表1  土工充泥袋布的基本特性
產(chǎn)地	物理特性			力學(xué)特性					水力特性
	經(jīng)緯密度(絲/寸)	單位面積質(zhì)量/(g/m2)	厚度/mm	拉抗強(qiáng)度/(N/mm)		頂破強(qiáng)度/N	延伸率(%)		當(dāng)量孔徑O90/mm	滲透 系數(shù)K/(cm/s)
				經(jīng)向	緯向		經(jīng)向	緯向
常州	14×16 14×15	120 210	0.51 0.57	15 31.98	16 37.46	1831 4189	26 18.6	13 17.8	0.29 0.08	2.62×10-2 5.9×10-2
新豐		100	0.3	800			25		0.1	4×10-2

 

    1.2.2  土工充泥袋的保沙效果試驗

    用泥漿泵充填土工充泥袋，透水與保沙是相互矛盾的。從施工角度考慮，要求土工充泥袋布有較好的透水性，使充填的泥漿在袋體內(nèi)排水快，泥沙固結(jié)時間短，從而達(dá)到加快施工進(jìn)度目的，但相應(yīng)保沙效果較差。一般土工充泥袋布都有一定的透水能力，其透水（或保沙）性與土工充泥袋布的單位面積孔的數(shù)量及其大�。ó�(dāng)量孔徑O₉₀)有關(guān)。表2所列土工充泥袋布的滲透系數(shù)均大于施工現(xiàn)場土料的滲透系數(shù)。在施工現(xiàn)場測試表明，泥漿泵充填常州產(chǎn)1#土工充泥袋時，充入袋的含沙量為550kg/m³，析出袋的含沙量為20kg/m³，保沙率為96％。由此說明，在滲透壓力作用下土工充泥袋的漏沙量是不大的，能滿足施工要求。表1中，杭州新豐塑料廠生產(chǎn)的袋布雖然滲透系數(shù)大一些，但浙江省紹興縣的圍墾實踐表明，該廠生產(chǎn)的袋布一般也能滿足滲透壓力作用下的保沙要求。

表2  土工充泥袋漏沙率試驗
編號	生產(chǎn)廠家	規(guī)格	單位面積 重量/(g/m2)	漏沙率η(%)	備注
1# 2# 3# 4# 5# 6#	常州廠 常州廠 常州廠 杭州新豐廠 杭州新豐廠 杭州新豐廠	14×16 14×14 12～13 13×13 13×13 14×15	120 150 195 200 240 210	100.0 53.8 3.8 79.8 100.0 1.40	袋體縱軸順?biāo)�流方向擺放如圖

 

    1.2.3  水流作用下土工充泥袋的保沙試驗

    土工充泥袋在水流作用下的保沙性能是一項很重要的指標(biāo)，但難以通過模型試驗得到，一般需在土工充泥袋內(nèi)裝入天然泥沙，然后在接近天然流速的情況下進(jìn)行沖刷試驗。有人把沙袋懸掛在船尾，船在水中行駛，據(jù)此測得袋體保沙率與流速之間的關(guān)系。本項試驗是在活動水槽內(nèi)進(jìn)行的�；顒铀�槽長16.0m、寬0.5m、高0.6m，最大坡度24%，最大流量0.05m³/s，最大流速2.0m/s。為了增大活動水槽內(nèi)的流速，又將試驗段面寬縮窄至0.35m，使最大流速提高到2.2m/s。充泥袋試件的長20cm、寬10cm、厚5cm，為偏平長方體。用不同規(guī)格的袋布制成6種試驗袋體。將試件安置在水槽底板軸線上，然后放水沖刷，并用南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的智能流速儀施測流速。土工充泥袋的保沙性能指標(biāo)用漏沙率表示，即

式中：η為試驗袋體的漏沙率(%)；w₀為水流沖刷前的充泥袋重量,單位：N；w₁為水流沖刷后的充泥袋重量，單位：N。當(dāng)水槽試驗流速為2.0m/s，沖刷時間2h，測得漏沙率如表2。從表2看出，在上述試驗條件下，常州廠生產(chǎn)的3#、6#土工充泥袋試件的漏沙率較小(η<5%)；2#、4#試件的漏沙率η>50%；1#、5#試件的漏沙率更大(η=100%），袋體內(nèi)泥沙全部漏失�？梢�，后4種土工充泥袋在流速２m/s左右的水域中難以滿足保沙要求。
    為了進(jìn)一步探明土工充泥袋漏沙率與流速和沖刷時間之間的關(guān)系，用表中1#土工充泥袋試件在水槽內(nèi)進(jìn)行了不同流速作用下、持續(xù)時間為2h的沖刷試驗。其漏沙率與沖刷流速間的關(guān)系見圖2。從圖看出，l#土工充泥袋試件的漏沙率與沖刷流速成正比。當(dāng)流速為1.0m/s時，漏沙率約10%；當(dāng)沖刷流速大于1.5m/s時漏沙率快速增大。
    1#土工充泥袋試件在水槽內(nèi)進(jìn)行保沙試驗，試驗流速為1.0m/s，其漏沙率與沖刷時間的關(guān)系見圖3。結(jié)果表明，隨著沖刷時間的增長，漏沙率也逐漸增大，沖刷3h后漏沙率大約穩(wěn)定在20%左右。由此可知，1#土工充泥袋適用于流速小于1.0m/s的水域中。試驗現(xiàn)場用1#土工充泥袋筑壩，由于袋體外測未經(jīng)石渣、塊石保護(hù)，經(jīng)過四天大潮流速(每潮流速約2.0m/s、持續(xù)時間約0.5h）的淘刷作用，袋體內(nèi)的泥沙幾乎漏光�，F(xiàn)場試驗時，對于流速大于1.0m/s的水域，用泥漿泵充填1#土工充泥袋時，在袋體外側(cè)及時加拋石渣和塊石，既防止了水流、風(fēng)浪對袋體的淘刷，又能有效地防止袋布的老化。

圖2 1#袋布流速與漏沙率關(guān)系曲線

圖3 1#袋布受流速1.0m/s作用與 沖刷歷時關(guān)系

 

    表2中3#、6#兩種袋布的漏沙率較小。我們用這兩種土工充泥袋試件在水槽中進(jìn)行試驗，在2.0m/s的流速作用下，其充泥袋漏沙率隨時間變化如圖4。從圖可知，當(dāng)袋體縱軸與水流方向平行時，大約經(jīng)8h沖刷后，漏沙率趨于穩(wěn)定(η=20%)；而袋體縱軸垂直于水流方向的漏沙率大于前一種情況的漏沙率。試驗后，將這兩種不同擺放的試件切開，對比分析可知，漏沙最嚴(yán)重處位于試件迎流面，此處因水流紊亂，袋體內(nèi)泥沙易被吸出帶走。試件縱軸與水流方向垂直時，其迎流面積較大，因而漏沙率較大。為減少土工充泥袋的漏沙量，現(xiàn)場施工時土工充泥袋縱軸宜與水流方向平行擺放。擬建工程水域錢塘江南股槽內(nèi)漲潮流速(3.0m/s以上)大于落潮流速(約1.0m/s)，根據(jù)這種水流特性，對土工充泥袋迎漲潮流側(cè)用漏沙率較小的土工布料予以保護(hù)，收到較好的保沙效果。表1中漏沙率最大的常州產(chǎn)1#土工充泥袋布縫制成30cm×15cm的試件，受水流作用的袋體頭部用不透水的膜保護(hù)，在水槽內(nèi)受到流速2.0m/s作用，沖刷歷時2h，其漏沙率僅為9%。此值大大低于袋體未經(jīng)保護(hù)且水流條件相同的漏沙率(η＝100%)。以上試驗表明，漏沙率不但與流速大小有關(guān)，且與袋體附近流態(tài)關(guān)系也很密切。
    2、土工充泥袋的穩(wěn)定性及其尺寸選擇
    2.1  土工充泥袋布的摩擦系數(shù)

    用土工充泥袋筑壩，袋體接觸面之間的摩擦系數(shù)關(guān)系到壩體在水流作用下的穩(wěn)定性。土工充泥袋布的規(guī)格不同及其干濕之別，對摩擦系數(shù)有一定程度的影響。試驗表明，同種土工充泥袋布，干的摩擦系數(shù)比濕的大5%～8%。由于濕的土工布有潤滑作用，故其摩擦系數(shù)較小。至于壓強(qiáng)和接觸面積對摩擦系數(shù)的影響，試驗表明，土工充泥袋布的摩擦系數(shù)隨壓強(qiáng)的增大而減小，并趨向某個極限值。這為設(shè)計壩體時可不考慮其堆筑高度的影響，而采用某一固定的摩擦系數(shù)提供了依據(jù)。土工充泥袋布的摩擦系數(shù)與接觸面積的關(guān)系也不明顯，這對采用大尺寸的袋體是有利的^[1]。綜合前人大量的試驗結(jié)果，土工充泥袋因袋布表面的毛糙和光滑的差別，其摩擦系數(shù)一般在0.35～0.50之間變化。
    2.2  水流作用下土工充泥袋的穩(wěn)定性

    水流作用下土工充泥袋的穩(wěn)定性是土工充泥袋筑壩設(shè)計和施工的重要依據(jù)。根據(jù)不同的施工階段，袋體在水流作用下的穩(wěn)定性，分為袋體貼在河床上和處在壩體上兩種情況。由于我們實際采用的土工充泥袋尺寸一般都較大，所以袋體失穩(wěn)主要以滑動為主，滾動失穩(wěn)一般不會發(fā)生。文獻(xiàn)^[2]根據(jù)土工充泥袋在水流作用下受力的物理圖形(圖5)，建立了充泥袋臨界滑動失穩(wěn)流速

(2)

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式中：V為袋體處垂線平均流速，單位：m/s;H為水深，單位：m；d′為袋體厚度，單位：m;�獿為袋體順?biāo)�流方向長度,單位：m；g為重力加速度，單位：m/s²;ρ、ρ_s分別水和泥沙的干密度,單位：kN/m³。
    由式(2)、(3)看出，壩頂上的土工充泥袋臨界失穩(wěn)流速比壩底床面上的小1/3。主要由于處在壩頂上的土工充泥袋之間緊密程度不如壩底床面上。處在壩頂上的土工充泥袋不僅減小了袋體之間的摩擦力，且水流上舉力較大；另外，由于壩體上游坡對水流的導(dǎo)流作用也加大了水流上舉力，因而其穩(wěn)定性較差。

    在上虞九四丘試驗現(xiàn)場起初用土工長管袋拋壩促淤，對于灘面較高，流速較小的情況是可行的。后來由于壩頭臨水而出現(xiàn)沖刷坑，高程在-1.0～-2.0m之間(吳淞基面，下同)。為增大壩頭土工充泥袋在水流作用下的穩(wěn)定性，我們研制了大體積充泥袋(稱之“沙墊”)填筑壩體，取得了很好的效果。大體積充泥袋(沙墊)尺寸見表3。
    從表3看出，前面4種土工充泥袋（或沙墊）的長寬比 L/B′=1.0～4.3，與較佳長寬比(L/B′＝2.1～3.5）基本一致�？梢�，我們根據(jù)現(xiàn)場試驗水深、流急的特點，為增大土工充泥袋的穩(wěn)定性，改用沙墊代替長管袋是有理論根據(jù)的。應(yīng)當(dāng)指出，沙墊在圍墾工程堵口合攏閉氣也廣泛采用。
    3、土工充泥袋筑壩的斷面結(jié)構(gòu) 
    根據(jù)現(xiàn)場試驗地點的施工條件，一只土工充泥袋充填高度一般為0.6～0.7m，有的可達(dá)到0.8m。為便于對壩體兩側(cè)進(jìn)行拋石保護(hù)，土工充泥袋壩兩側(cè)邊坡應(yīng)小于1∶1.5，即每堆筑一層土工充泥袋，兩側(cè)縮進(jìn)0.7～0.8m。當(dāng)土工充泥袋填筑至設(shè)計高程時，兩側(cè)立即用石渣和塊石保護(hù)，見圖6。石渣、塊石保護(hù)有兩個目的：其一，防止水流、風(fēng)浪直接侵蝕充泥袋，保護(hù)袋體內(nèi)泥沙；其二，防止土工充泥袋受紫外線照射而引起老化。采用這種大體積的沙墊筑壩，施工過程中必然會遇到壩頭過水，實踐表明，土工充泥袋能滿足穩(wěn)定要求。從南股槽水文測驗得知，大潮垂線平均最大流速約3.0m/s，出現(xiàn)在中潮位時（南股槽平均潮位約3.0m）。當(dāng)土工充泥袋堆筑到中潮位時，壩體底寬為20.5m，假定河床高程為-3.0m，水深為6.0m，兩側(cè)邊坡m=1.0，ρ_s=1.45t/m³，充泥袋高度0.7m，代入式(3)求得土工充泥袋臨界穩(wěn)定流速V＝4.45m/s。由此可知，南股槽整治采用土工充泥袋筑壩，袋體能滿足穩(wěn)定要求。
    4、結(jié)語
     (1)錢塘江河口河床質(zhì)為粉沙，其中值粒徑d₅₀=0.02～0.04mm,非常適宜用泥漿泵充填土工充泥袋施工，由于其具有施工簡單、速度快、能就地取材及造價低等優(yōu)點，現(xiàn)已推廣應(yīng)用，是20世紀(jì)90年代錢塘江河口治江圍涂技術(shù)重大創(chuàng)新，應(yīng)繼續(xù)開展研究和推廣應(yīng)用。
    (2)用土工充泥袋代替石方拋壩促淤比較適宜于中、低灘面上施工。深水施工時，袋體定位較困難，且流速不能太大。我們在流速3.0m/s，相應(yīng)持續(xù)時間約0.5h的南股槽整治工程施工中，采用土工充泥袋仍滿足穩(wěn)定要求。
     (3)用泥漿泵充填土工充泥袋筑壩，要求袋布有一定的透水性，又要求有較好的保沙性，這兩者是相互矛盾的。錢塘江河口床沙為細(xì)粉沙，在滲透力作用下選用的土工充泥袋一般能滿足保沙要求。土工充泥袋在流速大于1.5m/s的水中雖然漏沙嚴(yán)重，但如果在其兩側(cè)及時用石渣、塊石保護(hù)，則仍能使用。對于粘性較大，顆粒較細(xì)(d₅₀＜0.02mm)的泥沙，由于所用袋布的孔徑較小，排水較慢，漏沙多，固結(jié)后充滿度小，既影響施工效率，又不經(jīng)濟(jì)，一般不宜采用。
    (4)根據(jù)錢塘江河口試驗現(xiàn)場水深流急的特點，為提高水流作用下土工充泥袋的穩(wěn)定性，研制出大體積的土工充泥袋或稱“沙墊”，其長寬比應(yīng)滿足最佳值(即L/B′＝2.1～3.5)。大體積的沙墊不但可用于水深流速較大的水域，而且也廣泛應(yīng)用于丁壩壩頭的保護(hù)和圍涂工程的堵口閉氣以及圍堰工程。
    (5)20世紀(jì)90年代，在錢塘江尖山河灣南股槽整治中用泥漿泵水下充填土工充泥袋，不僅可加快工程進(jìn)度，而且節(jié)省投資20%～25%，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)已普遍推廣應(yīng)用，是錢塘江治江圍涂技術(shù)的重大進(jìn)展