大型土工織物充填袋圍堰設計方法研究

鄧 彪

（江西省水利規劃設計研究院，江西省水工結構工程技術中心，江西 南昌 330029）

大型土工織物充填袋圍堰設計方法研究

鄧 彪

（江西省水利規劃設計研究院，江西省水工結構工程技術中心，江西 南昌 330029）

為研究紅谷隧道圍堰工程中單個土工織物充填袋在充填及運行過程中工作特性，綜合考慮土工合成材料加筋機理及筋材抗拉強度和變形性質后，采用圓弧滑動法對土工織物充填袋圍堰的抗滑穩定性進行驗算。結果表明：歷史最低水位運行時，當堆積達到22層后，充填袋張力最大約為36kN/m，已超過常用土工織物充填袋的抗拉強度，需在圍堰高程12.0m以下區域采用一定的加筋措施或高強度土工織物充填袋。同時，建議充填袋接縫放置在土工織物充填袋底部中間位置，以提高充填袋圍堰整體安全穩定性。

圍堰；土工織物；充填袋；抗滑穩定

土工織物充填袋圍堰是一種新型圍堰型式，主要采用屬于土工包裹系統的長管袋充填砂袋作為主要填筑體［1］。目前，國內有關土工織物充填袋圍堰施工應用有很多成功范例，設計方面主要關注圍堰整體穩定、變形及應力特性，對單個土工織物充填袋在充填及運行過程中工作特性關注較少，在土工織物選型方面更多是依靠工程類比［2］。根據紅谷隧道圍堰工程設計現狀，在初擬圍堰截面基礎上，對結構整體抗滑穩定性進行分析，以驗證圍堰坡度設計合理性。其次，研究土工織物充砂袋在充填及圍堰運行過程中的受力情況，以掌握充砂袋周向拉力隨充填體壓應力的變化規律，進而提出確保充砂袋不破壞的充填壓力，并提出不同堆積方式下充填砂袋允許抗拉強度，最終設計合適土工織物型式。

1 大型土工織物充填袋圍堰設計內容

按照《水運工程土工織物應用技術規程》（JTJ/T239-98）規定，對于土工織物袋充填筑堤設計應包括下列內容：（1）堤整體穩定驗算；（2）充填袋層間穩定驗算；（3）土工織物保土、透水性能指標選擇；（4）充填料與充填料干容重選定；（5）護面與護底設計。

由于土工織物充填袋屬于典型的土工包裹系統，作為包裹材料的土工織物，其型式選擇特別是抗拉強度方面選取對于整個土工包裹系統設計至關重要，如果土工織物強度不能滿足設計要求，單個土工織物充填袋會發生破壞，進而可能導致整個堰體發生垮塌。因此，對于土工織物充填袋圍堰而言，不僅需要對圍堰整體進行抗滑穩定驗算以驗證圍堰坡度設計合理性，還需研究土工織物充砂袋在充填及圍堰運行過程中的受力情況、充填壓力和允許抗拉強度，防止充砂袋損壞而使圍堰堰體破壞，確保設計方案具有較高安全可靠性。

2 大型土工織物充填袋圍堰分析方法

2.1 土工織物充填袋圍堰工作性態分析

從受力性能上說，土工織物充填砂袋圍堰實質為一種加筋土壩。由于土工管袋筋材的布設，改變了土體不能受拉的性能。試驗證明：加筋砂試驗與無加筋砂試驗的破壞包絡線基本平行，即其內摩擦角近似相等，兩者凝聚力不同［3］?；诖死碚?，加筋材料的加筋效果相當于增加一個凝聚力Cp，具體函數表達為：

式中，Cp-擬凝聚力；Rf-單位厚度土工合成材料試樣（縱向）中筋材的極限抗拉強度；Sy-土工合成材料層間距；Kp-被動土壓力系數。

按照《水運工程土工織物應用技術規程》（JTJ/T239-98）規定，采用瑞典圓弧法進行穩定性分析。

2.2 單個土工織物充填砂袋受力分析

在充填長管袋設計中，通常忽略充填袋的剛度和變形，假定為完全柔性且不可伸長；充填袋在充填砂漿的作用下通過調整自身形狀來達到受力平衡。根據假設，可得到單個充填袋的橫截面形態圖，如圖1所示。圖中，h為充填袋高度，b為充填袋底部水平面得寬度，B為充填袋橫截面的最大寬度值，r（x）為縱坐標為x位置處的曲率半徑，T為袋體所受的拉力，p（x）為縱坐標為 x位置處的壓應力，p0為充填袋充填口處的壓應力。根據力學平衡原理及幾何學理論，可得充填袋形態控制方程：

點O處的邊界條件：

袋體周長約束條件：

如果參數 （T，h，p0）某一被確定，就可聯立式（2）～（4）得出解。式（2）控制方程為二階非線性微分方程，可采用迭代解法直接求解方程［4］或利用橢圓積分進行變換求解。

圖1 充填袋橫斷面示意

2.3 多個土工織物充填砂袋堆積時受力分析

土工織物充填袋單個擺放時穩定性較差，將它們堆積起來可提高穩定性。對于有m個充填砂袋堆疊的情況，充填袋從下往上依次編號為①、②、③…。根據對稱性，只取右半部分進行分析，將所有充填袋分為2m個部分，第n（n=1，2，…，m）個充填袋與第n-1個充填袋（當n=1時為地基）的重疊部分記作第2n-1部分，與空氣接觸部分記作第2n部分，劃分依據是各部分受力表達式不同。圖2為3個充填袋堆疊示意，即：第①個充填袋與地基重疊部分記作第1部分；與空氣接觸部分記作第2部分；第②個充填袋和第①個充填袋重疊部分記作第3部分，以此類推。對各部分取局部坐標來分析，以下的分析均以n來表示管袋編號，以i來表示所分成各部分的編號。采用無量綱分析法，定義為：

式中，Xi，Yi-第 i部分的橫、縱坐標；Si-弧長；Ln、An、Pn、Tn、ρn-第n個充填袋的總周長、截面面積、底部相對于O點的總壓力、張力和充填料密度；g-重力加速度。由于不考慮充填袋與袋內流體、充填袋與地基和充填袋之間的摩擦力，各充填袋本身張力處處相等。

圖2 堆疊充填袋計算模型

3 大型土工織物充填袋圍堰設計實例

3.1 工程概述

紅谷隧道位于南昌大橋與八一大橋之間，是連接南昌市紅谷灘新區與老城區的關鍵工程。隧道圍堰工程系臨時性水工建筑物，其結構型式應在滿足安全運用基礎上，具備結構型式簡單、施工速度快、修筑及拆除方便、工程造價低廉等特點。綜合考慮地形地質條件及天然建材儲量等情況，圍堰采用土工織物充填袋型式，充填料優先利用主體工程的開挖砂料［5］。

3.2 計算工況

根據設計資料可知，東岸圍堰1-1剖面處的堆積高程最低，因此，選取該剖面作為典型剖面，進行圍堰抗滑穩定分析以及土工織物充填砂袋受力分析。由于堰基基本沒有淤泥質類軟土以及施工期堰身內外水位基本平衡，故不進行施工期的邊坡穩定驗算。工程區地震基本烈度小于Ⅵ度，不進行地震時的堰坡穩定分析。因此，僅計算正常運用條件下的堰坡穩定。

由于南昌市段贛江水位受鄱陽湖頂托作用明顯，水位降落比較緩慢，在汛期也不可能降至枯水位，因此，降落水位采用主汛期間4～6月期間的最低多年平均水位，水位降落的速度按3天考慮。根據以上分析，擬定以下計算工況，見表1。

表1 計算工況表

3.3 圍堰整體抗滑穩定分析

根據設計資料，東岸圍堰的抗滑穩定安全系數按3級堤防工程進行選取。根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）規定，正常運行條件下，采用瑞典圓弧法進行抗滑穩定分析時，安全系數取1.20，計算成果表明：穩定滲流工況抗滑穩定系數（背水坡），設計洪水位條件下為1.781；防洪高水位條件下為1.609；水位驟降工況抗滑穩定系數（臨水坡），設計洪水位條件下為2.429；防洪高水位條件下為2.355。計算工況條件下，抗滑穩定系數均大于［1.5］限值指標，抗滑穩定滿足規范要求。

3.4 充填砂袋受力特性分析

根據設計資料可知，東岸圍堰1-1剖面按1-1形式進行堆積。堆積底高程取3.0m，頂高程取24.0m，單個充填袋充填高度水下為0.5m，水上為0.7m；充填袋充盈度不小于80%，下層充填袋固結度大于70%后，才能進行上一層的施工；充填物為贛江內開采的中、細砂。

施工期外水水位考慮兩種，一是目前1月份贛江水位取11.0m，另外就是設計的施工期水位，取16.60m。運行期外水水位考慮設計洪水位22.64m、防洪高水位23.64m以及歷史最低水位10.52m；外水作用方式，施工期按兩側作用考慮；運行期按單側作用考慮。

充填袋堆積時體型示意和不同水位不同高程充填袋張力變化曲線，如圖3和圖4所示。根據充填袋張力變化曲線，整體來看，受堆積效應及外水水壓影響，充填袋體張力基本隨堆積次序（由上到下排列）增大而增大，水上充填袋張力增加較快，水下充填袋張力增加較慢；另外，外水水位變化對充填袋張力影響較大，水位越高，整個充填袋堆積體張力越小。對于處于施工期的土工織物充填袋堆積體而言，最大張力出現在水位變動區，也就是剛出水面位置，而并非出現在堆積體最底層位置；處于運行期充填袋堆積體，作為臨時擋水建筑物，其充填袋單側受到外水壓力作用，最大張力出現在最底層位置。

圖3 堆積體型示意

圖4 不同水位下不同高程充填袋張力變化曲線

不同運行水位下充填砂袋受力成果表明：施工期水上充填袋最大張力出現在第11層，正好為水面位置，達到20.18kN/m，水下充填袋最大張力出現最底層，約為15.93kN/m；設計洪水位下充填袋張力均小于30kN/m，最大張力出現在最底層，約為12.11kN/m；歷史最低水位運行時，當堆積達到22層以后，充填袋張力便達到31.08kN/m，張力最大至出現最底層，約為35.93kN/m。

綜上分析，鑒于目前常用土工織物抗拉強度基本在30kN/m左右，高程位于3.0～12.0m之間的土工織物充填袋堆積體采用適當 的加筋措施或選用高強度的土工織物充填袋，其他高程區域可采用常規的土工織物充填袋。

4 結論

（1）東岸1-1剖面在正常運行條件下，抗滑穩定系數均在1.5以上滿足抗滑穩定要求。

（2）土工織物充填袋張力受堆積方式、外水水位以及漿液壓力作用方式等因素影響；施工期，由于外水水位較低，充填袋最大張力出現在水位變動區，也就是剛出水面位置；而運行期，隨著外水水位上升，砂袋張力也隨之變化，最大張力可能出現在最底層的位置。

（3）設計洪水位下充填袋張力均小于30kN/m，歷史最低水位運行時，當堆積達到22層以后，充填袋張力達到31kN/m，張力最大至出現最底層，約為36kN/m，已超過常用土工織物充填袋的抗拉強度，因此建議圍堰高程12.0m以下區域采用一定的加筋措施或高強度的土工織物充填袋。

（4）鑒于土工織物充填袋接縫處受縫制影響，其抗拉強度要低于充填袋自身強度，為確保充填砂袋安全，建議充填袋接縫應放置在土工織物充填袋底部中間位置。

［1］包承綱.土工合成材料應用原理與工程實踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］劉三學.土工織物管的設計和施工工藝探討［A］.國際航運協會2008年會暨國際航運技術研討會［C］.北京：2008.

［3］宋為群，葉志華，彭良泉.軟土地基上土工管袋圍堤的穩定性分析［J］.人民長江，2004，35（12）：32-34.

［4］閆玥，閆澍旺，邱長林等.土工織物灌袋的設計計算方法研究［J］.巖土力學，2010，31（01）：327-330.

［5］中國水利水電科學研究院.南昌市紅谷隧道工程臨時圍堰結構安全分析研究［R］.2014.

TV351

B

1672-2469（2017）10-0129-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.036

2017-09-13

江西省水利廳科技成果重點推廣項目（TG201206）

鄧 彪（1972年-），男，高級工程師。