劉 旺 喜

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

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三維復(fù)合排水墊在航道護(hù)岸工程中的應(yīng)用研究

劉 旺 喜

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

針對(duì)不良地質(zhì)條件下傳統(tǒng)砂石反濾結(jié)構(gòu)反濾性能不足的問題，提出采用三維復(fù)合排水墊的新型排水反濾結(jié)構(gòu)，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了其排水性、反濾性和耐久性等參數(shù)。結(jié)合長江中游湖廣-羅湖洲河段航道整治工程應(yīng)用實(shí)踐，分析了三維復(fù)合排水墊的效果及應(yīng)用條件和特點(diǎn)，可為同類工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

航道工程；三維復(fù)合排水墊；航道整治；護(hù)岸工程

0 引 言

長江作為我國第一大河流，是全國內(nèi)河航運(yùn)最重要的水運(yùn)主通道，水運(yùn)條件十分優(yōu)越。長江水道是連接我國東、中、西部地區(qū)的重要紐帶，是長江沿江經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展的重要支撐，更是推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的重要依托。“十二五”期間，提出要將長江航道建成暢通、高效、平安、綠色現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，長江干線多個(gè)河段開展了航道建設(shè)工程。

長江中下游河段一直是長江航道重點(diǎn)整治對(duì)象。因河床、河岸組成物質(zhì)抗沖性能較差，河道沖淤演變頻繁，導(dǎo)致河勢(shì)易發(fā)生改變，航道難以穩(wěn)定。在這些河段的航道整治工程中，常用護(hù)岸來保護(hù)河岸或者洲灘，而護(hù)岸建筑物的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇是航道整治工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于護(hù)岸工程，滲流是導(dǎo)致岸坡?lián)p壞的重要因素之一，岸坡的滲透破壞是從滲流出口開始，向岸坡內(nèi)部發(fā)展，最后形成滲流破壞而導(dǎo)致失事。因此保護(hù)滲流出口不遭到滲流破壞，是保證滲流穩(wěn)定的主要途徑[1]。J．L．Sheard[2]提出：“當(dāng)前防止土石壩滲透破壞的首道防線應(yīng)是反濾層”。這是因?yàn)榉礊V層能充分發(fā)揮“濾土”和“排水”作用。“濾土”能夠防止顆粒流失，保障被保護(hù)土層不發(fā)生管涌、流土等有害的滲透變形，同時(shí)能夠阻止被保護(hù)土顆粒進(jìn)入反濾層，引起濾層淤塞；“排水”是能夠使進(jìn)入反濾層的滲透水排走，滲透水壓力全部或大部分消失，從而達(dá)到滲透穩(wěn)定的目的。太沙基等[3]于1922年提出著名的用反濾層防止土體滲透破壞的理論和濾層原則，該理論的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)反濾層提供了具體方法。20世紀(jì)七八十年代及以后，許多學(xué)者針對(duì)太沙基準(zhǔn)則不宜用于寬級(jí)配土料的限制，通過實(shí)驗(yàn)研究提出了一些新的濾層準(zhǔn)則。郭慶國等[4]詳細(xì)介紹了被保護(hù)土的分析方法及濾層準(zhǔn)則的研究及應(yīng)用等，并就砂石濾層的材料質(zhì)量、填筑寬度、壓實(shí)要求、防止分離、污染及施工方法等問題進(jìn)行了探討[5]。程琨等[6]根據(jù)反濾層“濾土”和“排水”功能，對(duì)反濾層的構(gòu)造、設(shè)計(jì)方法等方面做了較為系統(tǒng)的探討。曾亞東等[7]在淮河航道治理中探討了單層聚丙烯編織布加筋而成的土工布在細(xì)沙航道整治中作為鉸鏈排排墊反濾與抗沖作用。

在長江中下游河道治理的岸坡反濾大多采用傳統(tǒng)砂石反濾層結(jié)構(gòu)型式，即以黃砂和碎石為主進(jìn)行反濾排水的結(jié)構(gòu)，在一定程度起到排水反濾作用。但是，當(dāng)出水點(diǎn)偏高，浸潤線抬高過多時(shí)，若發(fā)展嚴(yán)重，超出安全滲流限度，即可能導(dǎo)致土體發(fā)生滲透變形，使得岸坡出現(xiàn)流土、陷坑或漏洞，甚至出現(xiàn)滑坡或崩岸等險(xiǎn)情。長江中游碾子灣水道水上護(hù)坡工程竣工十年后，滲流嚴(yán)重部位多處出現(xiàn)鼓包或塌陷現(xiàn)象(圖1)，大大增加了后期維護(hù)成本。付貴海[8]提出用無砂混凝土作反濾層的想法。無砂混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一種多孔混凝土，它不含細(xì)骨料，由粗骨料表面包覆薄層水泥漿相互黏結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。陳志強(qiáng)等[9]對(duì)混凝土劈離砌塊在內(nèi)河航道護(hù)岸工程中作為復(fù)合護(hù)面結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)材料方面進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和應(yīng)用研究。楊耀升[10]則提出用土工織物或土工復(fù)合材料代替或部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂石料進(jìn)行反濾和排水。

圖1 護(hù)坡滲流、鼓包現(xiàn)象Fig.1 Seepage, bulging phenomenon of the slope protection

盡管對(duì)于地質(zhì)條件較差的河段護(hù)岸工程的反濾和排水結(jié)構(gòu)研究較多，但是在實(shí)際工程中，現(xiàn)有理論及方法仍然存在不少的問題，從而導(dǎo)致護(hù)岸工程失敗。在新的形勢(shì)下，由于長江中下游大量航道建設(shè)工程正在開展，積極探索新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝是打造“暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系”中需要解決的問題。筆者針對(duì)不良地質(zhì)條件下傳統(tǒng)排水反濾措施中的不足，提出將三維復(fù)合排水墊用于航道護(hù)岸工程，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了其性能參數(shù)，并將其應(yīng)用于長江中游湖廣-羅湖洲河段航道整治工程實(shí)踐，取得了良好的效果。

1 三維復(fù)合排水墊簡介

土工合成材料的不斷發(fā)展，為工程問題的解決提供了更多的選擇。利用土工合成材料獨(dú)有的性能，并與實(shí)際工程情況相結(jié)合，用以改進(jìn)傳統(tǒng)方案中的某些不足，已成為當(dāng)前工程領(lǐng)域的一種趨勢(shì)?；谶@種思路，通過總結(jié)分析長江中下游護(hù)岸工程的實(shí)際情況，并研究對(duì)比各種可能適用的土工合成材料，最終決定在不良地質(zhì)條件下的岸坡采用馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發(fā)有限公司開發(fā)生產(chǎn)的三維復(fù)合排水墊替代傳統(tǒng)砂石排水反濾層。

三維復(fù)合排水墊是一種三維排水結(jié)構(gòu)，其由經(jīng)過特殊加工擠壓形成“W”型或“M”型三維聚丙烯網(wǎng)墊作為縱向全斷面排水通道，再與兩層針刺并經(jīng)熱處理的無紡?fù)凉げ纪ㄟ^熱黏合而成的整體(圖2)。該結(jié)構(gòu)具有較好的分離、排水、過濾以及加固等功能，其材料組成、尺寸參數(shù)及主要的性能指標(biāo)見表1，其中：反濾層原材料為抗紫外線穩(wěn)定的聚丙烯，結(jié)構(gòu)為針刺并經(jīng)過熱處理的無紡?fù)凉げ?；排水芯材原材料為含炭素的、抗紫外線穩(wěn)定的聚丙烯，結(jié)構(gòu)為經(jīng)特殊擠壓作用形成“W”或“M”形排水結(jié)構(gòu)。盡管施工工藝或細(xì)部構(gòu)造與航道工程中有所區(qū)別，但其在建筑工程、道路工程、隧道管涵工程、垃圾填埋場(chǎng)等領(lǐng)域已有較為廣泛的應(yīng)用。

圖2 三維復(fù)合排水墊Fig.2 Three-dimensional composite drainage mat

主要指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值公差/%三維復(fù)合排水墊厚度/mmENISO9863-17.0+10單位重量/(g·m-2)ENISO9864660+10縱向拉伸強(qiáng)度/(kN·m-1)ENISO10319≥13—反濾層單位面積質(zhì)量/(g·m-2)ENISO9864105+15厚度/mmENISO9863-10.75+20等效孔徑/μmENISO12956100+26垂直滲透流量/(m-2·s)ENISO11058110-30CBR頂破強(qiáng)力/kNENISO122361.3+20

2 三維復(fù)合排水墊的性能測(cè)試分析

三維復(fù)合排水墊已在部分工程中開展了嘗試性應(yīng)用，對(duì)其部分特性、參數(shù)已有初步了解，但是其在大型航道工程中的應(yīng)用尚屬首次。為正確使用三維復(fù)合排水墊，以確保長江航道護(hù)岸工程反濾排水結(jié)構(gòu)的有效運(yùn)行，結(jié)合長江中游湖廣-羅湖洲河段航道整治工程西河鋪?zhàn)o(hù)岸的水文地質(zhì)條件，對(duì)其各方面的特性進(jìn)行全面的測(cè)試。

2.1 排水性能

三維復(fù)合排水墊由內(nèi)部排水芯板和外側(cè)無紡?fù)凉げ冀M成。其中，排水芯板主要用于集水、排水，同時(shí)還需滿足耐壓等要求。為了對(duì)比碎石排水層和三維復(fù)合排水墊的排水性能，針對(duì)兩者的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了排水性能的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)方案布置如圖3，保持注水量條件一致，一側(cè)設(shè)置碎石排水層，另一側(cè)設(shè)置三維復(fù)合排水墊，在其底部設(shè)置排水孔測(cè)量相同時(shí)間下的排水量。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)的排水率對(duì)比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Fig.3 The scheme design of the contrast test for the drainage rate with two structures

結(jié)果表明，7 mm厚三維復(fù)合排水墊與120 mm厚砂層組成的反濾層的排水速度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的150 mm厚碎石與120 mm厚砂層和無紡布組成的反濾層。

為了研究芯板所受法向荷載對(duì)導(dǎo)水率的影響，通過專門的導(dǎo)水率測(cè)試儀器——臥式通水能力測(cè)試儀詳細(xì)測(cè)量了三維復(fù)合排水墊施加不同荷載時(shí)相應(yīng)的導(dǎo)水率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，法向荷載不同，其縱向?qū)室膊煌?。這是因?yàn)樾景逶诔惺軌毫r(shí)，其過水通道將縮小，從而影響排水性能。優(yōu)良的排水芯板應(yīng)在承受較大法向荷載時(shí)仍能保證較高的縱向?qū)?。試?yàn)結(jié)果也表明，三維復(fù)合排水墊即使在承受較大法向荷載的情況下仍具有很好的排水性能。

2.2 反濾性能

無紡?fù)凉げ贾饕鸱礊V作用，即防止被保護(hù)土體流失從而引起滲透變形。首先，土工布要能有效防止土壤的流失，則其有效孔徑不宜過大；其次，土工布需要保證滲透水的通暢排除；最后，土工布還不能被細(xì)土顆粒淤堵失效。據(jù)此，反濾層需滿足以下條件：①保土性：O95≤nd85；②透水性：Kg≥AKs；③防淤堵性：GR≤ 3。

為達(dá)到上述要求，結(jié)合工程實(shí)踐區(qū)域的水文地質(zhì)條件，反濾層所采用的土工布的主要技術(shù)參數(shù)為：①等效孔徑：100±26 μm；②垂直滲透系數(shù)：2 mm/s；③單位克重：105±15 g/m2。

通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，三維復(fù)合排水墊采用的無紡布能夠滿足以上要求，具體測(cè)試結(jié)果見表2，測(cè)試結(jié)果與廠家性能指標(biāo)基本匹配。

表2 三維復(fù)合排水墊主要性能參數(shù)測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.3 耐久性

耐久性主要是指對(duì)紫外線輻射、溫度變化、化學(xué)與生物腐蝕、干濕變化、凍融變化等外界因素的抗御能力，主要取決于產(chǎn)品所采用的原料和使用的環(huán)境。三維復(fù)合排水墊的原料主要為聚丙烯和各種添加劑，聚丙烯本身抗紫外線輻射能力較差，但通過改變材料的配方，添加抗老化劑，可大大增加其耐久性。同時(shí)，三維復(fù)合排水墊一般埋在地下，可大大降低紫外線、氣溫變化等的影響。因此，配方良好的三維復(fù)合排水墊在通常的使用環(huán)境下具有較好的耐久性。筆者所采用的三維復(fù)合排水墊采用含炭素的、抗紫外線穩(wěn)定的聚丙烯材料，完全滿足工程使用要求。

對(duì)于三維復(fù)合排水墊，除上述材料特性外，其單位面積質(zhì)量、抗拉強(qiáng)度和CBD頂破強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)于工程實(shí)踐均有重要指導(dǎo)作用，對(duì)這些參數(shù)也進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，結(jié)果均統(tǒng)計(jì)于表2。綜合來看，三維復(fù)合排水墊具有良好的排水反濾性能，其各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)亦能夠滿足工程實(shí)際要求。

3 工程應(yīng)用效果分析

3.1 工程應(yīng)用情況

為檢驗(yàn)三維復(fù)合排水墊的排水反濾性能，選擇長江中游湖廣-羅湖洲河段西河鋪?zhàn)o(hù)岸部分存在不良地質(zhì)條件的岸段進(jìn)行應(yīng)用。

長江中游湖廣—羅湖洲河段位于武漢下游約48 km，工程河段上起白滸鎮(zhèn)、下至三江口，全長約29 km，包括湖廣、羅湖洲兩個(gè)水道。為了穩(wěn)定河勢(shì)，達(dá)到并維持航道標(biāo)準(zhǔn)4.5 m×200 m×1 050 m(水深×航寬×彎曲半徑)，需實(shí)施相應(yīng)的航道整治工程。其中包括采用護(hù)岸工程對(duì)左岸西河鋪1 858 m長的岸線進(jìn)行守護(hù)。西河鋪?zhàn)o(hù)岸工程岸坡主要由軟塑狀粉質(zhì)粘土構(gòu)成，該土層承載力120 KPa，滿足要求。但該土層抗剪強(qiáng)度很低，凝聚力15 KPa，內(nèi)摩擦角僅9°，岸坡守護(hù)工程存在邊坡穩(wěn)定性問題。且該土層滲透系數(shù)小，排水固結(jié)慢，很難利用自然固結(jié)提高其強(qiáng)度。在岸坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需布設(shè)排水措施，加速粉質(zhì)黏土排水，提高其強(qiáng)度，增強(qiáng)岸坡穩(wěn)定性。

鑒于工程中岸坡含水量大，對(duì)于滲水處理要求較高，因此采用三維復(fù)合排水墊進(jìn)行排水反濾，其上則采用生態(tài)型鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。工程方案典型斷面和細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖4和圖5。

圖4 西河鋪?zhàn)o(hù)岸工程典型斷面Fig.4 The typical cross section of Xihepu revetment engineering

圖5 西河鋪?zhàn)o(hù)岸工程斷面細(xì)部結(jié)構(gòu)Fig.5 The detail structure for the cross-secion of Xihepu revetment engineering

3.2 應(yīng)用效果分析

西河鋪?zhàn)o(hù)岸工程已于2013年施工完成，工程完工的近2年內(nèi)，多次對(duì)工程的穩(wěn)定性、排水反濾效果進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明：三維復(fù)合排水墊具有較好的排水反濾性能。在退水期，表層地下水能很快通過三維復(fù)合排水墊外滲排出坡面，避免以往因水壓力過大造成岸坡“鼓包”等現(xiàn)象的發(fā)生，收到了預(yù)期的效果。

綜合來看，三維復(fù)合排水墊具有較好的排水反濾性，施工便捷，適宜作為不良地質(zhì)條件下的岸坡反濾結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)如下。

3.2.1 優(yōu)良的排水反濾抗淤性能

1)過濾性：兩邊由非織造布復(fù)合的內(nèi)芯材料，提供了極好的分離砂層和垂直過濾功能，可以防止砂土流失。

2)排水性：水平加固交叉網(wǎng)結(jié)構(gòu)在不同方向上形成了6～20 mm高的排水通道。當(dāng)其中某一點(diǎn)受到意外損壞時(shí)，相互獨(dú)立的網(wǎng)結(jié)構(gòu)能防止情況惡化，保證排水通道暢通無阻。

3)抗淤積：中間的聚丙烯排水材料結(jié)構(gòu)提供了各個(gè)方向上的排水性能，如有一定的坡度，它能有效地排除土壤的水分，無紡?fù)凉げ嫉谋Ｗo(hù)則提供了極強(qiáng)的抗淤積能力。

3.2.2 具有較好的工程力學(xué)性能

此種復(fù)合排水材料具有較好的拉伸和壓縮性能，以保證排水板不被土體壓力壓壞，是一種理想的加固及支撐材料；三維復(fù)合排水墊本身具有一定抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，并允許一定的厚度變形，可以起到坡體找平層和應(yīng)力擴(kuò)散層的作用。

3.2.3 施工便捷

三維復(fù)合排水墊質(zhì)輕，無需機(jī)械輔助，僅人工即可施工；相鄰之間通過簡單搭接即可保證施工的連續(xù)性；無需高級(jí)技工及特殊的施工工具，通常情況下，普通切割器具、釘子和錘子配合即可完成施工。

3.2.4 耐久性好

具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐久性、防腐能力以及抗風(fēng)化能力。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)測(cè)定了三維復(fù)合排水墊的排水性能、反濾性能及耐久性等多項(xiàng)參數(shù)，表明其具有良好的排水反濾效果。雖然三維復(fù)合排水墊代替砂石墊層在航道整治護(hù)岸工程的運(yùn)用尚屬首次，但從實(shí)際運(yùn)用情況看，其排水反濾效果良好，為長江航道整治護(hù)岸工程不利水文地質(zhì)條件下的岸坡防滲排水處理提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有十分重要的指導(dǎo)意義。

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Application Research on Three-Dimensional Composite Drainage Matin Waterway Revetment Project

Liu Wangxi

(Changjiang Waterway Bureau, Wuhan 430010, Hubei, China)

Considering the poor anti-filtration performance of the traditional sand filter under the bad geological conditions, a three-dimensional composite drainage mat was proposed and applied as a new drainage filtration structure, and its parameters including drainage, anti-filtration and durability were tested by indoor experiments. The effect, application condition and characteristics of the three-dimensional composite drainage mat were discussed based on its application in Huguang-Luohuzhou waterway regulation project in the middle reach of the Yangtze River, which provided experience and references for similar engineering projects.

channel engineering; three-dimensional composite drainage mat; Waterway regulation; Revetment engineering

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.15

2014-05-23；

2015-08-05

劉旺喜(1965—)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事航道整治技術(shù)及航道建設(shè)管理方面的研究。E-mail: 353456012@qq.com。

U614；TV145.1

A

1674-0696(2015)05-075-04