上海市生態護岸建設中生態袋關鍵材料參數試驗研究

張琳琳

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

近年來，上海市河道建設深入貫徹黨對生態文明建設的要求，在各類河道整治工程中應用的生態護岸型式多種多樣，取得了較好的生態效果。經過調研發現，生態袋材料已經在上海市生態護岸建設中得到了廣泛的應用[1]。

生態袋是指由聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP）為原材料加工成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子。生態袋護坡是指利用生態袋建造的柔性生態護坡，生態袋內填充基質材料，可為植物提供扎根場所，較傳統的硬質護坡更為環保、經濟及生態。為了保證生態袋護坡的質量和生態效果，應對生態袋的單位面積質量、橫/縱向拉伸強度、橫/ 縱向伸長率、橫/ 縱向梯形撕裂強度、CBR 頂破強度、垂直滲透系數、等效孔徑O90、橫/ 縱向強度保持率等關鍵材料參數進行嚴格的篩選。2013 年，上海市水務局印發的《上海市河道生態治理設計指南（試行）》針對生態袋的上述部分關鍵材料參數提出了具體要求，如表1 所列。

表1 《指南》中對生態袋材料參數的要求一覽表[2]

然而，表1 存在材料參數指標不全、要求不明確等問題，給實際應用帶來了困難。現針對該問題，通過材料試驗的方法，開展上海市生態護岸建設中生態袋關鍵材料參數的研究工作。

1 生態袋材料試驗簡述

通過市場調研，從已在上海市護岸工程建設中應用過的生態袋供應商處采購樣品（詳見表2），通過單位面積質量測定、等效孔徑試驗（干篩法）、垂直滲透試驗、握持拉伸試驗、梯形撕破試驗、圓柱（CBR）頂破試驗、熒光紫外燈老化試驗等獲得生態袋樣品的關鍵材料參數。上述試驗方法詳見《土工合成材料測試規程》（SL 235—2012）[3]。具體檢測項目、對應方法等見表3 所例，材料試驗委托上海勘測設計研究院有限公司土工合成材料檢測中心開展。圖1 為生態袋材料試驗現場之實景。

圖1 生態袋材料試驗現場之實景

表2 生態袋采購樣品表

表3 生態袋關鍵材料參數檢測表

2 生態袋材料試驗數據及分析

2.1 材料試驗數據成果

通過上述材料試驗，共獲得75 組關鍵材料參數（除橫/ 縱向強度保持率數據外），以及40 組橫/ 縱向強度保持率參數，限于篇幅表4 僅列出其中10 組材料參數。

表4 生態袋關鍵材料參數試驗部分數據一覽表

2.2 生態袋材料試驗數據概率統計分析

首先，按照常規土工合成材料檢測試驗的要求，通過計算得到關鍵材料參數的統計學意義上的算術平均值、標準差和變異系數，計算公式見式（1）～ 式（3），計算結果見表5 所列。

表5 生態袋材料性能試驗數據一覽表

算術平均值：

標準差：

式中：n 為試樣數量；xi為第i 試樣的測試值；為n塊試樣測試值的算術平均值（簡稱平均值）；σ 為標準差；CV為變異系數。

從表5 所列數據可以看出：在目前尚未建立統一生態袋生產技術標準的前提下，生態袋的關鍵材料參數生產標準呈現出局部上的有序性和總體上的不穩定性，亟需具有統一標準的規范。

其次，通過利用數據分析軟件Origin 進行繪圖，再根據數值分布情況選取適合的概率統計模型進行擬合。經分析，各項材料參數的試驗數據基本符合正態分布模型，故選取Gauss 正態分布函數數值模型進行非線性曲線擬合。Gauss 數值模型見式（4），曲線及參數意義見圖2 所示。

圖2 Ga us s 正態分布函數曲線模型及參數意義曲線圖

（1）單位面積質量試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：163.7 g·m-2），圖3 為單位面積質量試驗數據擬合曲線圖。

圖3 單位面積質量試驗數據擬合曲線圖（單位：g/m2）

（2）縱向拉伸強度試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：13.2 kN/m），圖4 為縱向拉伸強度試驗數據擬合曲線圖。

圖4 縱向拉伸強度試驗數據擬合曲線圖（單位：kN/m）

（3）橫向拉伸強度試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：14.2 kN/m），圖5 為橫向拉伸強度試驗數據擬合曲線圖。

圖5 橫向拉伸強度試驗數據擬合曲線圖(單位：kN/m)

（4）縱向伸長率試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：43.9 %），圖6 為縱向伸長率試驗數據擬合曲線圖。

圖6 縱向伸長率試驗數據擬合曲線圖（單位：%）

（5）橫向伸長率試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：64.1 %），圖7 為橫向伸長率試驗數據擬合曲線圖。

圖7 橫向伸長率試驗數據擬合曲線圖（單位：%）

（6）縱向梯形撕裂強度試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：0.38 kN），圖8 為縱向梯形撕裂強度試驗數據擬合曲線圖。

圖8 縱向梯形撕裂強度試驗數據擬合曲線圖（單位：kN）

（7）橫向梯形撕裂強度試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：0.34 kN），圖9 為橫向梯形撕裂強度試驗數據擬合曲線圖。

圖9 橫向梯形撕裂強度試驗數據擬合曲線圖（單位：kN）

（8）CBR 頂破強度試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：2.21 kN），圖10 為CBR 頂破強度試驗數據擬合曲線圖。

圖10 CBR 頂破強度試驗數據擬合曲線圖（單位：kN）

（9）垂直滲透系數試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：0.46 cm/s），圖11 為垂直滲透系數試驗數據擬合曲線圖。

圖11 垂直滲透系數試驗數據擬合曲線圖（單位：cm/s）

（10）等效孔徑O90試驗數據概率統計分析結果（95%保證率閾值：0.2 mm），圖12 為等效孔徑O90試驗數據擬合曲線圖。

圖12 等效孔徑O90 試驗數據擬合曲線圖（單位：mm）

（11）縱向強度保持率試驗數據概率統計分析結果（95 %保證率閾值：98 %），圖13 為縱向強度保持率試驗數據擬合曲線圖。

圖13 縱向強度保持率試驗數據擬合曲線圖（單位：%）

（12）橫向強度保持率試驗數據概率統計分析結果（95 %保證率閾值：98 %），圖14 為橫向強度保持率試驗數據擬合曲線圖。

圖14 橫向強度保持率試驗數據擬合曲線圖（單位：%）

2.3 生態袋材料推薦參數

依據上述概率統計分析結果，可以得到目前應用于上海市生態護岸建設中生態袋材料的各關鍵材料參數的概率密度函數及95 %保證率的閾值。現結合《上海市河道生態治理設計指南（試行）》推薦標準，特提出如下生態袋材料關鍵參數指標推薦值（見表6）。

表6 上海市生態護岸建設中生態袋材料關鍵參數指標推薦值一覽表

3 結論

從已在上海市護岸工程建設中應用過的生態袋供應商處采購試驗樣品，委托上海勘測設計研究院有限公司土工合成材料檢測中心開展了材料試驗，獲得了大量的試驗數據。然后應用概率統計學原理，以Gauss 分布函數數值模型為基礎，通過origin 數據擬合軟件對生態袋材料的性能檢測數據進行擬合，得出了各關鍵材料參數滿足95%保證率的指標閾值，然后結合《上海市河道生態治理設計指南（試行）》提出了生態袋關鍵材料參數的指標推薦值。其成果可為上海市生態袋護坡的設計、施工、質檢提供技術支撐。此研究成果亦可為國內生態袋產品指標提供參考。