超儲期土工合成材料類防汛物資可用性研究

劉云鋒，束一鳴，劉前程，崔武虎，王曉娟，顧 克

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098；2.南京河川建設工程有限公司，江蘇南京 211500；3.南京市滁河河道管理處，江蘇南京 210048）

土工合成類防汛物料相較于傳統的防汛搶險物料，強度大、質量輕、便于儲存、運輸和施工，且價格低廉，可謂優勢獨特［1］。無紡土工織物具有良好的透水性和過濾性，在導滲、管涌處理中應用廣泛［1］；編織袋質量小、強度高，被廣泛用于各種搶險措施中，砌護坡速度快且具有不切割壩體、防浪效果好、穩定性能較強的特點［2］。1998年5月松花江干流扶余段堤防搶險，15 h內用掉了5萬多條土工編織袋，該段堤防搶險成功，免受經濟損失1.25億元［3］。

近年來極端天氣增多，各地對防汛物資的儲備也越來越重視，加大了如編織袋、復合土工膜、無紡土工布等土工合成類物資的儲備。不少物資的儲存年限達到10～20 a，較多超過了《中央防汛抗旱物資儲備管理辦法實施細則》（以下簡稱“細則”）規定的儲存年限，應按照報廢物資處理。實際上，因各地儲存條件、儲存年限、材料間差異等因素各不相同，經過初步調研，相當多的超儲期土工合成材料仍然具備實際使用的性能指標，如能加以合理使用，不僅可節省國家財政開支，而且也符合節能減排和可持續發展的國家戰略。然而，國內鮮見超儲期土工合成材料類防汛物資再利用的研究與實踐。

在土工合成材料老化特性和耐久性方面，王殿武等［4-5］提出了土工織物和土工膜在有巖土等防護措施的條件下至少可以有30 a以上的安全使用期；包偉國［6］通過人工氣候的模擬試驗來尋求加速老化試驗與大氣老化試驗結果之間的關系，研究了聚丙烯土工合成材料的老化特性，提供了一種預測土工合成材料壽命的方法；蔣文凱等［7］對無紡土工布進行了15個月的室外試驗，得出土工合成材料在前6個月材料的力學性能變化不穩定，有的樣品力學性能還有上升的現象，其力學性能的衰減主要表現在6個月以后。在袋裝砂土石圍堰的砂袋老化研究方面，黃東海［8］得出了特定條件下聚酯土工布、防老化聚丙烯土工布、土工格柵等土工合成材料的老化折減系數，對于目前的研究具有一定參考價值，對于不同的施工條件和材料，這種預測方法局限性較大。鄭智能［9］利用理論模型和實驗室加速老化試驗定性分析土工合成材料力學性能保持率的預測方法，控制材料老化的方向之一，如光氧化、熱氧化等，而實際工程中材料老化速率受紫外線、溫度、濕度、水中化學物質等復雜因素影響［10］。A.A.Popov［11-13］和K.Busfield［14］相繼提出，在應力的作用下會改變土工合成材料的結構和形態，從而影響土工合成材料抗老化的性能；R.K.Rowe［15］通過現場試驗和實驗室測試總結了HDPE土工膜耐久性相關的基本概念和機制，并討論了影響土工膜工程中使用壽命的因素。

總體來說，目前國內外的研究主要是通過對外部環境的模擬來加速試驗樣品的老化以及通過自然環境下的老化情況來研究其耐久性規律，但都未對土工合成材料的老化性能進行詳細的描述和限定。對于土工合成材料防汛物資的研究僅僅停留于如何信息化管理和儲存方面，對于經倉儲后老化的力學性能等指標的研究還比較少，還沒有對超儲期儲存土工合成材料再利用方面的研究。目前，國內外對于超儲期土工合成材料防汛物資基本上是以報廢為主。

為此，研究土工合成材料在超儲期下的物理性能、老化規律以及實際工程效能狀況，特別是如何準確地預測土工合成材料類防汛物資的儲存壽命具有較大意義。本文通過收集江蘇省蘇北地區各市縣防汛倉庫不同超儲年限的土工合成材料調研資料，篩選具有代表性的材料樣品，開展力學性能檢測以及現場防汛搶險模擬試驗來分析、評價其老化程度以及安全再利用的可能性，提出可供參考的合理使用年限以及防汛物資采購和儲存方面的有益建議。

1 試驗樣本的選擇

1.1 土工合成類防汛物資采樣

本次研究的超儲年限土工合成材料類防汛物資抽樣樣本來自江蘇省蘇北地區的徐州市駱駝山倉庫、邳州倉庫、銅山倉庫、駱運倉庫、泗陽縣淮沭河倉庫、泗洪縣倉庫、六合倉庫7所防汛倉庫。其中，六合倉庫為省級倉庫，邳州和駱駝山倉庫為市級倉庫，其余為縣級倉庫。材料包括編織袋、彩條布、無紡土工布、復合土工膜四大類。其中，編織袋16個樣本，彩條布6個樣本，無紡土工布6個樣本，復合土工膜4個樣本，總計32個樣本。儲存年份最早為1992年，最遲為2010年。具體材料的類別、規格及存儲日期參見下文。

1.2 采樣倉庫儲存條件

在取樣的同時對這些物資的管理情況和倉儲情況也作了一些考察，此處對倉儲環境、管理水平作簡單描述。

圖1為江蘇省省級存儲倉庫六合倉庫，土工合成類防汛物資儲備種類較為齊全，整體管理水平和防護措施較好，倉庫密閉性能較好，倉庫窗戶有百葉窗遮光避風。材料保存較為完善，土工合成類材料有黑色遮陽布防護，避免了紫外線的直接照射。但此倉庫的過期防汛物資儲備較少，不能很全面地反映歷年來物資力學性能的變化。

圖1 江蘇省六合倉庫

圖2（a）邳州倉庫為市級存儲倉庫，除了有一些包裝袋已有破損外，整體的倉儲環境和管理水平與六合倉庫類似。圖2（b）駱駝山倉庫也為徐州市級存儲倉庫，此倉庫部分窗戶沒有密封，紫外線可以直接照射進來，不利于防汛物資的儲存。

圖3為縣級儲備倉庫，從現場可看出這些倉庫窗戶上無遮陽設備，有些物資表面無防護措施直接堆放在窗戶邊，陽光直射到防汛物資上，紫外線的照射會加速土工合成材料的老化。在管理水平上，縣級倉庫人員配備不足，有的倉庫基本沒有專業管理人員。

從前期整體調研上來看，省級防汛倉庫和市級防汛倉庫的設計標準和管理水平較高。而縣級防汛倉庫設施在設計上存在缺陷，有些破損設施未得到及時維護和修繕，尤其在紫外線的防護措施上，沒有按照要求進行處理。同時，人員配備缺乏可能導致倉庫的管理不夠到位。

圖2 市級倉庫

圖3 縣級倉庫

2 室內測試內容及方法

分別分批次對所有抽樣的初始倉儲取樣和經現場防汛搶險模擬試驗老化30，60 d和90 d后的取樣做物理力學性能指標檢測，與國家防汛物資的入庫標準比較分析。檢測的指標內容為：編織袋的經、緯向、接縫的斷裂強度和延伸率，圓柱頂破力；彩條布、無紡土工布、兩步一膜的經、緯向斷裂強度及延伸率、圓柱（CBR）頂破力、梯形撕裂強力。

該研究的室內測試試驗采用河海大學水工結構研究所土工合成材料多功能測試系統（型號TGH-2B）（見圖4），進行了寬條帶拉伸試驗、梯形撕裂試驗和圓柱（CBR）頂破試驗。所有測試環境、試樣尺寸、檢測過程及力學性能指標計算均嚴格按照SL 235-2012《土工合成材料測試規程》相應試驗規程；同時每組試樣做5組試驗，確保試驗結果準確無誤。

圖4 土工合成材料多功能測試系統

3 現場防汛搶險模擬試驗及取樣

現場防汛搶險模擬試驗在位于南京市六合區滁河紅山窯水利樞紐下游的江蘇省防汛搶險訓練場進行，該訓練場分別建有訓練演練區和訓練輔助區，演練區可實現模擬滲流、管涌、漏洞、裂縫滑坡、漫頂、潰壩決口等常見的水利工程堤壩病險情發生、發展過程。

（1）現場試驗試樣的編號。試驗前對試樣按照四大類不同倉儲分別進行了系統編號，后續試驗鋪設也按照此編號一一對應，以便掌握試驗過程每個部位鋪設的試樣情況以應對工程模型出現的問題并方便后期取樣。

（2）現場試驗的勘測選址。選擇機械易于進入且方便試驗人員施工的地區，同時臨滁河河道方便蓄、排水。選址的場地原貌見圖5。

圖5 試驗場地原貌

（3）裝袋挖坑同時進行。采用專門機械按照施工圖紙進行建模水池開挖施工。池底15 m×15 m，深2 m，邊坡比為1∶3，池底和邊坡均被整平，詳見圖6（a）。將現場開挖土裝于編號的編織袋中，充填率達50%～60%的用扎帶捆扎，見圖6（b）。

圖6 裝袋挖坑同時進行

（4）試樣的鋪設和土袋的堆積。開挖完畢后，根據施工圖要求，各倉庫、年份的材料分別鋪設復合土工膜及無紡土工布于池底及四周，起到護底護坡、防滲作用，見圖7。

圖7 土袋的堆積和土工膜鋪設

復合土工膜沿坡面方向水平鋪設，其接縫處進行焊接處理（由池底向上依次鋪設），相鄰坡面交接處相互壓實；坡面鋪設完畢后進行堰底鋪設，接縫處進行焊接。再將裝填土袋從池底開始堆壘成高1 m的堤壩體，模擬一側的擋水斷面，堆砌時采用縱橫交替的堆砌方式，且按照施工圖中不同倉庫、年份依次堆疊。在堆體上鋪設彩條布護堤，模擬實際防汛堤防中的防沖刷老化。最終施工完成實際圖見圖8。鋪設完畢后在堤體的對面一側斜坡上標設水尺，水尺最上標線離池底2 m，試驗過程中保持蓄水到1.8 m高度處，見圖9。

圖8 蓄水前現場試驗模型

圖9 給蓄水池設置水尺

（5）給蓄水池內預設編織袋取樣。用紅藍兩色高強度防老化的繩子分別拴在10種編織袋上，分放于堤體的兩側，以便進行30 d和60 d取樣。

（6）蓄水池蓄水。蓄水前在池周邊架設邊護欄確保人員安全。用抽水泵從旁邊河流抽水達水尺上標的預期刻度，詳見圖10。蓄水過程中出水口應有消能防沖刷裝置（套上竹籃）。

（7）取樣室內測試。現場模擬試驗老化，每30 d取樣1次，共取樣3次。1月和2月后將事先預設的試樣用繩子拉出；3個月后將蓄水池內水放空，在堤體內部取編織袋和彩條布每一種試樣，在池底鋪設的兩布一膜和無紡土工布上裁取每一種試樣。試樣均在室內陰暗處晾干。

4 超儲期土工合成材料總體可用性分析

結合初始出庫的檢測試驗結果和現場試驗30，60 d和90 d后材料狀況，評價分析力學性能衰減程度，并提出合理使用的指標建議。試樣材料的力學性能分析參照SL 297-2004《防汛儲備物資驗收標準》和GB 17642-2008《土工合成材料非織造布復合土工膜》相關指標標準。《中央防汛抗旱物資儲備管理辦法實施細則》中的儲備年限及報廢更新第二十條要求：根據中央物資存儲條件、各類物資老化試驗結果，中央物資按照驗收入庫時間起計算。儲備年限為：編織袋6 a，復膜編織布8 a，無紡土工布、復合土工膜10 a。

圖10 蓄水池完工

4.1 無紡土工布可用性分析

本次抽樣選取的無紡土工布規格為250 g/m2，測試試驗處理結果參照SL 297-2004中土工織物物理力學性能指標，見表1。

無紡土工布的斷裂強度及斷裂延伸率如表1所示，1992年邳州倉庫的無紡布比其余倉庫的倉儲年份長10 a之多，其初始倉儲斷裂強度也相對較低，經向斷裂強度12.23 kN/m，略低于標準，緯向斷裂強度為標準的82.8%。其余無紡布初始倉儲經、緯向強度均滿足防汛物資的入庫標準。

表1 無紡土工布初始倉儲及老化后斷裂強度及斷裂延伸率

經過3個月的現場防汛模擬工程試驗，無紡土工布整體在外觀上無破損現象，工作狀況良好，可以滿足工程應用要求。

1992年邳州倉庫的無紡布經、緯向斷裂強度衰減最多，分別衰減為標準的26.17%和52.17%。其余倉庫無紡布經向斷裂強度均在標準之上，緯向斷裂強度除六合倉庫外均略低于標準，最小的2006年銅山倉庫緯向強度為標準的78.4%，也有較大保持率。2004年六合倉庫為省級倉庫，初始倉儲強度及老化90 d后的強度均遠高于標準，且老化試驗過程中幾乎無衰減。其余倉庫衰減速率規律性不明顯，且由于材料采購商未知，原材料差異大，因此，衰減速率與年份規律性不明顯。此外可看出現場試驗過程中，緯向強度衰減速率整體大于經向強度衰減速率。

除1992年邳州倉庫外，本次出庫無紡土工布初始經、緯向斷裂延伸率均滿足國家防汛驗收標準。這說明，即使在長時間的倉儲條件下，伸長率仍可以保持在標準范圍內。

整體上相較于初始力學性能，無紡布經過30，60 d和90 d的現場試驗后，其力學性能逐漸降低；同時表明儲存年限越長，其力學性能下降越快。經過3個月的現場試驗，無紡土工布頂破強力整體上依然全部大于2.2 kN，梯形撕破強力整體上全部大于0.35 kN，均滿足國家防汛驗收標準，且在現場試驗過程中衰減較小。

4.2 復合土工膜可用性分析

此次選取的復合土工膜均為兩布一膜，其規格均為400 g/m2，其標稱斷裂強度為12 kN/m，試驗測試結果指標參照SL 297-2004中短纖針刺非織造復合土工膜物理力學性能指標，見表2。

六合倉庫屬于省級倉儲，2002年存儲在六合倉庫的復合土工膜，經、緯向斷裂強度相比其余倉儲的斷裂強度都高。其余市縣級倉儲的復合土工膜初始出庫強度和老化過程中的力學性能衰減規律也相差不大，差異性主要是由縣級倉儲條件不同引起。初始出庫強度最低的為2008年駱駝山倉庫，緯向斷裂強度10.56 kN/m，為標準的88%，經向90 d老化后衰減為標準的74.2%。經過3個月的現場防汛模擬工程試驗，復合土工膜在外觀方面表現良好，無破損現象，防滲性能保持良好。

從初始出庫到老化90 d，本次研究取樣的復合土工膜的斷裂伸長率均大于30%，滿足國家防汛物資驗收標準。說明防汛用復合土工膜在倉儲和防汛過程中衰減不多，仍可滿足斷裂伸長率指標，倉儲過程和防汛過程中衰減不大。

從頂破強力和梯形撕破強力來看，經3個月現場試驗后，復合土工膜相關參數均大于國家防汛物資的驗收標準，即頂破強力大于2.2 kN，梯形撕破強力均大于0.4 kN。

力學性能經試驗室檢測均有較高的保持率，所有試驗樣品強度均大于入庫標準。復合土工膜經過30，60 d和90 d的現場試驗后，其力學性能逐漸降低，儲存年限越長其力學性能下降越快。

4.3 彩條布可用性分析

此次抽樣的彩條布規格均為120 g/m2，7個試樣分別來自7個倉庫，儲存年限為1995～2006年。試驗方法參照規程SL 235-2012，試驗測試結果指標參照SL297-2004中彩條布的物理力學性能指標，見表3。

經現場試驗，從表觀看，除了銅山倉庫的彩條布有明顯的破損情況外，其余各倉庫彩條布表面均保持良好。現場防汛模擬試驗過程中，彩條布覆蓋在防汛堤上防浪防沖刷，所以彩條布直接與土袋接觸，相互間有摩擦作用，在淺水中發生腐蝕老化，在坡面表層薄層水中受太陽直射，發生紫外線老化。因此對彩條布可用性的檢測和分析，要著重考慮其初始出庫力學特性和老化過程中的衰減。

表2 復合土工膜初始倉儲及老化后斷裂強度及斷裂延伸率

1999年邳州倉庫和2002年駱駝山倉庫屬于市級儲備倉庫，倉儲條件較好，本次出庫初始強度相對較高，雖然年代久一些，其經老化試驗的強度衰減也較小。2004年六合倉庫屬于省級倉庫，倉儲條件最好，可能因為物資入庫時強度不高，使初始倉儲取樣斷裂強度不高，但是儲存年代相比其他倉庫較短，所以現場老化過程中抗拉強度衰減速率較小。2006年銅山倉庫，倉儲年代最短，現場試驗過程中老化最小。

通過以上的數據整體來看，雖然材料的規格相同，但除了1995年泗洪倉庫的彩條布外，其余倉儲試樣的抗拉強度隨著存儲年代的增加未見明顯下降，主要由于這些材料的生產廠家不相同，還有市與縣級儲存條件的差異。

本次所有取樣的倉儲彩條布的斷裂伸長率從出庫初始強度到經現場試驗老化90 d之后，均滿足國家防汛物資驗收標準。

從頂破強力、梯形撕破強力看，只有1999年邳州倉庫的彩條布的初始頂破強力（1.65 kN）大于標準（1.6 kN），初始撕裂強力（0.32 kN）大于標準（0.30 kN），其余彩條布均不滿足防汛驗收標準。30 d后所有彩條布均已遠小于防汛驗收標準，且衰減較快。

表3 編織袋初始倉儲及老化后斷裂強度及斷裂延伸率

4.4 編織袋可用性分析

此次抽樣的編織袋規格為95 cm×55 cm、100 g/條，試驗指標參照SL 297-2004中防汛編織袋物理力學性能指標，見表4。

本次所取樣的編織袋的倉儲初始強度均小于在入庫標準，初始延伸率都保持在防汛驗收標準內，初始頂破強力和縱向梯形撕裂強力均不滿足標準。在現場試驗中，所有力學性能逐漸降低，儲存年限越長其力學性能下降越快。

結合對照現場防汛模擬試驗過程工程破壞試樣及相應的檢測分析結果，只有2004年駱運倉庫和2004年六合倉庫的取樣土編織袋完好，依然具有較高的斷裂強度，2004年駱運倉庫試樣拉伸斷裂強度為：經向14.31 kN/m（標準的79.5%），緯向12.36 kN/m（標準的77.25%）；2004年六合倉庫試樣斷裂強度為：經向10.6 kN/m（標準的58.89%），緯向9.36 kN/m（標準的58.5%）。因此這兩種試樣（聚乙烯材料）的倉儲斷裂強度及相關力學指標可作為同類材料合理利用的參考使用標準，即經向斷裂強度大于15 kN/m（標準的80.56%）、緯向斷裂強度大于16 kN/m（防汛物資驗收標準）、且儲存年限不超過11 a的聚乙烯編織袋，經檢測后可根據現場實際情況審慎合理利用。

初始出庫力學性能較差的編織袋絕大部分已處于損毀狀態，對損毀編織袋的完整部分進行取樣，通過室內力學特性試驗發現其強度保持率較低，有的甚至達不到入庫標準的10%。

表4 編織袋初始倉儲及老化后斷裂強度及斷裂延伸率

2004年及2008年駱駝山倉庫的編織袋再經過現場試驗后其力學性能下降最明顯，取樣時也有部分損壞，這兩種編織袋的儲存年限雖較短，但其力學性能保持率不高。分析其原因為：①由于市級儲存倉庫儲存條件較省級倉庫來說相對較差，往往不能保證其在無紫外線的條件下儲存，導致其老化較快，從其余幾個非省級倉庫也可以看到相關現象；②材料本身就沒有添加相關的抗老化材料，抗老化能力弱。比如同樣是省級倉庫2007年駱運倉庫的編織袋拉伸強度小于2004年駱運倉庫儲存的編織袋強度，因為2004年編織袋加入了炭黑等防老化材料，在長期儲存后仍有較高強度，為標準值的90%，這也是2004年編織袋力學性能保持率最高的原因之一；③在入庫時也可能沒有經過嚴格的質量檢測，往往導致其初始的力學性能無法達到要求。

5 結論與建議

5.1 結 論

（1）在通常的倉儲條件下，抽樣出庫初始拉伸斷裂強度大于入庫驗收標準且儲存年限小于16 a的無紡土工布，可考慮合理使用。

（2）建議出庫初始拉伸斷裂強度大于或等于入庫標準以上且儲存年限不超過18 a的復合土工膜，可根據現場情況考慮合理使用。

（3）不同年限不同倉庫的彩條布樣品力學差異性較大，從年份上來看無明顯的規律性。但鑒于彩條布在防汛過程中主要用于防浪防沖刷，基本處于不承重狀態，建議抽樣檢測的出庫初始拉伸斷裂強度在10 kN/m以上的彩條布，可根據現場情況考慮謹慎使用。

（4）此次試驗中的編織袋經過3個月的現場試驗，暴露在淺水表面的編織袋絕大部分處于損壞狀態，鑒于防汛工作的重要性，對于普通倉庫儲存的編織袋超出儲存年限（即6 a）的未加炭黑的聚丙烯編織袋作報廢處理；對于在省級倉庫（如六合倉庫）條件下存儲11a以內的聚乙烯編織袋，可根據現場情況審慎合理使用。

5.2 建議

由于儲存材料樣品的差異性較大、儲存年分不夠連續以及樣本的出廠力學性能無記錄等因素，本文分析還存在一些不足之處。但通過分析研究，可獲得以下對于防汛物資的儲存和采購的有益建議：

（1）建議提高防汛倉庫的倉儲環境和管理水平，有助于保證防汛物資在實際使用時具有較高的力學性能，此外可延長儲存年限。

（2）對于入庫防汛物資應按批次抽檢其性能指標，并保存好入庫性能指標文件。

（3）盡量采購添加抗老化劑的土工合成材料防汛物資，尤其如編織袋等，聚丙烯材料需添加炭黑，或者采購聚乙烯材料的編織袋。