加吹填堤整体稳定；纵向两桩间设置拉索，用于挂起两侧袋壁形成U形模袋。芯堤完成后，按设计围堤断面，外海侧堤脚处抛投棱体，棱体与芯堤之间抛投袋装土；将护坡层以上的桩顶凿除，再进行堤坡和堤顶护砌。

1.2.2袋底和砂肋

袋底和砂肋均由土工布组成，砂肋内充填砂料，连成排成为U形模袋袋底的主要部分。袋底与袋壁连接形成U形袋，装载吹填砂土料，还作为围堤基础的反渗层。袋底增设加筋带，以增加袋底强度。

砂肋与土工布的袋底合二为一，在堤身地基表面组成排水垫层，其作用有：①形成良好的表层排水面，有利于孔隙水压力的消散；②保持堤身底部连续完整，约束浅层软土的侧向变形，均化应力分布。因此，可以提高地基承载力和堤身稳定、减小沉降。

1.2.3袋壁

袋壁由土工布制作，内侧与袋底相应设置加筋带；其设计指标根据吹填砂土料确定，一般由土工布强度和延伸率指标控制［2］。例如，在吹填砂料时，袋壁土工布延伸率指标＜25%，以防止受力使等效孔径加大，造成充砂的模袋在波浪作用下漏砂；袋体材料采用反滤性能好的丙纶无纺针刺复合布（380g/m2），以防止袋装砂堤身未实施护面时在波浪作用下可能发生的漏砂现象。

1.2.4加筋带

加筋带有模袋加筋带和对拉加筋带；模袋加筋带与U形模袋袋体（袋底和袋壁）的土工布缝制于一体，布置在U形袋体的外侧，其作用是加强模袋强度；对拉加筋带在U形模袋内垂直和水平方向上，按一定间隔和高度设置；水平设置为对拉加筋带，其作用是在土压力的作用下对拉，限制U形模袋的扩张宽度，同时，通过吹填的砂土与对拉加筋带的摩擦作用，增强堤防的稳定性。

1.2.5吹填料

敞口的模袋方便吹填施工，在砂源紧张区域，吹填料可以直接采用疏浚泥掺插吹填，实现“变废为宝”。吹填袋能适用于任何吹填料，也可采用传统的砂料吹填，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，通过土工布不断排水固结。

2 结构分析和计算

结构分析和计算是针对芯堤而言，在形成围堤的过程中，芯堤自身首先要满足设计要求，围堤的稳定应按规范要求计算。通过结构分析和计算，论证U形模袋创新技术的可行性，为今后工程中应用提供技术基础。

2.1 芯堤稳定计算

2.1.1地基承载力控制

软土地基上U形模袋吹填而成的芯堤，相当于临时水工建筑物，可简化计算；当堤高不大于5.0m时，一般仅需进行地基承载力验算。当设计的堤身荷载（P=γ h）小于P允许时，认为满足稳定要求。计算式［4］如下：

式中：P允许为地基允许承载力，kP a；Cu为地基土不排水抗剪强度，kP a；当袋底有软体排时，Cu值可按提高20%～40%计算；K为安全系数，取K= 1.05～1.10。

2.1.2抗滑稳定计算

U形模袋吹填的芯堤需要进行抗滑稳定计算时，其边坡抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧滑动法，抗滑稳定安全系数不应小于1.05～1.10。芯堤的堤顶若有堆载和交通荷载时，应将这两种荷载按有关规范换算成堤身荷载。

由于吹填砂土料—土工织物—地基的相互作用问题非常复杂，其机理也未完全搞清，整体稳定可采用荷兰法设计［4］。因此在稳定分析中当滑弧通过土工织物时，只需在抗滑计算公式中的抗滑力矩部分增加一项Δ Mr，即：

式中：Δ Mr为由于土工织物作用而增加的单位宽度抗滑力矩，k N·m；T为单位宽度土工织物允许抗拉强度，k N/m；R为滑弧半径，m；n为土工织物层数。

2.2 芯堤受力分析

U形模袋是一种桩—土工织物的组合体，是一种复杂的柔性体空间结构，采用简化的方法进行计算，即可满足工程设计需要。桩是支撑模袋的骨架，吹填过程中，土工织物将充填荷载直接传递给地基；U形模袋技术首先是袋内吹填形成芯堤，然后按设计要求对芯堤进行护脚、护坡和堤顶护砌，从而完成整个围堤（海堤或围堰）。在实施过程中，芯堤自身必须满足设计要求，即抗滑稳定、构件强度和变形等都要满足设计［5］。

U形模袋分为垂直段和水平段两部分，水平段为袋底，垂直段为袋壁；水平段应保证足够的渗径，袋底土工布受到的力主要有垂直水土压力、土工布下渗透压力、地基反力和抵抗滑动力，一般以抵抗滑动力控制。垂直段的袋壁应该满足抗拉强度和变形。

两桩之间的土工布，在土压力的作用下将形成一个大圆弧（土兜），在对拉加筋带的作用下，使每个大圆弧上又形成局部小弧，为计算方便，忽略对拉筋带的作用，按大圆弧计算土工布的拉力，如图3所示；在验算土工布的强度和伸长率时，可以忽略小圆弧和对拉力f，按大圆弧的变形方式计算土工布的内拉力，显然，这种简化是偏于安全。

由以上分析可知，袋壁在袋体内吹填砂土料后会逐渐增大土压力，从而增大土工布的拉力，圆弧形的土兜，其内力即为张拉力：

式中：T为内张拉力，N/m m；R为圆弧半径，m m；P为土压力，k P a。

上式表明，土工布受土压力形成圆弧状，土工布的内拉力等于圆弧半径与土压强之积。若计算某点的内拉力T，土压力P是已知的，因为R的大小与土工布的伸长率有关，通过变形试算才能确定。U形模袋设计主要是验算土工布的伸长率和强度，应满足设计要求。可以用下式计算：

式中：L为桩到桩的中心距离，m m；R为圆弧半径，m m；ε为土工布的伸长率，%；r为桩的半径，m m。

3 问题分析和要求

3.1 关于芯堤合龙

一般情况下传统的围堤都是采用龙口合龙，而U形膜袋芯堤施工时，则应避免出现龙口，芯堤吹填应尽可能均衡上升。特别是芯堤施工高度达到水位变化区时，在涨、退潮时，不宜留下个别缺口；分层吹填，同一层应在一次涨退潮期间完成，避免集中水流对芯堤的冲刷。

3.2 土工织物袋孔径

土工织物袋孔径必须与充填砂土料颗粒组成相匹配，既不能使充填砂土料大量流失，又要使U形袋体内的水能尽快排出，以便袋内充填料尽量能在短时间内达到固结状态。

3.3 土工织物的选用

土工织物选用抗拉强度高、延伸率低和摩擦性能好的材料。

3.4 U形模袋的分段实施

U形模袋沿堤轴线方向可分段实施，分段处U形模袋端头同样采用桩-土工布组成。

4 结语

采用桩—土工织物组成U形模袋新型筑堤技术，是一种全新的设计理念。该创新技术有以下优点：（1）以桩为U形模袋的支架，桩既是U形模袋的骨架，又可作为围堤的抗滑桩，提高了围堤的抗滑稳定性。它充分利用土工织物透水、抗拉性能，组成上部开口的U形构筑物，便于安装；其施工速度快、劳动强度低，施工不受潮位限制，不受吹填料限制。（2）通过袋底设置砂肋排或砂袋，将袋底和软体排合二为一，既可以提高围堤地基承载力，又方便U形模袋的安装和定位。（3）U形模袋内采用加强筋对拉，既可控制袋壁在土压力作用下向外扩张宽度，同时形成加筋土，以提高吹填土料的强度，增加吹填堤的稳定性。土工织物张弛有度，在吹填料的作用下，能按不同的高度向两侧扩张，形成较优的梯形断面，可作为永久大堤的堤芯，通过护坡、堤顶护砌可以很方便形成永久大堤。（4）U形模袋芯堤具有断面可大可小、自身稳定性好、对淤泥地基变形适应性强、施工简单等特点，减少了施工难度和强度，有效地缩短了工期，节约工程投资。

［1］唐金忠，肖志乔，任华春.一种新型吹填模袋［P］.中国，发挥着重要作用，另一方面对观测数据以及工程档案的管理、存储等方面也起着不容忽视的地位［5］。它的有效应用使得大坝所有观测资料管理处于全面办公自动化模式中。

4.6 系统管理及处理分析工作

根据实际工作的需要，硬石岭水库大坝安全监测系统可以分为以下几类：一是数据采集子系统；二是监测数据管理信息子系统；三是安全监测分析评价子系统；四是分析评价成果发布子系统。通过这几类子系统对所采集的信息进行系统全面的管理与整合，从而对大坝的安全性进行综合分析。

5 结语

综上所述，本文根据硬石岭水库的具体情况，对水库除险加固工程安全监测所需要的具体内容和要求进行了详细分析，合理确定了安全监测点。水库除险加固工程安全自动化监测系统建成以后，具有先进的安全监测技术，安全检测的准确值高，可以便捷的进行维护和管理，达到了现代化管理的基本要求，并且还具有一定的扩展性，可以方便以后的进一步改进。

参考文献

［1］胡长华，郝长江，李晨阳.九龙江北溪水闸变形监测设计比选研究［J］.人民长江，2006（11）：154-155.

［2］巩向伟，侯丰奎，张卫东，徐永兵.水库大坝安全监测系统及自动化［J］.水利规划与设计，2007（02）：65-68.

［3］张国杰，杨兴恭，张宁.汾河二库碾压混凝土重力坝监测设计与施工［J］.水利水电技术，1999（06）：97-98.

［4］唐玲.浅谈长江重要堤防的安全监测设计［J］.水利水电快报，2002（06）：83-84.

［5］于柏强，任建钦，张文东，王洪洋，于艳丽.重庆盖下坝水电站枢纽工程外部监测设计［J］.水利科技与经济，2012（10）：132-133. 201320861251X.2014.06.25.

［2］G B 50290-98.土工合成材料应用技术规范［S］.

［3］上海市水利工程设计研究院.浦东机场外侧滩涂促淤圈围工程可行性研究［R］.上海市水利工程设计研究院，2007.

［4］SL 435-2008.海堤工程设计规范［S］.

［5］唐金忠，卢永金.水工基础工程设计与分析［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

T U 472

：B

：1672-2469（2015）09-0053-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.018

唐金忠（1956年—），男，高级工程师。