鄧 彪

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)中心，江西 南昌 330029）

大型土工織物充填袋圍堰設(shè)計(jì)方法研究

鄧 彪

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)中心，江西 南昌 330029）

為研究紅谷隧道圍堰工程中單個(gè)土工織物充填袋在充填及運(yùn)行過程中工作特性，綜合考慮土工合成材料加筋機(jī)理及筋材抗拉強(qiáng)度和變形性質(zhì)后，采用圓弧滑動法對土工織物充填袋圍堰的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明：歷史最低水位運(yùn)行時(shí)，當(dāng)堆積達(dá)到22層后，充填袋張力最大約為36kN/m，已超過常用土工織物充填袋的抗拉強(qiáng)度，需在圍堰高程12.0m以下區(qū)域采用一定的加筋措施或高強(qiáng)度土工織物充填袋。同時(shí)，建議充填袋接縫放置在土工織物充填袋底部中間位置，以提高充填袋圍堰整體安全穩(wěn)定性。

圍堰；土工織物；充填袋；抗滑穩(wěn)定

土工織物充填袋圍堰是一種新型圍堰型式，主要采用屬于土工包裹系統(tǒng)的長管袋充填砂袋作為主要填筑體［1］。目前，國內(nèi)有關(guān)土工織物充填袋圍堰施工應(yīng)用有很多成功范例，設(shè)計(jì)方面主要關(guān)注圍堰整體穩(wěn)定、變形及應(yīng)力特性，對單個(gè)土工織物充填袋在充填及運(yùn)行過程中工作特性關(guān)注較少，在土工織物選型方面更多是依靠工程類比［2］。根據(jù)紅谷隧道圍堰工程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，在初擬圍堰截面基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)整體抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以驗(yàn)證圍堰坡度設(shè)計(jì)合理性。其次，研究土工織物充砂袋在充填及圍堰運(yùn)行過程中的受力情況，以掌握充砂袋周向拉力隨充填體壓應(yīng)力的變化規(guī)律，進(jìn)而提出確保充砂袋不破壞的充填壓力，并提出不同堆積方式下充填砂袋允許抗拉強(qiáng)度，最終設(shè)計(jì)合適土工織物型式。

1 大型土工織物充填袋圍堰設(shè)計(jì)內(nèi)容

按照《水運(yùn)工程土工織物應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JTJ/T239-98）規(guī)定，對于土工織物袋充填筑堤設(shè)計(jì)應(yīng)包括下列內(nèi)容：（1）堤整體穩(wěn)定驗(yàn)算；（2）充填袋層間穩(wěn)定驗(yàn)算；（3）土工織物保土、透水性能指標(biāo)選擇；（4）充填料與充填料干容重選定；（5）護(hù)面與護(hù)底設(shè)計(jì)。

由于土工織物充填袋屬于典型的土工包裹系統(tǒng)，作為包裹材料的土工織物，其型式選擇特別是抗拉強(qiáng)度方面選取對于整個(gè)土工包裹系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，如果土工織物強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求，單個(gè)土工織物充填袋會發(fā)生破壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致整個(gè)堰體發(fā)生垮塌。因此，對于土工織物充填袋圍堰而言，不僅需要對圍堰整體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算以驗(yàn)證圍堰坡度設(shè)計(jì)合理性，還需研究土工織物充砂袋在充填及圍堰運(yùn)行過程中的受力情況、充填壓力和允許抗拉強(qiáng)度，防止充砂袋損壞而使圍堰堰體破壞，確保設(shè)計(jì)方案具有較高安全可靠性。

2 大型土工織物充填袋圍堰分析方法

2.1 土工織物充填袋圍堰工作性態(tài)分析

從受力性能上說，土工織物充填砂袋圍堰實(shí)質(zhì)為一種加筋土壩。由于土工管袋筋材的布設(shè)，改變了土體不能受拉的性能。試驗(yàn)證明：加筋砂試驗(yàn)與無加筋砂試驗(yàn)的破壞包絡(luò)線基本平行，即其內(nèi)摩擦角近似相等，兩者凝聚力不同［3］。基于此理論，加筋材料的加筋效果相當(dāng)于增加一個(gè)凝聚力Cp，具體函數(shù)表達(dá)為：

式中，Cp-擬凝聚力；Rf-單位厚度土工合成材料試樣（縱向）中筋材的極限抗拉強(qiáng)度；Sy-土工合成材料層間距；Kp-被動土壓力系數(shù)。

按照《水運(yùn)工程土工織物應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JTJ/T239-98）規(guī)定，采用瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.2 單個(gè)土工織物充填砂袋受力分析

在充填長管袋設(shè)計(jì)中，通常忽略充填袋的剛度和變形，假定為完全柔性且不可伸長；充填袋在充填砂漿的作用下通過調(diào)整自身形狀來達(dá)到受力平衡。根據(jù)假設(shè)，可得到單個(gè)充填袋的橫截面形態(tài)圖，如圖1所示。圖中，h為充填袋高度，b為充填袋底部水平面得寬度，B為充填袋橫截面的最大寬度值，r（x）為縱坐標(biāo)為x位置處的曲率半徑，T為袋體所受的拉力，p（x）為縱坐標(biāo)為 x位置處的壓應(yīng)力，p0為充填袋充填口處的壓應(yīng)力。根據(jù)力學(xué)平衡原理及幾何學(xué)理論，可得充填袋形態(tài)控制方程：

點(diǎn)O處的邊界條件：

袋體周長約束條件：

如果參數(shù) （T，h，p0）某一被確定，就可聯(lián)立式（2）～（4）得出解。式（2）控制方程為二階非線性微分方程，可采用迭代解法直接求解方程［4］或利用橢圓積分進(jìn)行變換求解。

圖1 充填袋橫斷面示意

2.3 多個(gè)土工織物充填砂袋堆積時(shí)受力分析

土工織物充填袋單個(gè)擺放時(shí)穩(wěn)定性較差，將它們堆積起來可提高穩(wěn)定性。對于有m個(gè)充填砂袋堆疊的情況，充填袋從下往上依次編號為①、②、③…。根據(jù)對稱性，只取右半部分進(jìn)行分析，將所有充填袋分為2m個(gè)部分，第n（n=1，2，…，m）個(gè)充填袋與第n-1個(gè)充填袋（當(dāng)n=1時(shí)為地基）的重疊部分記作第2n-1部分，與空氣接觸部分記作第2n部分，劃分依據(jù)是各部分受力表達(dá)式不同。圖2為3個(gè)充填袋堆疊示意，即：第①個(gè)充填袋與地基重疊部分記作第1部分；與空氣接觸部分記作第2部分；第②個(gè)充填袋和第①個(gè)充填袋重疊部分記作第3部分，以此類推。對各部分取局部坐標(biāo)來分析，以下的分析均以n來表示管袋編號，以i來表示所分成各部分的編號。采用無量綱分析法，定義為：

式中，Xi，Yi-第 i部分的橫、縱坐標(biāo)；Si-弧長；Ln、An、Pn、Tn、ρn-第n個(gè)充填袋的總周長、截面面積、底部相對于O點(diǎn)的總壓力、張力和充填料密度；g-重力加速度。由于不考慮充填袋與袋內(nèi)流體、充填袋與地基和充填袋之間的摩擦力，各充填袋本身張力處處相等。

圖2 堆疊充填袋計(jì)算模型

3 大型土工織物充填袋圍堰設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概述

紅谷隧道位于南昌大橋與八一大橋之間，是連接南昌市紅谷灘新區(qū)與老城區(qū)的關(guān)鍵工程。隧道圍堰工程系臨時(shí)性水工建筑物，其結(jié)構(gòu)型式應(yīng)在滿足安全運(yùn)用基礎(chǔ)上，具備結(jié)構(gòu)型式簡單、施工速度快、修筑及拆除方便、工程造價(jià)低廉等特點(diǎn)。綜合考慮地形地質(zhì)條件及天然建材儲量等情況，圍堰采用土工織物充填袋型式，充填料優(yōu)先利用主體工程的開挖砂料［5］。

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，東岸圍堰1-1剖面處的堆積高程最低，因此，選取該剖面作為典型剖面，進(jìn)行圍堰抗滑穩(wěn)定分析以及土工織物充填砂袋受力分析。由于堰基基本沒有淤泥質(zhì)類軟土以及施工期堰身內(nèi)外水位基本平衡，故不進(jìn)行施工期的邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算。工程區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度，不進(jìn)行地震時(shí)的堰坡穩(wěn)定分析。因此，僅計(jì)算正常運(yùn)用條件下的堰坡穩(wěn)定。

由于南昌市段贛江水位受鄱陽湖頂托作用明顯，水位降落比較緩慢，在汛期也不可能降至枯水位，因此，降落水位采用主汛期間4～6月期間的最低多年平均水位，水位降落的速度按3天考慮。根據(jù)以上分析，擬定以下計(jì)算工況，見表1。

表1 計(jì)算工況表

3.3 圍堰整體抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，東岸圍堰的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按3級堤防工程進(jìn)行選取。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）規(guī)定，正常運(yùn)行條件下，采用瑞典圓弧法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，安全系數(shù)取1.20，計(jì)算成果表明：穩(wěn)定滲流工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)（背水坡），設(shè)計(jì)洪水位條件下為1.781；防洪高水位條件下為1.609；水位驟降工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)（臨水坡），設(shè)計(jì)洪水位條件下為2.429；防洪高水位條件下為2.355。計(jì)算工況條件下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于［1.5］限值指標(biāo)，抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.4 充填砂袋受力特性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，東岸圍堰1-1剖面按1-1形式進(jìn)行堆積。堆積底高程取3.0m，頂高程取24.0m，單個(gè)充填袋充填高度水下為0.5m，水上為0.7m；充填袋充盈度不小于80%，下層充填袋固結(jié)度大于70%后，才能進(jìn)行上一層的施工；充填物為贛江內(nèi)開采的中、細(xì)砂。

施工期外水水位考慮兩種，一是目前1月份贛江水位取11.0m，另外就是設(shè)計(jì)的施工期水位，取16.60m。運(yùn)行期外水水位考慮設(shè)計(jì)洪水位22.64m、防洪高水位23.64m以及歷史最低水位10.52m；外水作用方式，施工期按兩側(cè)作用考慮；運(yùn)行期按單側(cè)作用考慮。

充填袋堆積時(shí)體型示意和不同水位不同高程充填袋張力變化曲線，如圖3和圖4所示。根據(jù)充填袋張力變化曲線，整體來看，受堆積效應(yīng)及外水水壓影響，充填袋體張力基本隨堆積次序（由上到下排列）增大而增大，水上充填袋張力增加較快，水下充填袋張力增加較慢；另外，外水水位變化對充填袋張力影響較大，水位越高，整個(gè)充填袋堆積體張力越小。對于處于施工期的土工織物充填袋堆積體而言，最大張力出現(xiàn)在水位變動區(qū)，也就是剛出水面位置，而并非出現(xiàn)在堆積體最底層位置；處于運(yùn)行期充填袋堆積體，作為臨時(shí)擋水建筑物，其充填袋單側(cè)受到外水壓力作用，最大張力出現(xiàn)在最底層位置。

圖3 堆積體型示意

圖4 不同水位下不同高程充填袋張力變化曲線

不同運(yùn)行水位下充填砂袋受力成果表明：施工期水上充填袋最大張力出現(xiàn)在第11層，正好為水面位置，達(dá)到20.18kN/m，水下充填袋最大張力出現(xiàn)最底層，約為15.93kN/m；設(shè)計(jì)洪水位下充填袋張力均小于30kN/m，最大張力出現(xiàn)在最底層，約為12.11kN/m；歷史最低水位運(yùn)行時(shí)，當(dāng)堆積達(dá)到22層以后，充填袋張力便達(dá)到31.08kN/m，張力最大至出現(xiàn)最底層，約為35.93kN/m。

綜上分析，鑒于目前常用土工織物抗拉強(qiáng)度基本在30kN/m左右，高程位于3.0～12.0m之間的土工織物充填袋堆積體采用適當(dāng) 的加筋措施或選用高強(qiáng)度的土工織物充填袋，其他高程區(qū)域可采用常規(guī)的土工織物充填袋。

4 結(jié)論

（1）東岸1-1剖面在正常運(yùn)行條件下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)均在1.5以上滿足抗滑穩(wěn)定要求。

（2）土工織物充填袋張力受堆積方式、外水水位以及漿液壓力作用方式等因素影響；施工期，由于外水水位較低，充填袋最大張力出現(xiàn)在水位變動區(qū)，也就是剛出水面位置；而運(yùn)行期，隨著外水水位上升，砂袋張力也隨之變化，最大張力可能出現(xiàn)在最底層的位置。

（3）設(shè)計(jì)洪水位下充填袋張力均小于30kN/m，歷史最低水位運(yùn)行時(shí)，當(dāng)堆積達(dá)到22層以后，充填袋張力達(dá)到31kN/m，張力最大至出現(xiàn)最底層，約為36kN/m，已超過常用土工織物充填袋的抗拉強(qiáng)度，因此建議圍堰高程12.0m以下區(qū)域采用一定的加筋措施或高強(qiáng)度的土工織物充填袋。

（4）鑒于土工織物充填袋接縫處受縫制影響，其抗拉強(qiáng)度要低于充填袋自身強(qiáng)度，為確保充填砂袋安全，建議充填袋接縫應(yīng)放置在土工織物充填袋底部中間位置。

［1］包承綱.土工合成材料應(yīng)用原理與工程實(shí)踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］劉三學(xué).土工織物管的設(shè)計(jì)和施工工藝探討［A］.國際航運(yùn)協(xié)會2008年會暨國際航運(yùn)技術(shù)研討會［C］.北京：2008.

［3］宋為群，葉志華，彭良泉.軟土地基上土工管袋圍堤的穩(wěn)定性分析［J］.人民長江，2004，35（12）：32-34.

［4］閆玥，閆澍旺，邱長林等.土工織物灌袋的設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31（01）：327-330.

［5］中國水利水電科學(xué)研究院.南昌市紅谷隧道工程臨時(shí)圍堰結(jié)構(gòu)安全分析研究［R］.2014.

TV351

B

1672-2469（2017）10-0129-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.036

2017-09-13

江西省水利廳科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目（TG201206）

鄧 彪（1972年-），男，高級工程師。