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德州泰合土工材料工程有限公司
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土工合成材料在水运工程中的应用

随着土工合成材料在铁道、水利、交通、市政、海岸防护和隧道等工程领域中的广泛应用,江苏省交通水运工程中也较早地应用了它,1985年,我院首先在通沙汽渡板桩码头工程中应 用了土工织物,为防止汽渡船的螺旋桨动力产生的水流往复冲刷作用所产生板桩前后砂石 填料逐渐被淘空,防止码头面层下沉与空洞,在板桩前后铺设大面积无纺透水土工布,并包 裹块石或在其上抛以块石,12年来码头使用一直工作正常,取得了满意的效果(该工程曾先 后分别被交通部评为部三等和江苏省二等优秀设计奖)。在船闸和航道工程中,无纺土工布和土工网的应用就更加广泛,它主要起反滤、加固地基、排水和护坡的综合效应。至于土工网垫, 则主要应用于软土地基加固处理,土工织物与塑料排水板的联合应用在码头工程中也是用作 地基处理和起保护护坡的作用。土工合成材料在码头、航道、船闸等水运工程中的实际应用 ,尤其是近年来苏南运河整治工程的应用,充分体现其良好的经济效益和使用价值。

1 港口工程

1.1 江都港堆场软土加固工程(土工网的应用)
江都港为长江的综合性港口,它位于长江下游扬中河段北岸的夹江河滩上,近期建设包括一个5000t级件杂货泊货和两个500t级中转内河泊位码头。
江都港后方堆场是布置在沿江大堤处宽阔的冲积平原上,陆域总面积为4.56万m2,其地表为全新松散的河流沉积物,上层为河漫滩相,下层为河床相,沿江相对高程在3.0m左右( 黄海高程,以下同),其中分布有较多的鱼塘和水沟。根据洪水位情况,确定陆域高程为6.0 m。吹填高程为5.5m 。吹填料是采用泥浆泵把沿码头位置处江面下的粉细砂(土层颗粒多为0.08~0.25mm之间,并夹少量淤泥质粘土)吹填而成,该土呈灰黄色松散饱和状态 ,属于高压缩性易液化土体。
为了节省工程的投资,经比较论证,选用施工方便和快速的CE131土工网对粉细砂软基进行处理,该土工网是以热塑性树脂为原料,采用高温挤出拉伸工艺精制而成。CE131的物理力学指标见表1。
土工网加固地基的机理是,通过在地基表层铺设具有一定刚度和抗拉强度,并能适应地基变形的土工网,再在土工网上铺设一定厚度的山皮石,使土工网与地基结合在一起,利用其抗 拉性能起到支承荷载和扩散的作用,增加了地基的抗剪强度,以此防止了软弱地基产生过大 或陈文辽张正敖:土工合成材料在水运工程中的应用 不均匀沉降和侧向变位的情况(见图1)。

表1
 

形状 片材 宽度 2.5m 网孔 27×27mm
网厚 5.2mm 单位面积质量 660g/m2
原料 HDPE 最大抗拉强度 6.8kN/m
最大负荷伸长率 16.5%
10%伸长率时的荷载 5.4kN 肖氏硬度 67
断裂伸长率 62.5% 最大应变时的抗弯强度 35M N/m2
维卡软化点 127°C 冲击强度 13.2kJ/m2
抗拉冲击强度 400kJ/m2

图1 网状土工织物垫层示意图

 考虑到投资的可能性,码头堆场地基近期要求承载力在120~150kPa左右,所以仅采用一层土工网,直接铺设在吹填粉细砂上(每块网之间用20cm的搭接长度),网上铺填15~20c m的山皮道渣(含碎石量约为60%,含土量为40%左右),然后用重型机械反复碾压达到密实。 为确保压实效果,同时要对该土层进行排水,降低地下水位,以防止饱和细砂产生液化现象 ,施工期的压实沉降量为10cm左右。
建成的堆场不仅能满足设计荷载要求,而且经过10~15t装载汽车使用的考验,得到使用单位的好评。考虑今后堆场上部荷载较大,如集装箱码头以及道路工程需要,可在上述软基加固的方案上,增设一层CE131土工网以及厚15cm的山皮石或道渣石,通过多次重碾压实,从 局部试验资料表明,承载力可提高一倍。
1.2 镇江大港木材码头护岸软基加固(塑料排水板与土工布的联合应用)
 该工程是一座江苏省物资公司木材水陆运输中转码头,它包括前沿建设2000t级船 舶的装卸码头与后方陆库堆场,堆场总面积有5000m2,均是利用回填长江堤外漫滩的 水域场地。因库场受下游马鞍矶回流区的水流影响,漫滩的最大软土厚度有10m之深,该土 层物理力学性质指标较差,含水量40%~50%,空隙比与液性指数均>1,属于偏高压缩性软 粘土,土质透水性差,承载力较低,为保证陆库与长江江堤边坡的稳定,确保已施工高桩

图2 塑料排水板布置剖面图

码头桩基与引桥的安全,设计中首先 在1期围堰施工前,先在滩面铺设50cm厚的砂垫层,然后各垫上600g/m2维涤纶各50% 的针刺无纺土工布,最后填土筑堤;在I期围堰合拢后, 在堰内抽干积水,沿码头深度方向采用长度10m的塑料带排水(见图2)。根据经费的可能以 及本着加固大堤的目的,故采用三种间距(30、45、56m)进行布置。
 这种软土地基处理方案,主要是通过土堤的自重进行预压,利用塑料板良好的垂直透水功能,降低淤积土的空隙水量,加速地基固结,提高土层的物理力学性能,防止江堤下部地基上抬的趋势,增加了地基的承载力与抗剪能力;堤下土工布与砂垫层的作用是起横向排水通道的作用,加快了土体的固结;由于塑料排水带尚具有足够的湿润抗拉强度和抗弯能力,对减少因回填土引起整体土基的侧向变位、控制土体变形和对已施工码头桩基的安全是十分有利 的。在围堰外坡面内设置的土工布垫层(采用400g/m2针刺无纺布),其作用起排水保 土反滤固坡和抵御波浪双向水流对堤坡的冲刷作用,从而保证了坡面的稳定(坡面上部压坡 采用边长50×50cm、厚15cm的20#混凝土预制板)。
 为了保证按平面问题手算与平面有限元分析的结果,沿码头顺岸布置三个断面对空隙水压力 、沉降(深层与地表)、水平位移(包括桩的倾斜)以及整体稳定性进行观察,从监测的历时沉 降、位移曲线表明,总体沉降基本稳定在45~60cm;水平位移在±10~20cm范围,并随 时间(两个多月)位移逐步稳定;基底土工布的最大拉力为7kN/m;这些数值与理论计算 值误差在10%范围之内,较为接近,按条分法计算土坡稳定的系数为1.06。经过1991年特大 洪峰对岸坡冲击的影响,码头整体保持稳定,坡面保持基本良好,受到用户高度赞赏。

2 航道工程

2.1 苏南运河无锡西段护坡工程(化纤模袋布的应用)
 根据苏南运河总体设计的原则,以四级航道标准进行设计,并考虑三级标准规划,可通航千吨级船舶;在沿线集镇段整治采用半直立式驳岸结构形式,而在农村段航道为斜坡式护坡, 为防止水土流失和经受船行波的作用,沿线坡面一般采用了无纺土工布上覆混凝土(7~9c m厚的现浇或预制块混凝土)的护坡结构形式。在施工阶段,经建设单位向设计人员反映,本航段比较宽阔,如采用常规的混凝土护坡方案,则要先修筑围堰后施工,为减少修筑围堰 对船舶安全航行的影响,提出不筑围堰而在坡面上进行水下浇筑混凝土的模袋(法布)护坡 方案,后经设计调查研究,根据该段地形及土质情况,同意采用法布水下混凝土护坡结构( 见图3)。
无锡西段堤顶高程一般在5.2~5.7m,土质情况是:除地表0.5m为耕植壤土外,下部至河 床底均为黄灰色或灰黄色粘土或亚粘土,其主要物理力学指标值均为上限。经边坡整体稳定 (条分法)计算,可采用水下1∶2、水上1∶1的施工坡比进行开挖。混凝土浇筑(包括水下部 分)利用机织土工模袋作为柔性模板进行施工,该模袋采用高强化纤长丝机织而成,柔性机 织模袋能适应工程地形条件,并能保证混凝土由下而上填充成形,适应水上水下施工,不需 修筑围堰。在充填料未达到设计强度时,模袋面层能对水流与风(波)浪变化起到过渡性的保 护作用。

图3 土工模袋纵剖面布置图

 土工模袋的施工注意点:(1)关于土工模袋的纵向分段接头以及顶部压顶与基脚处理的方案。由于运河中水的流速较小,该段土质较好,且高度不大,分段模袋采用搭接方法,下 压0.4m宽的土工布;在基脚处进行水下清槽、挖沟深埋和固定压脚;顶部端头为防止雨淋 水渗或其它可能产生的机械性位移,必须采取压顶(≥0.5m)措施。(2)护坡泄水孔设置于坡 面3.6m高程处,其施工是与模袋的高压喷灌混凝土同步进行,塑料管内填塞化纤透水材料 。模袋内采用泵车自下而上从灌口喷送灌15#小石子(瓜子片)混凝土(坍落度15~20cm )。
 土工模具有占地少、开挖土方量少的特点,对于经受船舶冲撞而言,它比斜坡式混凝土铺板(或灌砌)护坡的抗损能力强,可减少修筑围堰的费用,且有利于施工期通航,以整体造价来 说,比浆砌块石墙造价要省10%~15%。
2.2 吴江市三里桥驳岸软基处理(土工网格与有纺土工布应用)
 苏南运河流经苏州吴江市进入浙江省,该段航道地貌属长江下游平原水网地区,地质属新构造运动沉降区,第四系沉积较厚,其浅部以湖~沼相沉积为主,故淤泥质粘土相当发育,厚 度大,埋藏浅。吴江三里桥软土段,土质表层为0.5m左右的耕植土,其下为灰黄色的亚粘 土土层,层厚2.0~3.5m;中等压缩性灰黄色亚粘土的下部为灰色淤泥含量大腐植物,局部 并夹有泥炭层带粉细砂,含水量较高,高压缩呈流塑状态。土质甚差,允许承载力仅为30~ 50kPa。
 三里桥集镇段采用了半直立式驳岸结构方案,由于地处平原水网地区,水位变幅很小, 驳岸的建筑高度仅为3.4m,但地基受力仍超过允许承载力,要求选择既经济又方便的施工 方案,设计中考虑一方面加强开挖基础的排水设施,另一方面按软土深度和物理力学指标的差异 ,采用不同的地基处理方案(包括不同长度的木桩加固地基的方案),这里仅介绍试验段运用 土工材料的加固方案,对于基础以下有2~3m厚度的软土地基(W0≤50%;Ip=0.95~1.20)采用一层CE131木工网格或LDHF-1防滑有纺布方案,厚度较大,物理力学指标较低的软 土地基段基础,采用2层土工网格方案(见图4),上述两方案使用固结快剪指标进行整体圆弧 滑动计算,其抗滑安全系数为1.02。

图4 驳岸地基运用土工网断面

由于抗滑安全系数较低,实施中必须控制施工速度,对墙身砌筑与回填土进行分层逐级加载(60d完成压顶混凝土浇注和墙后回填土),并对底板进行墙身沉降、变形观测,以控制施 工速度和检验设计成果。
 该方案的特点是通过逐级加载压实,不断加速基础下土体的排水,提高其固结度,防止施工期基础的破损,同时通过土工聚合材料具有较好的扩散(受拉)性能,提高了基础的承载力。
 两试验段(各30m长)施工后,检查底板顶面沉降的最大值为45mm(两层土工网),在墙身竣工后15d沉降基本稳定,沉降值为3~5mm,沉降速率接近于零,检查墙身未见侧向位移,使用一年后也未见墙身发生变形(墙前的水下方按设计要求挖除),说明处理方案是成功的。该方案的造价比采用碎石桩或粉喷桩加固地基节省10%以上,而且施工方便。
2.3 镇江丹阳陵口航道(无纺土工布)
 在苏南运河丹阳陵口航道的“难工河段”整治中,设计人员针对该段航道地质以极细砂为主,且夹有亚粘土、泥炭、淤泥和杂填土等多种土质互层的第四层系全新统(Q4)现代沉积 层 的情况,针对粉砂土,选取了在临河边采用轻型井点排水以降低地下水的施工方法,设计采 用400g/m2规格的土工布,其厚度3.5m,断裂强度(N)/5cm ≥600N,伸长率≥80%,梯形 撕裂强度(N)≥400N,圆珠顶破强度(N)≥900N,O95≤0.1mm,渗透系数≥5×10-2,土工布的空隙率为90%,经过施工,应用土工布比传统的砂石滤层单位造 价节省15%~20%,本工程共耗用土工布76.7万m2,合计节约投资约70万元,现已交付使用 6~7年,不仅经济效益显著,而且工程质量也优良,是我国内河航道使用土工织物最多的航 段之一。图5为该航段标准断面使用土工布的布置图。

图5 无纺土工布在丹阳陵口航道中的应用

与传统的砂石滤层相比,土工织物除了“透水”、“保砂”的作用外,还具有“固坡”的特点,即土工织物将土质坡面捆成一个整体,防止护坡坍塌,起到比较重要的作用。

3 船闸工程

无论在船闸的引航道护坡工程还是在其闸墙后的排水设施中,土工织物都是主要起反滤和排水作用,土工织物的反滤作用不是直接依靠它自身的多孔结构,实际上,当单向水流流过时 ,土体内部分的极细土颗粒仍然会流失,其水质浑浊,但经过一段时间后,水质逐渐变清晰 ,邻近未流失的较粗土粒自行架空,形成了“天然的级配滤层”,说明此被保护土体内的细 颗粒不再流失,达到平衡状态,土工织物起到了滤层的作用;对于波动水流(往复水流)冲击 护面的情况,波峰及波谷的压力绝然相反,不论产生何种压力,土工织物都得具有一定的厚 度作滤层,才能保护住土坡或在波动压力下不致发生土体变形。
 

土工织物的滤层标准应为:
Oed85<1(保砂性要求)
Oed15>1或KgKs>100(透水性要求)
式中:Oe--土工织物的有效孔眼尺寸;
d15、d85--土的粒径、小于该粒径的土的质量分 别占土总质量的15%和85%;
Kg、Ks--分别为土工织物和土的渗透系数。
 土工织物倘若还需承担排水作用(除反滤作用外),则还需检验织物的透水能力。即先按适当方式估算所需的排水量,由此计算要求土的透水率ψr,将它与土工织物的透水率ψa作比 较,只有当ψa>ψr,织物才是适用的。
 用作滤层及排水的土工织物,虽不要求承担建筑物等外加荷载,但应能安全经受住施工等应力,美国AASHO-AGC-ARTBA曾提出有关土工织物强度的要求见表2。
3.1 京杭运河邵伯复线船闸工程(无纺土工布的应用)
 该闸闸室墙为轻型扶壁式结构。在闸室墙的分段接头处,墙的总厚度仅为60cm,当布置铜片止水装置后,两侧的净厚度均<20cm,由于紫铜片止水槽的活动端采用现场浇灌沥青, 而沥青又受温度的影响,往往发生不密的现象,致使墙后水土由槽内流入墙前,按以往的设 计只能加大接头的厚度,这次由于在墙后的迎土面上加铺了60cm宽(两侧墙各30cm)的400g/ m2的无纺土工布,即起到了滤层作用,也消除了水土流失(见图6)。

土工织物用于反滤及排水时强度的最低要求 表2

要求强度 未保护土工织物 受保护土工织物
握持强度(ASTM D-1682) 820N(910) 370N(410)
刺破强度(ASTM D-751-68) 370N(370) 120N(190)
胀破强度(ASTM D-751-68) 200kPa(2300) 1000kPa(1100)
梯形强度(ASTM D-1117) 230N(230) 120N(140)
破坏应变(ASTM D-1682) (20%) (20%)


注:1.受保护土工织物是指其用于排水沟放在混凝土块之下或铺在细砂砾层之下的情况;
 2.括号内数字为防护工程中土工织物的最低强度指标,因为在防护工程中, 除了经受施工荷载和自重作用
外,织物也需抵抗地基及坡面变形以及水流、波浪冲击引起的荷载。

图6 无纺土工布在邵伯船闸中的应用

3.2 南通九圩港船闸及刘山复线船闸工程
 南通九圩港船闸闸室墙后的排水暗管是为了降低墙后的地下水位,确保墙体在完建期和检修期安全的重要措施。为适应墙后回填土的变形,船闸闸室墙后的软体排水结构采用了50的PVC聚氯乙烯双螺纹透水管外包一层400g/m2规格的无纺土工布作为支管集水,而在500×400的排水棱体中应用了500g/m2规格的无纺土工布做包体,中间设3根50透水管作为集水 的主管,螺纹管与排水棱体的连接段使用了一种手工制作的土工布套,为的是防止排水棱体 外的土颗粒穿过螺纹管与土工布之间的空隙而带入排水体中,造成排水设施失效,土工布套 与土工布滤层密贴,提高了渗水保砂的效果,土工布搭接的长度为300mm(见图7)。

图7 土工布在高通九圩港船闸闸室墙后排水中的运用

南通九圩港船闸中应用土工布的包层达1380m2。由于排水体能适应新填土的变形,使用可靠安全。
 刘山复线船闸闸室墙后设置的软式排水管中使用的聚氯乙烯(PVC),这种第三代软式加劲透 水管的应用(见图8),可以达到强化透水的效果,加强管体结构,增强过滤功能,使各种细 石、粘土、细砂土、有机物质皆能过滤,让吸水、透水、排水一气呵成,达到排放洁水的目 的,同时该管施工简便,接头处理安全可靠,受到施工与使用单位的好评并能适应填土的不 均 匀沉降。

 

 按照水力学计算,支管的内径为5cm,横向间距为10cm,主管为15cm,该管由于采用高强小弹簧硬钢丝作为主骨架,且钢丝外包裹PVC(聚氯乙烯)作保护,不仅能承受高强压力,埋土可较深,能适应回填土产生较大的不均匀沉降,且不受地下水浸蚀与锈蚀的影响, 另外管衬上的各种不同功能的滤布及加强合成纤维,过滤及透水效果显著。
3.3 高良涧复线船闸工程
 高良涧复线船闸的上游面临洪泽湖,风浪大的几率很高。为此,上游设置了500m长的防浪堤,在防浪堤的护坡下设有土工织物垫层,其上现浇20#的混凝土,土工织物采用400g/ m2规格。 防浪堤的混凝土护面下的土工织物拼缝的搭接长度不小于10cm,堤头部分的拼缝搭接长度 不小于100cm,其余部分的拼缝搭接长度不小于50cm,每次缝合时必缝合两道。连同上 下游引航道护坡的土工织物用量在内,全闸用量达12.6万m2,高良涧复线船闸上下游引 航道护坡中铺设土工布的情况见图9。

图9

根据美国陆军兵团1977年的标准,防止管涌及堵塞的标准为:
防止管涌:EOS≤D85 b(适用于小于0.074mm颗粒含量<50%);防止堵塞:EOS≮0.149mm。
 EOS为等效孔径,其值相当于O95或O98。
如在船闸工程的防浪堤及引航道中,因为土工织物均铺设于迎水面,应使用混凝土或块石覆盖,以便吸收风浪的能量,避免由于周期波浪压力的抽吸作用,使土工织物下方的块石及土 粒产生土粒移动,以致土工织物失去作用。
 由于目前土工材料种类繁多,且新产品不断涌现,使用范围日益广泛,作者在实践中体会到,在使用各种土工材料时,一方面要吃准土工材料的技术指标与功能范围,另一方面要重视 应用条件,为此,在材料到达工地时,要进行必要的抽样检验,确认土工材料的各项技术性 能是否符合要求,以避免出现工程质量事故和不必要的经济损失;在条件许可的地方,进行 一些工程中土工材料的实测,以便积累经验数据,为今后经济合理地应用土工合成材料创造 有利的条件。


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