航道整治工程沙枕防老化技術研究

鄧良愛，曾慶云

（1.長江航道局，武漢430016；2.長江航道規劃設計研究院，武漢430011）

沙枕以其整體性好、取材容易、造價相對低廉等優點，在航道整治工程中得到了大量應用，如沙枕護坡、沙枕填芯+塊石蓋面壩體等，但由于枯水期出露沙枕（雖然添加了防老化劑）的使用壽命很有限，面層沙枕老化問題十分突出，存在沙枕布易破損、袋裝沙出露等現象，而一旦枕袋老化破裂，袋裝沙不斷流失，護坡沙枕將不復存在，岸坡將重新受到強烈淘刷，岸坡的安全及工程效果將受到嚴重威脅［1］。因此有必要對枯水期出露沙枕進行防老化處理。目前沙枕防老化一般采取塊石覆蓋法，但有些施工環境較特殊，如枯水期工程區域為灘地，常規施工船舶很難進入；沙枕布易被破壞，采取防老化措施施工時，需盡量減少施工破壞；沙枕一般用來護坡，呈階梯狀，枕面水流力較大。因此，常規的塊石覆蓋防老化措施存在施工難度大、塊石容易流失（坡腳河床易淘刷，坡面塊石易跨塌，同時汛期受水流頂沖，覆蓋在沙枕上的塊石很容易被水流沖走）、投資規模較大（塊石本身單價較高，加之易流失）等問題［2］。因此有必要通過試驗研究，尋求施工方便、經濟合理、防老化效果好的工程措施。

1 沙枕防老化現狀

目前在航道整治工程中普遍使用的沙枕袋由聚丙烯編織布縫制而成，屬土工織物中的一種，其耐久性受紫外線輻射、溫度變化、化學與生物侵蝕、水解影響、凍融變化、機械磨損及蠕變性能等影響。紫外線直接照射是聚合物老化的最主要因素，而水份、溫度和紫外線同時作用將進一步促進老化，將其埋在土中或水中，避開紫外線直接照射，其老化速度就會大大減小。目前土工織物的防老化措施主要有2種類型：一種是改性土工織物，即在土工織物加工過程中，直接添加防老化材料來提高其抗紫外線的能力，如添加防老化劑母料；另一種為面層阻斷型，即通過面層覆蓋阻斷紫外線的直接照射，如塊石覆蓋、模袋混凝土蓋面等方式［3-4］。簡要介紹如下。

（1）添加防老化劑母料。在枕袋制作過程中，將防老化劑母料添加到聚丙烯編織布中，以提高枕袋本身的防老化效果。添加防老化劑母料后，枕袋的顏色成灰黑色，且有較高的光澤度，但枕袋在出露的情況下，壽命仍然很有限。

（2）塊石覆蓋。在設計水位下1 m至設計高度的沙枕壩芯上鋪設無紡布，然后拋石覆蓋，以達到防老化的目的。

（3）模袋混凝土蓋面。這是一種新型的壩面結構型式，主要是對填芯沙枕采取模袋混凝土蓋面，壩芯為沙枕，在沙枕上先用碎石袋找平，然后采用模袋混凝土蓋面。這種結構型式已經在長江中游武穴水道航道整治工程順壩試驗段中得到成功運用。

從上述沙枕防老化措施現狀可以看出：（1）添加防老化劑母料措施最為方便，但使用壽命低；（2）塊石蓋面是目前航道整治工程中普遍使用的方法，沙枕防護效果較好，但對于特殊的施工環境，則存在很大難度，如枯水期拋石船很難進入水凼，水下沙枕蓋石及鎮腳拋石難以施工，同時塊石本身單價較高，且易流失；（3）模袋混凝土蓋面結構適合河床變形小、鋪設規模大的區域，且模袋混凝土自重大，不利于護坡沙枕（自身強度已降低）的穩定。

由此可見，對于施工條件復雜的區域，還沒有一種較好的沙枕防老化措施，但可以參照目前的防老化形式，尋找一些新型材料或結構進行試驗研究。

2 沙枕防老化試驗研究

2.1 工況條件

本試驗選擇長江中游界牌河段新淤洲中灘魚嘴灘面水凼護坡作為沙枕防老化試驗區，該段施工條件相對困難且水流條件較復雜。護坡沙枕位于中灘魚嘴水凼內，枯水期四面為岸坡及灘地，常規施工船舶很難進入；枯水期水凼坡頂高出水面約8 m，最大水深約18 m；沙枕護坡的坡面成小階梯形，坡度約為1∶2，坡腳下切幅度大，岸坡較長；中水期水流剛漫過灘面時，翻壩水水流力較大；部分沙枕面層有浮沙、雜物；護坡沙枕已存在一定老化，采取防老化措施施工時，應盡量減少施工破壞。

2.2 材料選擇及結構

從沙枕防老化措施現狀來看，目前很難突破改性土工織物，因此防老化措施研究主要放在面層阻斷型方面，面層阻斷型可分為覆蓋型與噴涂型。

2.2.1 覆蓋型

護坡沙枕主要考慮輕型覆蓋結構，以防止覆蓋體本身加重沙枕的破壞程度。經調查，目前工程中普遍使用的無紡布，具有良好的過濾性（主要是透水性）、伸縮性，其防老化性能優于聚丙烯編織布，在護坡的反濾層廣泛應用；同時，在工程實踐中發現，無紡布吸附能力較強，被江水淹沒過的無紡布，往往有粉細砂粘附在上面，隔離了紫外線，且無紡布價格相對低廉，采用兩層或多層，其防老化年限可達15 a以上；同時無紡布與沙枕表面貼合較好，有一定厚度，延展性好，不會對沙枕產生二次破壞。因此考慮采用無紡布覆蓋。

無紡布的壓載固定方面，考慮了3種結構：（1）復合沙肋排結構。長江口航道整治工程中普遍采用的沙肋排結構中的沙肋筒一般位于墊層上面，考慮到兩者的縫接、強度、防老化等情況，將其沙肋筒置于編織布墊層下面，再在編織布上面縫制無紡布，從而形成復合沙肋排結構；（2）鋼絲網系掛D型砼塊結構。參考目前廣泛使用的系砼塊軟體排結構形式，其壓載體砼塊（圖1）本身有防老化功能，且系接簡單、牢固，系接采用系接鋼絲，固定砼塊的墊體為單層鋼絲網（圖2），其中鋼絲為抗老化、抗腐蝕能力強的鍍鋁鋅，形成無紡布+鋼絲網結構；（3）鋼塑土工格柵系掛D型砼塊結構。與上述鋼絲網系掛D型砼塊結構類似，只是將鋼絲網改成土工格柵，形成無紡布+鋼塑土工格柵結構。經調查，鋼塑土工格柵的拉力由經緯編織的高強鋼絲承擔（圖3），在低應變能力下產生極高的抗拉模量，單寬抗拉強度可達120 kN，能完全滿足強度要求。鋼塑土工格柵的縱橫向肋條的鋼絲經緯編織成網，外包裹層一次成型，鋼絲與外包裹層能協調作用，破壞伸長率很低（不大于3%）。鋼塑土工格柵的主要受力單元為鋼絲，蠕變量極低。鋼塑土工格柵的高密度聚乙烯可以確保在常溫下不會受到酸、堿、鹽溶液或油類的侵蝕，不會受到水溶解和微生物的侵害。同時聚乙烯的高分子性能也足以抵抗紫外線輻射。格柵受力后縱橫肋條協同作用，不會產生結點的拉裂或破損。

圖1 D型砼塊Fig.1 D-type concrete block

圖2 單層鋼絲網Fig.2 Monolayer steel wire mesh

圖3 鋼塑土工格柵Fig.3 Steel-plastic grating

綜上所述，覆蓋型結構中覆蓋體主要包括沙肋排、鋼絲網+砼塊、鋼塑土工格柵+砼塊3種形式，將上述覆蓋體與無紡布進行復合，形成3種覆蓋型結構，應用在護坡沙枕上時，需進行坡頂壓載。

2.2.2 噴涂型

新型的CW-S抗老化材料可噴涂或刷涂在沙枕表面，以阻隔紫外線對沙枕的照射。CW-S抗老化材料在脂肪族耐老化高分子材料中，添加了無機納米材料和活性稀釋劑，是一種新型的高耐久性環保雙組分抗老化材料。CW-S抗老化材料具有無氣味、環保以及高耐候性、高抗沖磨性、高粘結性、高抗滲性、干燥和潮濕面均可施工等特性，能提高混凝土和土工布的抗紫外線、抗沖磨、抗滲、抗碳化、抗凍融、抗化學侵蝕性能［4］。

2.3 施工工藝

（1）覆蓋型。3種覆蓋型均需進行坡頂壓載固定，即在坡頂邊線5 m外側，開挖一道寬2 m，深0.5 m的基槽；然后將覆蓋型材料從坡頂向坡下鋪開，將頭部鋪放在槽底，上面鋪石1 m厚進行壓載，再在坡頂邊線5 m內鋪石0.5 m厚，底部控制在設計水位下2 m，考慮到坡面的凹凸不平，覆蓋材料應留出一定的富余長度，以盡量減少無紡布與原坡面之間的空隙，無紡布攤開后應盡量與坡面吻合，將其完全覆蓋；接下來對沙肋筒進行充沙或在網狀墊體上綁系小砼塊，邊緣壓載體適當加密［5］。

（2）噴涂型。當作業環境溫度低于0℃、高于50℃，或是表面干燥前可能下雨、風力大于5級以上時，不能涂敷CW-S抗老化材料。使用前應修補好表面明顯的破損，不得有空鼓、疏松等現象。施工前應清除表面存在的灰塵、污漬等，然后用高壓水槍沖洗，使其表面清潔。然后將CW-S抗老化材料A、B組份按一定比例混合、攪拌均勻，進行表面刷涂、滾涂或噴涂。如采用噴涂作業，普通的高壓無氣噴涂設備即可。在25℃時，表面干燥需要2～4 h，實干需8 h（干燥時間隨環境溫度、濕度而不同）。CW-S抗老化材料表面觸干后自然養護，7 d后即可投入使用。需要注意的是每次配好的CW-S抗老化材料的施工時間應控制在2 h之內，CW-S抗老化材料適宜在5℃～40℃的環境下施工，若溫度超出此范圍，應根據實際情況對材料及配比進行調整；遇寒潮或雨雪應停止施工，已施工而未到7 d的應采取保溫或防雨措施。

3 試驗成果分析

3.1 現場檢驗

從現場試驗情況來看，沙肋排、鋼絲網+砼塊、鋼塑土工格柵+砼塊3種覆蓋型防老化結構效果均較好（圖4），經歷一屆汛期后，沒有出現覆蓋體撕破、掀起、脫落等現象，沙枕的覆蓋效果良好；CW-S新型防老化涂層也沒有出現起殼、脫落等現象，附著性能較好（圖5）；同時可以看出，覆蓋型防老化結構物與沙枕貼合比較緊密，對岸坡的適應能力較強，因此適當增強坡頂及邊緣側的壓載，覆蓋型防老化結構物可以適用于坡度為1∶1.5～1∶3的岸坡。且鋼絲網及鋼塑土工格柵2種覆蓋型因系掛的砼塊、無紡布上覆蓋的泥沙相對較厚，進一步增強了無紡布的防老化效果。

3.2 室內試驗檢測

從CW-S新型防老化涂層的室內試驗檢測成果來看，涂敷CW-S涂層材料的編織袋試件比未涂敷的拉伸強度提高了52.58%、斷裂伸長率提高了42.80%；考慮1 a中涂層材料約有一半時間在水下或紫外線照射不到的情況，保守估計CW-S涂層材料的使用壽命在20 a左右；同時鹽霧循環試驗結果表明，涂刷CW-S噴涂型材料后，沙枕布的抗鹽霧腐蝕能力顯著增強；而耐酸性試驗也表明CW-S涂層材料完全能夠抵御自然界酸雨對編織袋材料的侵蝕［6］。

圖4 覆蓋型防老化方案汛期前后現場照片Fig.4 Photos of covering anti-aging measure before and after flood season

圖5 CW-S抗老化材料汛期前后現場照片Fig.5 Photos of CW-S coating before and after flood season

4 防老化措施比選

根據現場和室內試驗以及計算情況，對文中提出的4種防老化方案進行分析比較，各方案優劣比較歸納見表1。

表1 沙枕防老化方案比較表Tab.1 Comparisons between anti-aging measures of sand-filled pillows

5 結論

本文在分析航道整治工程沙枕防老化措施的現狀基礎上，提出了4種沙枕防老化方案，結合航道整治工程現場試驗和室內試驗，對這4種防老化方案從防老化效果、適應變形性、結構穩定性、施工難易度、后期維護工作量、工程造價等方面進行了比較分析。綜合來看，無紡布+鋼塑土工格柵覆蓋型在航道整治工程沙枕防老化中優勢相對明顯，覆蓋體比較輕、覆蓋效果好、施工簡單、造價較低。CW-S抗老化施工效率高，使用壽命較長，如果工程資金充裕，建議采用CW-S抗老化材料。

［1］王先登，范先友，鄔和平，等.長江武漢航道局轄區航道整治建筑物2008年度技術狀況分析評價報告［R］.武漢：長江武漢航道局，2008.

［2］黃成濤，曾慶云，柴華峰，等.長江中游2009年度航道整治建筑物維修工程設計［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2009.

［3］黃成濤，曾慶云，萬大斌，等.長江中游界牌河段新淤洲魚嘴中灘沙枕護坡防老化措施試驗研究［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2009.

［4］余帆，黃召彪，譚倫武，等.長江中游護灘、沉排及抗沖整治建筑物結構型式與施工工藝研究［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2004.

［5］周冠倫，榮天富.航道工程手冊［R］.武漢：長江航道局，2004.

［6］韓煒，李珍.長江中游界牌河段新淤洲魚嘴護坡沙枕新型防老化涂層材料試驗［R］.武漢：長江水利委員會長江科學院水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，2009.