土工布袋圍堰安裝過程及沉降分析

于懷遠，陳浩然，孔慶華，李崢

（北京城建集團有限責任公司，北京 100088）

1 引言

海岸防侵蝕措施一直在不斷更新發展，土工布袋越來越多地應用在圍墾灘涂、防止河水侵蝕的相關工程中，并且在河口河岸位置的工程中居多。其中，土工布袋圍堰主要是在河岸邊用填滿土的布袋形成圍堰。本文討論了土工布袋圍堰工程中土工布袋的設計及施工過程，記錄了土工布袋的沉降以及形變。

2 土工布袋設計

2.1 土工布袋設計方法

根據以往的研究，關于土工布袋臨時圍堰的設計規范或參考資料有不確定的情況，并且關于泥質沿海土工布袋臨時圍堰形變與位移的長期監測和數值分析的文獻不足?，F有的研究大多采用數學模型模擬和理論數值分析的方法，重點關注土工布袋的內部穩定性，而未考慮水動力和可變形基礎對土工布袋的影響，但這兩者都是影響土工布袋外部穩定性的主要因素。

以往其他研究是將土工布袋的設計通過橢圓積分估算為管狀土工布袋（見圖1）。根據周長、壓力方向、與基礎的接觸的長度以及土工布袋填充后的高度和寬度，采用微分方程計算基于設計高度和靜水壓力的結構形狀[1，2]。隨著技術的進步，一些研究人員模擬了土工布袋在不同條件下的狀態，例如，采用有限元法模擬了堆疊土工布袋的固結過程，對填充幾種不同密度材料的土工布袋進行了有限元分析。其報告中生成了不飽和無紡織土工布袋設計的有限元分析結果，利用有限元模型分析模擬了用于沙灘保護的土工布袋的最佳形狀。

圖1 常規研究下所模擬土工布袋在剛性地面上的形狀

雖然，上述方法提供了土工布袋的應用方法與措施，但這些方法大多未考慮水動力，其主要原因是這些土工布袋沒有被用作臨時圍堰。除此之外，土工布袋底部基礎通常被建模為剛體，這并不滿足可變形的泥質基礎的特征。而實際土工布袋會在柔性地面上產生微小的形變（見圖2）。

圖2 土工布袋在柔性地面上產生的形變

2.2 土工布袋設計需考慮的因素

在許多對于土工布袋狀模型的數值研究中，為了簡化模型，忽略了土工布袋基礎的柔性特征。而在真實環境下，大多數沿河或沿海土壤成分并不均勻，而且其承載力較低。在軟弱地基上進行河岸防護結構施工會導致過度沉降，以及上部圍堰結構破壞。因此，如果直接假設土工布袋下為剛性基礎，會誤判土工布袋圍堰施工完成以后的完整性和使用性能。這就說明在設計階段所需數值模型中，需要采用實地測量的地基參數。此外，土工布袋被放置在河流沿岸，并受到高強度的波浪沖擊。施加在土工布袋上的水動力可以通過以下方程計算[3]：

式中，Fhp為水動力，kPa；β 為與土工布袋高度、波浪高度和原始水平面標高有關的經驗系數；γw為河水的重度，kN/m3；H為土工布袋的高度，m。

對于土工布袋填充設計結構的高度以及填充后需要增加結構的基礎寬度，需要同時考慮。因為充填百分比較低會導致袋內的砂遷移，使土工布袋變形。低填充率也可能產生土工織物的機械磨損，這是由于波浪產生的載荷對袋內的材料進行推動，這將減少土工布袋的壽命。同時較高的填充百分比也減少了因波浪產生的荷載導致的土工布袋內部砂粒頻繁移位。因此，一般認為根據橫截面積計算的填充率為80%時，是土工布袋可填充的實際最大值。

3 孟加拉海事大學圍堰項目案例分析

3.1 項目背景

擬建場地地貌形態為河漫灘沼澤，場地四周已經用土堤將其與河水隔開，場地初期整體地勢較平整，些許低洼處有積水，植被以雜草為主，間有灌木，河流水系豐富。本項目重點研究如何通過土工布袋臨時圍堰減少河流的沖擊，保護河岸。為了加固土地，設計人員在河岸附近設計的臨時圍堰由設計標高為3 m 的土工布袋以及上部回填沙層組成。選用的土工布袋材料由為400 g/m2的機制土工布和200 g/m2的無紡土工布復合而成。土工布袋經緯向強度均約為40 kN/m2。每個土工布袋長20 m，橫截面周長4 m，其厚度為1.67 mm。土工布袋內填充附近河底采集的疏浚砂，在進行篩分實驗后取得顆粒度報告中顯示99%的疏浚砂為細沙，主要為0.23 mm 的細沙，占總體的73.37%，剩余1%為粉沙。

3.2 土工布袋安裝流程

用于沿海和河流應用的土工布袋通常用砂泵進行液壓填充。從土工布袋的一端插入泵送導管進行填充。在填充之前將土工布袋放置在預定設計位置。首先，土工布袋兩端的填充口一端用于泵入砂水混合物，另一端用于泄壓和排水。而中間的填充口被暫時關閉。填充完成后，將端口套筒縫合，并附著在土工布袋上，以防止沙子流失和套筒被波浪移動。具體流程如下：

通過GPS 放坡腳線，竹竿標記→挖掘淤泥并填補少量沙土、平整土工布袋的接觸面→粗壯樹干固定土工布袋防止位移→鋪設土工布袋，引導柱固定布袋邊緣→水泵、運沙船就位→柔性管連接吹沙專用水泵→水泵連接船艙→將沙水按合適比例且一般為7∶3，準備將沙水混合泵送→柔性管連接土工布袋內→開泵控制進給量→工人踩踏均勻充填布袋使其均勻填充→切換灌裝位置→等待水排干后，對空隙進行補填→填滿后縫合土工布袋填充管。

3.3 測量記錄

現場測量在試點項目現場對土工布袋臨時圍堰的位移和變形以及泥質地基的沉降進行測量。第一次測量是在土工布袋臨時圍堰填充完成后立即進行的，并在整個研究過程中作為基準。第二次現場測量在土工布袋施工后一周進行，隨后的測量每2 個月進行一次，持續一年。為了在現場便于長期監測反光條，這些標記的坐標由附近設置的原始基準點的坐標導出，保證了測量記錄的準確性。監測過程利用全站測量設備和無人機航拍觀察在河水低潮期間測土工布袋的位移、變形和地基的沉降。反射膠帶目標附著在土工布袋表面作為測量標記。共12 個標記附著在4 個土工布袋上，每個土工布袋由3 組放置在結構兩端和中間的標記組成。每組標記由3 個標記組成，分別在結構的頂部、中間和底部，如圖3 所示。

圖3 現場土工布袋標高及位移測量方法

3.4 觀測結果及分析

經過現場測量填充后的土工布袋實際高度約為0.8 m，寬為1.25 m。測土土工布袋的高度由測土工布袋上頂部和底部標記之間的平均距離得出?，F場監測顯示，土工布袋施工一周后，土工布袋高度平均降低了0.07 m。觀測到土工布袋高度的降低主要是由于填充材料的自密實導致土工布袋的形狀變得扁平。這也是因為所選用滲透性良好的疏浚沙作為填充土工布袋的材料，可以允許水快速從土工布袋中流出，同時保留袋內的沉積下來的沙子[4]。因此，早期土工布袋高度的降低主要是由于沉積物間的間隙變小。隨后的測量表明，土工布袋高度減少不再顯著，根據現場實測記錄，1 年內土工布袋的高度共減少0.075 m。觀測底部反光條標高變化的過程是記錄水動力引起的淤泥為主體的柔性基礎沉降。土工布袋施工一周后，平均基礎沉降量為0.009 m。而最終獲得的測量結果表明，平均總地基沉降量為0.030 m。1 年后，沒有發現進一步的地基沉降，因此，對于基礎沉降的影響在初期相對較小。

土工布袋頂部標記物的最終海拔較初始海拔平均降低0.114 m。其早期土工布整體結構高度的降低占整體結構的66%，土工布袋高度的變化主要是由于水從土工布袋流出后，填料變成餅狀后導致的。結構高度的進一步降低（約34%）主要是由于對土工布袋防波堤的長期水動力影響造成的基礎沉降。除了垂直變形外，還測量了橫向位移。施工后一周測量顯示土工布袋水平位移為0.02 m。土工布袋的初始水平位移主要是由于填料形成餅狀時土工布袋的水平膨脹，并引起土工布袋形狀的變化。土工布袋防波堤的橫向位移不顯著，表明土工布袋對滑動運動具有足夠的穩定性。

4 結語

本研究對土工布袋臨時圍堰在作為泥灘護岸過程中的變形和沉降進行了現場測量和數值分析，在結構變形和基礎沉降方面對現場測量和數值結果進行了比較，得出以下結論：

1）在安裝土工布袋前，要深入了解沉降條件，防止由于過度位移和基礎沉降而導致結構失效。

2）在初步研究和數值分析的基礎上，可以對土工布袋的方向、布置或設計進行優化。泥質海岸的淤泥、細沙比例較高與沙灘相比，不具有較高的基質強度。因此，泥濘海岸的海岸防御結構在一定時間后可能會經歷不同的沉降。