航道整治工程袋裝砂斜坡堤新型砂袋研制與應用

施軍，毛森敏

（1.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122；2.杭州申聯寶塑實業有限公司，浙江 杭州 311245）

0 引言

自20世紀70年代起，我國開始引入大型充砂袋結構，并率先在江蘇、浙江的河海堤壩工程中應用。由于砂袋結構對軟基適應能力強、施工速度快且造價低，袋裝砂代替拋石構筑堤心的做法得以在航道整治工程中推廣應用。趙龍根等[1]研制了多層復合砂袋、袋裝砂堤心水下充灌及鋪設工藝，運用GPS定位技術解決了平面控制和高程控制技術難題；樓啟為[2]開發了袋裝砂斜坡堤堤心充灌及鋪設成型施工工藝，實現了袋裝砂水上作業、水下充灌、水下成型鋪設；張慶文等[3]通過優化充灌砂袋縫制工藝、完善充灌袋裝砂鋪設流程，實現了充灌袋裝砂堤心施工工藝在深水施工中的應用；周林等[4]研發了一整套機械化自動化的大型水上土工砂袋裝填及定位下沉施工工藝，達到了安全生產與施工高效目的。王新強等[5]采用了布置臨時砂庫、精確加載與加快充填砂固結等措施，實現了大型充砂袋圍堤應用于圍海造陸工程。

在以往的工程實踐中，水下充灌袋裝砂堤心普遍采用230~350 g/m2普通機織布作為袋體材料[6]。由于材料本身的強度限制，袋體充灌高度往往只有0.5~1.0 m，堤心需要多道砂袋層層疊疊方能成型，定位精度低，斷面尺寸偏大，且水下穩定性差。隨著新技術、新工藝和新材料的發展與突破，土工織物材料、編織技術等也有了長足發展，這使得袋裝砂斜坡堤新型砂袋的研制成為可能。

1 材料選擇

1.1 土工織物選用

單一機織布具有高強度和優良的排水能力，但保砂能力較弱，無紡布保砂能力強但材料強度低，斜坡堤砂袋的設計宜充分發揮二者優點。考慮到丙綸長絲機織布強度高、造價低、滲透強，選用510 g/m2丙綸長絲機織布與150 g/m2無紡布進行復合砂袋制備。丙綸長絲機織布為高密度與高強度布料，布料寬365 cm，經向布料密度為11.5根/cm，緯向布料密度為10根/cm，布料孔徑小于0.3 mm。其縱向、橫向抗拉強力均大于125 kN/m，布面強度高；布料的滲透系數為1.2 cm/s，透水性強。無紡布為常規制作，由定向的或隨機的纖維構成。為提升機織布與無紡布協同工作的能力，制備時將無紡布縫制在袋體內側。

1.2 結構形式

兩種布料通過機織布料經線和緯線上下沉浮不規則交織，形成典型的多層亂紋組織。該組織包括上層組織、中層組織以及下層組織，3層結構交錯在一起。上層組織上表面設有抗腐蝕膜層，抗腐蝕膜層通過膠水涂覆在上層組織上，抗腐蝕膜層可以防止布料過早的腐爛，延長布料的使用壽命，保證質量；抗腐蝕膜層由基膜以及覆蓋在基膜上的保護膜組成；基膜和上層組織之間等間距設有沿基膜長度方向設置的空腔，空腔內設有加強筋，加強筋由纖維材料制成，其重量輕，不會過多增加布料的質量；同時加強筋的設置增加了布料各個方向的抗拉強度和抗變形能力，如圖1所示。

圖1 多層亂紋組織Fig.1 Multi-layer disordered texture

1.3 編織方式

上層組織按照每4根經線循環1次，每100梭緯線循環1次的方式相互交錯；中層組織按照每6根經線循環1次，每130梭緯線循環1次的方式相互交錯；下層組織按照每8根經線循環1次，每160梭緯線循環1次的方式相互交錯。經線、緯線的捻度均為55捻回數/m、經線和緯線均由7根2000D高強丙綸長絲加捻制成，強度高，不易斷裂，使用壽命長。采用該編織方式的材料強度高，透水性強，同時具有優良保砂能力，相關指標如表1所示。

表1 多層亂紋組織布料物理指標Table 1 Physical indexes of multi-layer random texture fabric

2 砂袋設計與加工

2.1 加筋帶設計

砂袋尾部上下2層設若干個加筋帶進行補強，加筋帶寬70 mm，間距1 m，每個加筋帶均伸入砂袋體內5 m，加筋環加密縫制以防止拉脫。通過補強措施使砂袋抗變形能力增強、不易撕裂。

2.2 袖口設置

砂袋設有袖口，袖口的直徑為25 cm，長度為50耀80 cm，同時袖口直徑可根據沖砂管直徑靈活調整。袖口間距在砂袋體寬度方向為5~6 m，在長度方向為6~8 m，確保袋體充灌均勻性。袖口為雙層袖口，可滿足水下自動封閉的要求。

2.3 拉環布設

砂袋兩側每隔4 m設有1個拉環，加筋帶上每隔1 m布設拉環，拉環的設置便于施工中調整鋪設位置，拉環的長度為40 cm。

2.4 加工步驟

本次砂袋的加工工藝，與傳統作法有所區別，主要步驟如下：

1）單元片劃線

根據工程需要確定袋體尺寸，選取單幅土工布，進行縱向、橫向的丈量與劃線，確定加筋帶和袖口的位置。

2）加筋帶和袖口縫制

將加筋帶和袖口縫制在土工布上，采用工業縫紉機進行縫紉。每個工業縫紉機配套3個專業縫紉工。縫制方式根據拼接位置不同分為包縫和拼縫兩種，每一道縫制需要損耗25 cm的布邊；

3）砂袋拼接

拼接相鄰袋布，通過縫制形成砂袋。袋體頂部、側面、底部采用包縫，袋體底部的最后一道縫制采用拼縫，以承受最輕的強力要求，縫制時的縫制線采用2000D滌綸三股紗線；在條件允許的情況下，盡量采用包縫的縫制方式來保證強力的最大化，包縫可以達到縫制強力保持80%以上，拼縫可以保持強力60%以上。

4）檢驗、打包與入庫

袋體加工完成后進行觀察檢查，檢驗合格后由人工打包，運往成品倉庫，并填寫入庫單，寫明規格、型號、加工日期、排號，立卷歸檔，并備好出庫單，供出庫用。

5）注意事項

砂袋呈長方形，長度富裕系數按1.05控制；根據袖口的設計位置，采用丁縫法將袖口縫制在單元片體上；袖口應為雙層袖口，可滿足水下自動封閉的要求。

3 驗證試驗

3.1 袋體強度

排頭充填過程中，通常需充填一定數量的砂后才可下放并確保砂袋順直。采用10.2 m伊19.5 m伊1.5 m（長伊寬伊高）的大型砂袋為例，通過對比試驗發現，本次研發的砂袋可承受保證袋體順直的排頭充砂量，而采用230 g/m2機織布與300 g/m2無紡布制備的復合砂袋，由于袋體強度偏低，充砂量過多時加筋帶以及砂袋易撕裂，充砂量過少時則導致袋子入水后會飄移以及移船時被拖走。

3.2 袋體滲透性

采用同樣規格砂袋進行對比觀測可見，本次研發的砂袋內部水可自行排出，不需要人工排水，對提升施工工效有利。而采用230 g/m2機織布與300 g/m2無紡布的砂袋滲透性較差，充填袋體頭部時均需要進行1 h左右的人工排水，不利于趕潮施工以及搶工期。

3.3 袋體保砂性

斜坡堤心構筑以及日后運維中，砂袋保砂能力對于結構安全有重大影響，故采取兩種試驗復核其在不同狀態下的保砂率。

1）充砂試驗

充填一個3.9 m伊1.9 m伊1.0 m（長伊寬伊高）的砂袋體，2019年5月8—26日，隔2 d定期檢測袋體尺寸變化，進而評估其保砂能力。試驗結果反映出，充填完成后袋體的尺寸基本無變化，袋體形態保持良好，表明了新研發的砂袋在普通環境下具有較好的保砂能力。

2）入水試驗

采用510 g/m2丙綸長絲織布與150 g/m2無紡布復合制作1個小袋體，裝砂放置于船邊入水，定期撈起稱重，檢查水流作用下砂袋的保砂率，結果如圖2所示。

圖2 入水試驗結果Fig.2 Water entry test results

由圖2可見，袋體質量未發生明顯變化，袋體的保砂率良好，表明了新型材料砂袋在水流作用下仍具有良好保砂性能。

4 工程應用

4.1 工程概況

長江口南槽航道治理一期工程整治建筑物工程[7]，總長約16 km，軟體排采用砂袋護底聯體[8]。其中6+100—14+975區段共8 875 m為袋裝砂斜坡堤，堤心采用袋裝砂結構。袋裝砂斜坡堤灘面標高-1.7耀-6.8 m，堤頂高程+1.5耀+2.0 m。兩側邊坡1頤1.5，采用扭王字塊體護面，堤身兩側設拋石護腳棱體。袋裝砂堤心和護面之間設10耀100 kg拋石和100耀200 kg墊層石。

4.2 應用效果

施工后，經現場測深儀檢測，新制備的砂袋充填高度可達到2 m以上，充填高度是普通砂袋的2耀3倍。通常情況下，航道整治工程由于受平潮時間影響，1個潮水往往僅能鋪設1個袋體，若采用普通袋體需堆疊6層，需6個潮水，而采用新型砂袋僅需堆疊2層，2個潮水便能完成施工，極大地提高了施工效率，對確保施工如期完成起到了關鍵的作用。施工工效提升示意見圖3。

圖3 袋裝砂堤心結構施工工效提升示意Fig.3 Schematic diagram of improved construction efficiency of sand bag dike core structure

由于項目場地位于長江口生態敏感區，新型砂袋的成功應用縮短了施工周期，減少了對周邊生態環境的干擾，取得了良好的環境效益。同時該砂袋的應用降低了施工難度，減少了材料浪費，節約了工程造價。經統計，采用新型砂袋后，直接節約人工8 160工日，節省砂袋布料12 800 m2，節約船機臺班時間約17個月，減少了充灌砂8 600 m3，節省工期約30 d，綜合折算后節省工程造價約1 272萬余元，取得了良好的經濟效益與社會效益。綜上，新型砂袋的研制與應用取得了成功，屬航道整治工程領域的綠色生態施工工藝，具有實用價值與推廣應用前景。

5 結語

通過技術創新，實現了新型砂袋的開發，并運用現場試驗進行了驗證，最后通過長江口南槽航道治理一期工程表明了其適用性與優越性，主要結論包括：

1）采用510 g/m2丙綸長絲機織布與150 g/m2無紡布進行復合砂袋的制備，通過多層亂紋組織及獨特的編織方式，可充分發揮2種布料的優點與工作特性。

2）現場試驗表明，2種布料復合制備而成的新型砂袋強度高、排水快且保砂能力強，具有比傳統砂袋更優的工作性能。

3）通過工程應用可見，新型砂袋充填高度是傳統砂袋的2~3倍，實現了袋體充灌高度達2 m以上的突破，提高了施工效率，具有較好的環境效益、經濟效益與社會效益。

4）新型砂袋的研制取得了成功，是航道整治工程領域的一種綠色生態施工工藝，具有實用價值與推廣應用前景。