葛 穎,滿曉磊,路承斌,吳英杰,胡佳寶

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

充填管袋筑堤技術(shù)作為一種新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海岸防護(hù)、抗洪搶險(xiǎn)、填海造陸等領(lǐng)域。早在20世紀(jì)五六十年代，位于萊茵河、些耳德河和馬斯河入?？诘暮商m三角洲工程中就開(kāi)始運(yùn)用充填管袋技術(shù)。到20世紀(jì)末期，充填管袋技術(shù)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)得到推廣與應(yīng)用，例如浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)圍堤工程以及長(zhǎng)江口深水航道治理一期工程等重大工程[1]?？梢钥闯龀涮罟艽夹g(shù)主要應(yīng)用于沿海近江地區(qū)，而安徽省瀕江近海，內(nèi)擁長(zhǎng)江水道，地跨淮河、長(zhǎng)江、新安江三大水系，每年的6月會(huì)迎來(lái)汛期，傳統(tǒng)的防洪搶險(xiǎn)方法存在成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境效益差以及安全性低等問(wèn)題，而充填管袋施工速度快、就地取材、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)能夠解決這些問(wèn)題。

目前，針對(duì)充填管袋堤壩技術(shù)的研究更多是在壩體的穩(wěn)定性、管袋的脫水滲透、管袋尺寸和充填土料滲透特性等方面。朱朝榮等[2]研究了在不同模型水深和波陡波浪作用下，不同堤體坡比充填管袋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；束一鳴等[3]研究了波浪作用下圍墾堤防管袋壩施工期的穩(wěn)定性，提出了一套高效的圍墾堤防快速施工技術(shù)；汪軍[4]對(duì)失穩(wěn)工況校核分析并結(jié)合極限平衡原理給出了相關(guān)建議。滿曉磊等[5]利用土工織物縫制方向的不同進(jìn)行吊袋試驗(yàn)得到當(dāng)管袋的環(huán)向與土工織物緯絲方向一致時(shí)，脫水性能更佳；Recio等[6]研究了在低水頭的作用下不同管袋搭接方式對(duì)滲透性的影響；姜紅等[7]總結(jié)了土工織物滲透測(cè)試過(guò)程中的控制和影響因素；蔡新等[8]構(gòu)建以結(jié)構(gòu)斷面關(guān)鍵尺寸為設(shè)計(jì)變量、最低的堤壩工程造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；陳亮[9]采用無(wú)量綱化的方法研究了管袋在充泥過(guò)程中拉力、形變的變化；吳海民等[10]歸納總結(jié)出了一種充排結(jié)合、邊充邊排的高效脫水技術(shù)；常廣品等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含細(xì)顆粒較多的土料充填后難以固結(jié)。管袋脫水固結(jié)的速率是充填管袋筑堤技術(shù)的核心問(wèn)題，因而充填管袋的脫水和保土性能成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

關(guān)于充填管袋的保土問(wèn)題，Moo Young等[12]通過(guò)壓濾試驗(yàn)研究了濾餅的形成問(wèn)題；唐琳等[13]研究了不同拉應(yīng)變下兩種條膜機(jī)織物反濾性能的影響。而關(guān)于充填管袋的脫水固結(jié)問(wèn)題，Hjk等[14]基于考慮管袋形狀的變化，對(duì)充填細(xì)顆粒土料管袋脫水固結(jié)性能的測(cè)試提出了新的解決方法；Lawson等[15]開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于保持質(zhì)量-體積平衡的分析模型；Kim等[16]為了優(yōu)化土工布管的脫水能力，提出了一項(xiàng)獨(dú)特的由兩種不同土工布圍繞其圓周組成的土工布袋發(fā)明。

基于安徽省生態(tài)水利建設(shè)目標(biāo)，很有必要將充填管袋技術(shù)引入水利建設(shè)當(dāng)中，但針對(duì)安徽省自然條件，各地區(qū)土料性質(zhì)不一，亟需對(duì)安徽省部分地區(qū)土料進(jìn)行充填管袋脫水固結(jié)試驗(yàn)，研究其作為充填土料時(shí)，充填管袋的滲透脫水性能與脫水機(jī)制，為充填管袋技術(shù)在安徽省的應(yīng)用發(fā)展提供有益參考。針對(duì)上述問(wèn)題，文中通過(guò)對(duì)安徽省黃山市、安慶市、滁州市、淮南市、阜陽(yáng)市5個(gè)地區(qū)的土壤分別進(jìn)行充填管袋滲透脫水試驗(yàn)，研究其脫水速率，并分析其可行性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

1.1.1 土料

試驗(yàn)所用土料分別取自黃山市新安江堤壩附近、安慶市沿江中路的長(zhǎng)江堤壩附近、滁州市余家洼水庫(kù)、淮南市淮河堤岸以及阜陽(yáng)市潁河堤岸。在試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)取回土料依次進(jìn)行烘干、除雜、碾散、篩分等試驗(yàn)前預(yù)處理工作，通過(guò)直擊式振篩機(jī)對(duì)各地區(qū)土料進(jìn)行篩分處理，得到如圖1所示的不同土料顆粒級(jí)配曲線。

圖1 不同土料顆粒級(jí)配曲線

根據(jù)《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》可知，吊袋充填料宜選用黏粒含量低于10%且顆粒粒徑大多在0.08～0.27 mm的土料。由圖1可知，相較于工程規(guī)范所規(guī)定的土料，安徽省部分地區(qū)的土料較粗，說(shuō)明該土料不完全符合工程中充填管袋的施工需求。

曲率系數(shù)Cc和不均勻系數(shù)Cu能充分反應(yīng)土料顆粒級(jí)配的良好程度，規(guī)范規(guī)定：Cu≥5且1≤Cc≤3的土料為級(jí)配良好，不同時(shí)滿足則為級(jí)配不良。因此，為更好地評(píng)價(jià)安徽省部分地區(qū)土料粒徑的分布情況，分別測(cè)量并計(jì)算出試驗(yàn)所選用地區(qū)土料的不均勻系數(shù)以及曲率系數(shù)，測(cè)量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)

1.1.2 袋體材料

本試驗(yàn)選取工程中常用的單位面積為 300 g·m-2的國(guó)產(chǎn)聚丙烯典型土工編織布作為制作吊袋的袋體材料，同時(shí)，為了便于試驗(yàn)操作，本試驗(yàn)對(duì)吊袋裝置進(jìn)行嚴(yán)密的尺寸設(shè)計(jì)，令其口徑為30 cm，高度為70 cm。

本次試驗(yàn)所用試驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示，整個(gè)裝置主要由承臺(tái)、承壓桿、吊袋、掛鉤、盛水皿組成。其中，承臺(tái)高度為120 cm、長(zhǎng)20 cm、寬40 cm,承壓桿的長(zhǎng)度為70 cm。

圖2 試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及方案

本試驗(yàn)采用控制變量的方法，將5種不同的試驗(yàn)土料分別稱取5 kg，并與15 kg溶液混合形成總重量為20 kg的泥漿混合物，再經(jīng)充分?jǐn)嚢韬蟛捎玫构嗍降某涮罘绞絼蛩俚谷氲醮?，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。每間隔一定時(shí)間，置換吊袋下方的盛水皿并對(duì)其進(jìn)行稱重直至吊袋邊壁及底部不再有泥漿滲出，試驗(yàn)結(jié)束。將各盛水皿中泥漿摻和物與吊袋中的固結(jié)土烘干稱量，并對(duì)其進(jìn)行顆粒級(jí)配分析。根據(jù)各時(shí)間間隔內(nèi)所滲出水和土的質(zhì)量分別計(jì)算得到該時(shí)間段內(nèi)吊袋的脫水速率與滲土速率，進(jìn)而得出脫水速率、滲土速率隨時(shí)間的變化關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 充填料對(duì)排水量的影響

試驗(yàn)過(guò)程中吊袋累計(jì)排水量隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，安徽省部分地區(qū)土料作為充填料時(shí)，吊袋累計(jì)排水量均隨試驗(yàn)時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率逐漸減小，最后趨于平緩，基本完成脫水過(guò)程。充填不同土料進(jìn)行吊袋試驗(yàn)時(shí)，各組的試驗(yàn)時(shí)間差異較小，均能在4 h內(nèi)基本完成脫水，說(shuō)明安徽省部分地區(qū)土料均能滿足工程施工的時(shí)間要求。其中,安慶市土料累計(jì)排水量最多，黃山市土料次之，而淮南市土料累計(jì)排水量最少。

圖3 吊袋累計(jì)排水量隨時(shí)間變化曲線

2.2 充填料對(duì)脫水速率的影響

如圖4所示為安徽省部分地區(qū)土料脫水速率隨時(shí)間變化曲線，由圖4可知，脫水速率曲線可大致分為快速脫水、抖動(dòng)回升以及平穩(wěn)滲水3個(gè)階段。其中，試驗(yàn)從開(kāi)始至20 min左右的時(shí)間段內(nèi)為快速脫水階段，從大約20 min至試驗(yàn)進(jìn)行160 min左右的時(shí)間段內(nèi)為抖動(dòng)回升階段。在試驗(yàn)進(jìn)行至160 min左右時(shí)，各試驗(yàn)組吊袋基本上已全部脫水完成，吊袋裝置開(kāi)始進(jìn)入平穩(wěn)且緩慢的滲水階段。

圖4 脫水速率隨時(shí)間變化曲線

由于吊袋在快速脫水階段已完成大部分脫水任務(wù)，因此,快速脫水階段是整個(gè)試驗(yàn)脫水過(guò)程的主要影響階段。因而，為了更加清晰地了解安徽省部分地區(qū)土料充填管袋的脫水性能情況，分別對(duì)部分地區(qū)土料吊袋試驗(yàn)的快速脫水階段的脫水速率隨時(shí)間變化情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，并繪制出各試驗(yàn)組快速脫水階段脫水速率隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示，由圖5可知，在快速脫水階段，安慶市地區(qū)土料作為試驗(yàn)充填料時(shí)其脫水速率曲線下降最快，結(jié)合表1可知，安慶市土料的不均勻系數(shù)小于5，說(shuō)明安慶地區(qū)土料的粒徑分布范圍較小，但其作為充填料時(shí)吊袋的累計(jì)排水量最多，說(shuō)明脫水固結(jié)過(guò)程中易形成穩(wěn)定的滲流通道。

圖5 快速脫水階段脫水速率隨時(shí)間變化曲線

對(duì)于何時(shí)能完成管袋的脫水過(guò)程進(jìn)而使得單個(gè)管袋能滿足下一層管袋施工條件的問(wèn)題，最終取決于管袋的抖動(dòng)回升階段。因而，筆者對(duì)各試驗(yàn)組的抖動(dòng)回升階段進(jìn)行單獨(dú)分析研究，并繪制出抖動(dòng)回升階段各試驗(yàn)組脫水速率隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。

圖6 抖動(dòng)回升階段脫水速率隨時(shí)間變化曲線

由圖6可知，抖動(dòng)回升階段各地區(qū)土料的脫水速率曲線的下降方式各有不同。其中,黃山市、安慶市、滁州市及阜陽(yáng)市土料脫水速率在此階段有較為明顯的抖動(dòng)回升現(xiàn)象，而淮南市土料脫水速率的抖動(dòng)回升值相對(duì)較小。結(jié)合圖5中的快速脫水階段部分地區(qū)土料吊袋的脫水速率變化情況可知，當(dāng)以淮南市土料作為管袋的充填土料時(shí)，單個(gè)管袋會(huì)在快速脫水階段完成后達(dá)到下層管袋堆疊施工的條件。而結(jié)合圖3中吊袋累計(jì)排水量隨時(shí)間變化情況可知，淮南市土料在吊袋試驗(yàn)中排水量較少，不完全滿足工程施工需求。

為減小試驗(yàn)誤差，本次試驗(yàn)在嚴(yán)格控制試驗(yàn)環(huán)境條件及試驗(yàn)方案相同的情況下，采用多次重復(fù)試驗(yàn)求平均值的方法測(cè)得不同充填料下吊袋平均脫水速率，并將數(shù)據(jù)整理繪制成如圖7所示的不同充填料下吊袋平均脫水速率。

圖7 不同充填料下吊袋平均脫水速率

由圖7可知，黃山市土料作為充填料時(shí)，吊袋平均脫水速率最大，安慶市、滁州市以及阜陽(yáng)市次之，而淮南市土料作為充填料時(shí)，吊袋平均脫水速率最小，因此，黃山市土料作為吊袋充填料時(shí)，吊袋的脫水性能更優(yōu)，而安慶市土料作為吊袋充填料時(shí)，吊袋的脫水性能次之。

2.3 充填料對(duì)保土率的影響

充填管袋保土性能的好壞直接影響著管袋工程的可實(shí)施性，因此,對(duì)于充填管袋保土性能的研究必不可少。如圖8所示為充填不同地區(qū)土料時(shí)吊袋試驗(yàn)的滲土累計(jì)量和保土率。由圖8可知，安慶市土料吊袋試驗(yàn)的保土率最高，保土性能最好，阜陽(yáng)、淮南、滁州和黃山依次次之，說(shuō)明安慶市土料用作管袋工程的充填料時(shí)，充填管袋的保土性能較佳，較為適合管袋工程的施工。

圖8 充填不同土料時(shí)吊袋滲土累計(jì)量和保土率

為進(jìn)一步探究各試驗(yàn)組吊袋的保土性能出現(xiàn)差異的原因，對(duì)各試驗(yàn)組的滲土速率進(jìn)行分析，并繪制出如圖9所示的不同充填料下吊袋平均滲土速率。由圖9可知，采用滁州市土料作為充填料時(shí)，吊袋平均滲土速率最大，安慶市、黃山市、阜陽(yáng)市次之，而采用淮南市土料作為充填料時(shí)，吊袋平均滲土速率最小。結(jié)合黃山市土料作為充填料時(shí)吊袋平均脫水速率可知，由于脫水速率較大，吊袋在脫水固結(jié)過(guò)程中充填料更易隨水而流失。由圖3可知，安慶市土料作為充填料時(shí)，吊袋試驗(yàn)過(guò)程中累計(jì)排水量最高，平均脫水速率僅次于黃山市土料的吊袋試驗(yàn)，而由其保土性能最佳可知，安慶市土料更適合作為管袋的充填料。

圖9 不同充填料下吊袋平均滲土速率

3 結(jié) 論

1)安徽省境內(nèi)若要進(jìn)行充填管袋施工，其單個(gè)管袋的脫水過(guò)程大致可分為快速脫水階段、抖動(dòng)回升階段和平穩(wěn)滲水3個(gè)階段，且從其脫水過(guò)程來(lái)看，安徽省各地區(qū)土料均能滿足施工的時(shí)間要求。

2)快速脫水階段是吊袋整個(gè)脫水固結(jié)過(guò)程的主導(dǎo)階段。據(jù)此，黃山市土料作為充填料時(shí)，吊袋脫水性能最優(yōu)；淮南市土料作為充填料時(shí)，吊袋脫水性能最差。

3)單論吊袋的保土性能而言，安慶地區(qū)土料用作吊袋填充料時(shí)，吊袋的保土性能最佳，黃山地區(qū)土料用作吊袋填充料時(shí)，吊袋的保土性能最差。綜合比較，安慶地區(qū)土料較適合作為管袋工程中的填充料。