土工布袋围堰安装过程及沉降分析

于怀远，陈浩然，孔庆华，李峥

（北京城建集团有限责任公司，北京 100088）

1 引言

海岸防侵蚀措施一直在不断更新发展，土工布袋越来越多地应用在围垦滩涂、防止河水侵蚀的相关工程中，并且在河口河岸位置的工程中居多。其中，土工布袋围堰主要是在河岸边用填满土的布袋形成围堰。本文讨论了土工布袋围堰工程中土工布袋的设计及施工过程，记录了土工布袋的沉降以及形变。

2 土工布袋设计

2.1 土工布袋设计方法

根据以往的研究，关于土工布袋临时围堰的设计规范或参考资料有不确定的情况，并且关于泥质沿海土工布袋临时围堰形变与位移的长期监测和数值分析的文献不足。现有的研究大多采用数学模型模拟和理论数值分析的方法，重点关注土工布袋的内部稳定性，而未考虑水动力和可变形基础对土工布袋的影响，但这两者都是影响土工布袋外部稳定性的主要因素。

以往其他研究是将土工布袋的设计通过椭圆积分估算为管状土工布袋（见图1）。根据周长、压力方向、与基础的接触的长度以及土工布袋填充后的高度和宽度，采用微分方程计算基于设计高度和静水压力的结构形状[1，2]。随着技术的进步，一些研究人员模拟了土工布袋在不同条件下的状态，例如，采用有限元法模拟了堆叠土工布袋的固结过程，对填充几种不同密度材料的土工布袋进行了有限元分析。其报告中生成了不饱和无纺织土工布袋设计的有限元分析结果，利用有限元模型分析模拟了用于沙滩保护的土工布袋的最佳形状。

图1 常规研究下所模拟土工布袋在刚性地面上的形状

虽然，上述方法提供了土工布袋的应用方法与措施，但这些方法大多未考虑水动力，其主要原因是这些土工布袋没有被用作临时围堰。除此之外，土工布袋底部基础通常被建模为刚体，这并不满足可变形的泥质基础的特征。而实际土工布袋会在柔性地面上产生微小的形变（见图2）。

图2 土工布袋在柔性地面上产生的形变

2.2 土工布袋设计需考虑的因素

在许多对于土工布袋状模型的数值研究中，为了简化模型，忽略了土工布袋基础的柔性特征。而在真实环境下，大多数沿河或沿海土壤成分并不均匀，而且其承载力较低。在软弱地基上进行河岸防护结构施工会导致过度沉降，以及上部围堰结构破坏。因此，如果直接假设土工布袋下为刚性基础，会误判土工布袋围堰施工完成以后的完整性和使用性能。这就说明在设计阶段所需数值模型中，需要采用实地测量的地基参数。此外，土工布袋被放置在河流沿岸，并受到高强度的波浪冲击。施加在土工布袋上的水动力可以通过以下方程计算[3]：

式中，Fhp为水动力，kPa；β 为与土工布袋高度、波浪高度和原始水平面标高有关的经验系数；γw为河水的重度，kN/m3；H为土工布袋的高度，m。

对于土工布袋填充设计结构的高度以及填充后需要增加结构的基础宽度，需要同时考虑。因为充填百分比较低会导致袋内的砂迁移，使土工布袋变形。低填充率也可能产生土工织物的机械磨损，这是由于波浪产生的载荷对袋内的材料进行推动，这将减少土工布袋的寿命。同时较高的填充百分比也减少了因波浪产生的荷载导致的土工布袋内部砂粒频繁移位。因此，一般认为根据横截面积计算的填充率为80%时，是土工布袋可填充的实际最大值。

3 孟加拉海事大学围堰项目案例分析

3.1 项目背景

拟建场地地貌形态为河漫滩沼泽，场地四周已经用土堤将其与河水隔开，场地初期整体地势较平整，些许低洼处有积水，植被以杂草为主，间有灌木，河流水系丰富。本项目重点研究如何通过土工布袋临时围堰减少河流的冲击，保护河岸。为了加固土地，设计人员在河岸附近设计的临时围堰由设计标高为3 m 的土工布袋以及上部回填沙层组成。选用的土工布袋材料由为400 g/m2的机制土工布和200 g/m2的无纺土工布复合而成。土工布袋经纬向强度均约为40 kN/m2。每个土工布袋长20 m，横截面周长4 m，其厚度为1.67 mm。土工布袋内填充附近河底采集的疏浚砂，在进行筛分实验后取得颗粒度报告中显示99%的疏浚砂为细沙，主要为0.23 mm 的细沙，占总体的73.37%，剩余1%为粉沙。

3.2 土工布袋安装流程

用于沿海和河流应用的土工布袋通常用砂泵进行液压填充。从土工布袋的一端插入泵送导管进行填充。在填充之前将土工布袋放置在预定设计位置。首先，土工布袋两端的填充口一端用于泵入砂水混合物，另一端用于泄压和排水。而中间的填充口被暂时关闭。填充完成后，将端口套筒缝合，并附着在土工布袋上，以防止沙子流失和套筒被波浪移动。具体流程如下：

通过GPS 放坡脚线，竹竿标记→挖掘淤泥并填补少量沙土、平整土工布袋的接触面→粗壮树干固定土工布袋防止位移→铺设土工布袋，引导柱固定布袋边缘→水泵、运沙船就位→柔性管连接吹沙专用水泵→水泵连接船舱→将沙水按合适比例且一般为7∶3，准备将沙水混合泵送→柔性管连接土工布袋内→开泵控制进给量→工人踩踏均匀充填布袋使其均匀填充→切换灌装位置→等待水排干后，对空隙进行补填→填满后缝合土工布袋填充管。

3.3 测量记录

现场测量在试点项目现场对土工布袋临时围堰的位移和变形以及泥质地基的沉降进行测量。第一次测量是在土工布袋临时围堰填充完成后立即进行的，并在整个研究过程中作为基准。第二次现场测量在土工布袋施工后一周进行，随后的测量每2 个月进行一次，持续一年。为了在现场便于长期监测反光条，这些标记的坐标由附近设置的原始基准点的坐标导出，保证了测量记录的准确性。监测过程利用全站测量设备和无人机航拍观察在河水低潮期间测土工布袋的位移、变形和地基的沉降。反射胶带目标附着在土工布袋表面作为测量标记。共12 个标记附着在4 个土工布袋上，每个土工布袋由3 组放置在结构两端和中间的标记组成。每组标记由3 个标记组成，分别在结构的顶部、中间和底部，如图3 所示。

图3 现场土工布袋标高及位移测量方法

3.4 观测结果及分析

经过现场测量填充后的土工布袋实际高度约为0.8 m，宽为1.25 m。测土土工布袋的高度由测土工布袋上顶部和底部标记之间的平均距离得出。现场监测显示，土工布袋施工一周后，土工布袋高度平均降低了0.07 m。观测到土工布袋高度的降低主要是由于填充材料的自密实导致土工布袋的形状变得扁平。这也是因为所选用渗透性良好的疏浚沙作为填充土工布袋的材料，可以允许水快速从土工布袋中流出，同时保留袋内的沉积下来的沙子[4]。因此，早期土工布袋高度的降低主要是由于沉积物间的间隙变小。随后的测量表明，土工布袋高度减少不再显著，根据现场实测记录，1 年内土工布袋的高度共减少0.075 m。观测底部反光条标高变化的过程是记录水动力引起的淤泥为主体的柔性基础沉降。土工布袋施工一周后，平均基础沉降量为0.009 m。而最终获得的测量结果表明，平均总地基沉降量为0.030 m。1 年后，没有发现进一步的地基沉降，因此，对于基础沉降的影响在初期相对较小。

土工布袋顶部标记物的最终海拔较初始海拔平均降低0.114 m。其早期土工布整体结构高度的降低占整体结构的66%，土工布袋高度的变化主要是由于水从土工布袋流出后，填料变成饼状后导致的。结构高度的进一步降低（约34%）主要是由于对土工布袋防波堤的长期水动力影响造成的基础沉降。除了垂直变形外，还测量了横向位移。施工后一周测量显示土工布袋水平位移为0.02 m。土工布袋的初始水平位移主要是由于填料形成饼状时土工布袋的水平膨胀，并引起土工布袋形状的变化。土工布袋防波堤的横向位移不显著，表明土工布袋对滑动运动具有足够的稳定性。

4 结语

本研究对土工布袋临时围堰在作为泥滩护岸过程中的变形和沉降进行了现场测量和数值分析，在结构变形和基础沉降方面对现场测量和数值结果进行了比较，得出以下结论：

1）在安装土工布袋前，要深入了解沉降条件，防止由于过度位移和基础沉降而导致结构失效。

2）在初步研究和数值分析的基础上，可以对土工布袋的方向、布置或设计进行优化。泥质海岸的淤泥、细沙比例较高与沙滩相比，不具有较高的基质强度。因此，泥泞海岸的海岸防御结构在一定时间后可能会经历不同的沉降。