模袋淤泥筑堤現(xiàn)場試驗研究

吳月龍，唐彤芝，徐 波，張 紅，張金良

(1.南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3. 南京市水利規(guī)劃設計院有限責任公司上海分公司，上海 201900)

模袋淤泥筑堤現(xiàn)場試驗研究

吳月龍1，唐彤芝2，徐 波3，張 紅1，張金良1

(1.南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3. 南京市水利規(guī)劃設計院有限責任公司上海分公司，上海 201900)

充填淤泥土工模袋是一種填筑吹填圍墾區(qū)隔堤的新方法，淤泥經(jīng)由高壓泥漿泵充填入編織布土工模袋，經(jīng)排水固結層層累疊而成，可節(jié)省大量的砂石資源。提出自排水式、固化劑式、真空預壓式3種不同的排水固結形式，開展現(xiàn)場試驗研究不同排水形式下堤身的變形、袋內孔隙水壓力的變化規(guī)律、淤泥固結后的強度和物理力學性質。模型排水試驗和掛袋試驗為土工布材料的模袋選型、充灌泥漿濃度選擇等提供了技術依據(jù)。通過傳統(tǒng)施工方法與模袋淤泥筑堤法的經(jīng)濟性比較可見，該方法具有較強的市場競爭力。

巖土工程；充淤土工模袋；吹填區(qū)隔堤；監(jiān)測檢測；排水模型試驗

0 引 言

圍海造陸、灘涂治理開發(fā)區(qū)域內隔堤的構筑常采用傳統(tǒng)的斜坡堤形式，利用宕渣、碎石等進行回填，隨著土工織物技術[1]的發(fā)展，逐步衍生出充砂袋[2]、充泥袋堤心[3]、大管袋[4]等隔堤形式。但隨著宕渣、碎石、砂料等傳統(tǒng)建筑材料的緊缺、其工程成本也隨之提高，急需尋找一種簡單快速且經(jīng)濟新型的筑堤方式。

此時在江海河口、湖泊的綜合治理和港口航道的疏浚工程中，對原有河道和江河、水庫湖泊的清淤中產(chǎn)生大量的疏浚淤泥，模袋充淤筑堤技術[5]應運而生。該技術一方面解決了傳統(tǒng)材料短缺的難題，另一方面更好的解決了港口航道的疏浚淤泥的棄置問題。但是疏浚或者吹填產(chǎn)生的淤泥具有高含水率、高液限、高壓縮性、低強度、透水性差等特點，如何將模袋充填的淤泥快速固結硬化以達到滿足工程建設的需要是一項急需解決的問題。

C.J.SPRAGUE等[6]、D.LESHCHINSKY等[7]于20世紀90年代提出大型充泥土工模袋的基本設計理念：土工模袋保土和筑堤的結構性主要取決于土工織物的包裹作用，土工材料的設計應充分考慮材料孔徑及充填料粒徑；開發(fā)出了土工模袋的設計程序GEOCOPS。朱遠勝等[8]從原料、織造方式、孔徑大小、老化等角度討論對土工織物袋的選擇。閆玥等[9]通過對現(xiàn)有的設計方法的擴展和改進，編制了新的設計計算程序，用以計算扁平充灌袋的形狀、尺寸、泵送壓力、泥漿重度和拉應力的關系。周輝等[10]對珠三角某河灘軟土地基中采用大型土工織物充填袋筑堤時沉降及側向位移進行監(jiān)測和分析?，F(xiàn)有研究僅從理論、設計方面進行簡化闡述，缺乏實踐可操作性具有經(jīng)濟競爭力的施工方法；同時，施工監(jiān)測過程中缺少堤身模袋自身高度的變化，而充淤筑堤過程中最大的變形來自于模袋自身。

筆者從施工過程中堤身高度、孔壓及充填完成后堤身強度的控制、施工費用的分析提出了3種形式的模袋筑堤施工方法。同時，模型試驗為土工布的選型及泥漿濃度選擇提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗概況

1.1 試驗方案

本次模袋充淤筑堤科研開發(fā)項目現(xiàn)場實施主要依托浙江省某圍墾區(qū)吹填及軟基處理一期(A1區(qū))工程。試驗段模袋堤身主要為1#主堤西側150延米段內靠吹填區(qū)外側的1.5 m高的鎮(zhèn)壓棱體。擬建1 #隔堤的斷面設計如圖1。試驗方案包括筑堤試驗及排水模型試驗。

圖1 1#隔堤斷面Fig.1 Cross-section of 1# separation dam

1)試驗隔堤方案主要分為4種：①自排水式，利用普通編織布膜袋內設自排式縱橫管路(波紋管、軟式透水管)，在天然條件下將充灌泥漿中的水排出，固結形成堤身；②固化劑式，普通編織布膜袋內摻固化劑(水泥)以快速固結形成堤身；③真空預壓式，編織模袋充淤后進行水平插板、分層覆膜、多次循環(huán)抽真空，以充淤模袋壘疊形成堤身；④其他嘗試性筑堤方案。

各方案區(qū)段現(xiàn)場平面布置示意見圖2。

圖2 試驗現(xiàn)場平面布置示意Fig. 2 Schematic diagram of the experimental site layout

2)模型排水試驗主要分為模型袋排水試驗及掛袋試驗。

模型袋排水試驗：選取不同種類，尺寸相同的土工布模袋進行排水模型試驗。按常規(guī)比重現(xiàn)場調制泥漿，收集土工布模袋滲出的水或泥水量，通過觀測不同時間的出水量變化來檢驗不同類型土工布、同種類型土工布不同有效孔徑以及有無荷載情況下充填淤泥后排水特性。

掛袋試驗：選取兩種編織土工布材料裁剪掛袋，周長0.9 m，長1.0 m，懸掛于塔架上。在試驗現(xiàn)場配置不同濃度的泥漿，分別充入模袋中。通過比較濾水量的不同來研究泥漿濃度對充填后排水保土特性的影響，為充淤筑堤的充填泥漿比重的選擇及土工模袋選型提供參考。

1.2 試驗材料

試驗填充材料為自制泥漿，主要采用依托工程項目場區(qū)內淤泥制漿而成，表1為土體顆粒級配，黏粒含量為23.9%，粉粒含量為81.8%，土體顆粒粉性較高，表2為該區(qū)域土體物理力學性質指標。模型排水試驗分別采用2種編織布編號(編1、編2)，2種無紡布編號(無1、無2)。筑堤試驗模袋所用編織布為型號編2。袋體材料參數(shù)見表3。

表1 土粒粒徑級配

表2 土的物理力學性質指標

表3 土工布的物理力學特性

2 試驗結果與分析

試驗段填筑過程中堤身變形的性狀、袋內孔壓的變化規(guī)律以及檢測填筑完成后堤身土的物理力學性質是本次試驗過程中需要取得的數(shù)據(jù)。

3種筑堤方案各堤段設置一個監(jiān)測及檢測斷面，觀測項目為堤身變形監(jiān)測、每層袋內孔壓監(jiān)測；檢測項目為袋內十字板剪切試驗、袋內土樣室內土工試驗。試驗監(jiān)測斷面見圖3。

圖3 試驗監(jiān)檢測斷面示意Fig.3 Schematic diagram of monitoring and testing section

2.1 堤身變形監(jiān)測分析

選取3種筑堤方案的典型段繪制各層高度隨時間變化曲線及第1層袋體高度變化速率隨時間變化曲線，見圖4，圖5。統(tǒng)計第1層袋體及堤身的高度變化率見表4。

圖4 袋體高度隨時間變化曲線Fig.4 Variation curves of tube height changing with time

圖5 第1層高度變化速率隨時間變化關系曲線Fig.5 Variation curves of the change rate of height at the first layer changing with time

方案第1層袋體高度/mm堤身高度/mm復充完畢固結后變化率/%復充完畢固結后變化率/%自排水式(A)43623546.11919139527.3固化劑式(D)15811725.91803135924.6真空預壓式(O)60027953.5112883526.0

由圖4，圖5及表4可見：

1)每層袋體高度變化曲線呈雙曲線型，與沉降固結曲線類似，前期變化幅度較大，隨著時間的發(fā)展和土體的不斷固結，變化幅度漸趨于平緩。

2)O方案初期沉降速率變化最大，充填完成后8 d平均變化速率為32.62 mm/d，A方案次之，變化速率為14.06 mm/d，而D方案最小，變化速率為2.13 mm/d；A方案沉降速率趨于穩(wěn)定約需要30 d左右，D方案小于10 d，O方案約需20 d。

3)第1層袋體高度變化率自排水式方案(A段)與真空預壓式方案(O段)相當，約為50%，大于固化劑式模袋充淤筑堤方案(D段)的26%；堤身高度變化率平均約26%，自排水式方案(A段)與真空預壓式方案(O段)大于固化劑式方案(D段)，但相差不大。分析其原因，自排水式與真空預壓式這兩種方案只是排水形式不同，而袋體內所充填泥漿比重及組成相同。故袋體高度變化率相似，只是速率不同。摻固化劑式方案由于水泥固化劑與泥漿混合后發(fā)生水化反應，部分水分子形成了結合水而不再排出，故其高度變化率較低。

4)將第1層袋體高度變化率與堤身高度變化率相比較，堤身高度變化率小于第1層袋體變化率，平均約26%。堤身充填完成后高度的降低主要是由頂部幾層袋體引起，而下部袋體的固結沉降已較小，這樣在分子變化不大而分母堤身高度變大的情況下，其整體變化率變小。

5)堤身高度的變化率與所充填材料的性質有關，而與充填排水方式無關。

6)堤身高度的計算可根據(jù)由D.LESCHINSKY等[7]提出的一種較為實用地確定泥漿固結時袋體高度的計算方法“體積減少固結方法”。

根據(jù)一維壓密度的孔隙比與高度比的關系式：

(1)

而:

eSr=Gsω

(2)

泥漿飽和度Sr=1，則：

(3)

充填泥漿初始含水量ω0和最終含水量ωf可以利用體積與質量的基本關系得出。

計算試驗中3種方案下各區(qū)段隔堤第1層的高度降低率。選取Gs=2.7，初始含水率ω0=120%。計算結果見表5。

表5 計算結果

2.2 孔壓監(jiān)測分析

整理各段孔隙水壓力數(shù)據(jù)繪制成孔壓時程曲線，見圖6。

圖6 孔壓隨時間變化關系曲線Fig. 6 Variation curves of the pore water pressure changing with time

由圖6可見，初期袋體內的泥漿呈液態(tài)，孔壓計壓力與充填壓力有關，且與充填高度成正比。模袋復充和上層模袋鋪設時都會引起袋內孔壓的增大。靜置后，隨著袋中泥漿沉積固化，孔壓逐漸消散并漸漸穩(wěn)定。隔堤完全填筑結束后，模袋周圍若無重大擾動，孔壓總體呈下降趨勢并趨于穩(wěn)定。其次，A、D段的第1層袋體由于堤基砂層的排水作用，底層袋體的孔壓消散得最快。

O段由于施工方式為真空預壓，施工期間未產(chǎn)生較高的正孔隙水壓力，孔隙水壓力基本處于負值。隨著抽真空時間的延續(xù)，孔隙水壓力逐漸下降消散，當鋪設上層模袋而停止抽真空時，孔壓有顯著回升。此規(guī)律在孔隙水壓力曲線中表現(xiàn)尤為明顯。在抽真空期間，許多現(xiàn)場的不確定因素，如短時停電、密封膜破損、密封溝漏氣等，都會導致孔隙水壓力的波動。

2.3 十字板強度檢測分析

充填完成后原位十字板剪切強度是反映堤身強度能否達到設計要求的直接指標，其隨時間變化曲線見圖7。

圖7 十字板抗剪強度曲線Fig.7 Curves of the vane shear strength

由圖7可見：

1)自流式排水方案強度隨著排水時間緩慢增長，后期也有一定的增幅；摻固化劑方案強度增加主要在前期完成，土體強度增長較快，隨著土體的不斷固結，后期強度增長趨于緩慢；真空預壓方案的強度與抽真空與否有密切關系。

2)第1層堤身填筑完成兩個月后袋體內土體平均原位十字板強度，自流式排水10.00 kPa，摻固化劑14.84 kPa，立體真空預壓13.96 kPa，已達到子棱體鎮(zhèn)壓及人員簡易通行的要求。自流式排水方案與摻固化劑方案，模袋內土體表層形成約15 cm的表面硬殼層，且隨著模袋內土體深度的增加，十字板抗剪強度逐漸減小。摻固化劑方案表面硬殼層的形成速度及其強度均比自流式排水方案要快、高。真空預壓方案較前兩種方案，袋體內形成的土體強度均勻。

2.4 室內土工試驗分析

充灌后各階段主要物理力學性質見表6。袋內軟土的含水率、孔隙比和壓縮系數(shù)都有了大幅度的減少，密度、壓縮模量和十字板強度值都有大幅度的提高。數(shù)據(jù)顯示采用這3種方案均能顯著改善淤泥土物理力學性質，提高軟土的強度指標，使得堤身達到工程所需的強度要求。

表6 工后土體主要物理力學性質

3 排水模型試驗

3.1 模型袋排水試驗分析

按照試驗大綱方案，充填泥漿密度為1.32 g/cm3，分別充填4種土工布模袋。統(tǒng)計各模袋自然情況下及加載10 kPa情況下不同時間段濾水量，繪制成濾水量及速率隨時間變化曲線，見圖8。

由圖8可見：

1)從土工布類型來看，無紡土工布480 min平均濾水量為14.27 L，最大濾水速率為0.15 L/min；編織土工布480 min平均濾水量為11.24 L，最大濾水速率為0.12 L/min。無紡土工布的濾水量較大，且前期濾出水量速率略高。

圖8 模袋濾水量隨時間變化曲線Fig. 8 Variation curves of the water yield in mold bag changing with time

2)從相同土工布不同材料參數(shù)來看，編1濾水量及濾水速率大于編2，則對于編制土工布而言，濾水量及濾水速率與有效孔徑O95呈正比。無3濾水量及濾水速率小于無4，對比無3、無4材料參數(shù)，其有效孔徑及滲透系數(shù)基本一致，但單位面積質量無3大于無4，且實際施工過程中，由于灌漿時漏漿、天氣等因素的影響，兩袋出水體積有一定的差別。

3)自排水情況下，模袋平均濾水量為11.2 L；最大平均濾水速率為0.1 L/min；加載條件下，模袋平均濾水量為22.1 L；平均濾水速率為0.23L /min。在10 kN/m2荷載作用下，模袋的濾水量及濾水速率約為自排水情況下2倍。說明在模袋上部施加荷載，有利于加快模袋內土體的排水固結?，F(xiàn)場嘗試對無紡土工布模袋進行加荷，無3、無4均未加至10 kN/m2的荷載已爆裂，由此看出土工布模袋需滿足一定的抗拉強度，且選擇施加合適的外荷載。

3.2 掛袋試驗分析

選取編1、編2兩種土工布材料，在1.30、1.24、1.18、1.10四種泥漿比重情況下進行掛袋試驗。所得數(shù)據(jù)經(jīng)整理分析見圖9。

由圖9可見：

1)模袋的濾水速率隨著時間呈先急后緩慢趨于平衡的趨勢，與排水模型試驗所展現(xiàn)規(guī)律基本一致。而相同時間下，模袋濾水量與泥漿比重呈反比。

2)編織土工布模袋的排水效率及保土效率可通過式(4)、式(5)來表示：

(4)

(5)

式中：DEw為排水效率，%；SEs為保土效率，%；ms初、ms終分別為灌入土工模袋初始及最終土顆粒質量，kg；mw初、mw終分別為灌入土工模袋初始及最終濾水質量，kg。

計算結果見表7。

表7 掛袋試驗排水保土效率計算

由表7可見：

1)保土效率隨著泥漿比重增大呈現(xiàn)兩頭小中間高的趨勢。泥漿比重在1.18～1.24時保土效率較高，最高為96.23%。當泥漿比重為1.10、1.30時，保土效率則較低，最低為59.02%。排水效率則與泥漿比重呈反比，即隨著泥漿比重的增加而逐漸減小。

2)在能夠保證模袋的排水保土效果的前提下，盡可能的選取有效孔徑較大的土工模袋。結合本次現(xiàn)場試驗，選取模袋充淤泥漿比重1.20，既能保證模袋的保土性，又能獲得較好的排水性，比較符合模袋充淤筑堤的實際。

4 經(jīng)濟性比較

將本次試驗模袋模袋淤泥筑堤的3種施工方案以及傳統(tǒng)筑堤方案的吹填砂袋與宕渣填筑的直接工程費進行估算，見表8。

表8 工程費估算

由表8可見：

1)宕渣填筑無疑是最經(jīng)濟的施工方法，但由于各施工地域的限制，部分施工現(xiàn)場缺乏宕渣料的來源，嚴重制約了該工法的實施。吹填砂袋筑堤施工成本最高，該工法形成的堤身的結構性穩(wěn)定性卻要高于模袋充淤筑堤，在施工要求較高，有穩(wěn)定砂料來源的情況下，使用吹填砂袋填筑隔堤較為適宜。

2)模袋淤泥筑堤方法經(jīng)濟性居中。3種施工方法各有特點。自流排水式的結構性穩(wěn)定性最低，施工時間較長，但對施工條件的要求最少，經(jīng)濟性居中；摻固化劑式的施工成本受固化劑市場價格的影響較大，且在施工前需進行試驗性施工，對施工條件要求居中；真空預壓式的結構性穩(wěn)定性最高，而對施工條件的要求最高，其經(jīng)濟性較差。

5 結 論

1)通過現(xiàn)場試驗提出了3種較為合理可行的土工模袋充填淤泥填筑隔堤施工工法。方案1自流排水式模袋充淤筑堤方案固結時間稍長，但施工方便，方案經(jīng)濟，適用于對工期無特殊要求，且堤身承載力要求不高的情況；方案2摻固化劑式模袋充淤筑堤方案在選擇合適固化劑及摻入量的情況下能夠快速固化使得隔堤達到一定強度和承載力，施工方便，方案2缺點是方案價格略高于方案1，固化劑采用常規(guī)水泥并不會對自然環(huán)境產(chǎn)生影響，但對于其他高強度化學固化劑需要進行環(huán)境影響分析；方案3真空預壓式模袋充淤筑堤方案在抽真空作用下強制排水，使得堤身能快速獲得強度，其缺點是對施工現(xiàn)場條件要求較高。

2)模袋高度變化曲線呈雙曲線型，與沉降固結曲線類似，前期變化幅度較大，隨著時間的發(fā)展和土體的不斷固結，變化幅度漸趨于平緩。模袋高度變化可采用“體積減少固結法”進行估算。

3)孔壓計壓力與充填壓力有關，且與充填高度成正比。模袋復充和上層模袋鋪設時都會引起袋內孔壓的增大。靜置后，隨著袋中泥漿沉積固化，孔壓逐漸消散并漸漸穩(wěn)定。真空預壓式模袋充淤筑堤方案孔壓變化與抽真空施工密切相關。

4)強度及土體性質的檢測顯示固化劑式堤身強度最大，真空預壓式次之，自排水式最低。

5)無紡土工布模袋排水特性優(yōu)于編織土工布模袋，對于同種編織土工布模袋排水特性與有效孔徑成正比。根據(jù)土工模袋的抗拉強度選擇合適的施加荷載，有利于加快模袋內土體的排水固結。

6)掛袋試驗顯示，模袋濾水量與泥漿比重呈反比。編織布模袋內充填泥漿比重為1.2時，其保土效率及排水效率均較高，比較符合模袋充淤筑堤的實際，可嘗試應用于實際。

7)從施工經(jīng)濟性方面來看，傳統(tǒng)施工方法由于各施工地域的限制，部分施工現(xiàn)場缺乏施工材料的來源，而嚴重制約了工法的實施。此種情況下，采用模袋充淤填筑隔堤無疑是一種不錯的選擇，以一定的成本提高而完成施工任務，達到設計要求。根據(jù)施工經(jīng)濟性、技術要求、工期、施工條件等合理的選擇才能發(fā)揮各方案的優(yōu)勢。

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(責任編輯：譚緒凱)

FieldTestonSeparationDikeBuiltwithSlurryFilledGeotextileTubes

WU Yuelong1, TANG Tongzhi2, XU Bo3, ZHANG Hong1, ZHANG Jinliang1

(1. Nanjing R & D Tech Group Co., Ltd., Nanjing 210029, Jiangsu, P.R.China; 2. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, P.R.China; 3. Nanjing Water Planning and Designing Institute Co., Ltd., Shanghai 201900, P.R.China)

Using geotextile tubes filled with slurry for building separation dike is a kind of new method. At first, the coastal beach silt was filled into appropriate size of woven geotextile tubes by high pressure mud pump, then the dike was formed by the drained tubes and stacked layer by layer, so a large amount of sand and gravel resources was saved. Three different drainage and consolidation types were proposed, including natural drainage, consolidation agent and vacuum preloading. Field tests were carried out and the deformation of dike body, the variation rule of pore water pressure in tubes, the vane shear strength, the physical and mechanical properties of soil under the condition of different drainage forms were studied. At the same time, the model drainage test and hanging bag test provide the technical basis for the selection of geotextile bags and the concentration of filling slurry. Through the comparison of the economy of traditional construction method and building dike method with slurry filled geotextile tubes, it is proved that the proposed method has strong market competitiveness.

geotechnical engineering; geotextile tubes filled with slurry; separation dike of hydraulic reclamation area; monitoring and testing; drainage test of mold bag

TV522

：A

：1674- 0696(2017)09- 066- 07

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.13

2015-12-10；

：2016-10-15

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金重點項目(Y315016)；水利部公益性行業(yè)科研項目(201501043)；國家自然科學基金項目(51408381)

吳月龍(1982—)，男，江蘇高淳人，高級工程師，主要從事軟粘土力學、地基處理方面的研究。E-mail:ylwu@nhri.cn。