上海市生態(tài)護岸建設中生態(tài)袋關鍵材料參數(shù)試驗研究

張琳琳

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

近年來，上海市河道建設深入貫徹黨對生態(tài)文明建設的要求，在各類河道整治工程中應用的生態(tài)護岸型式多種多樣，取得了較好的生態(tài)效果。經(jīng)過調研發(fā)現(xiàn)，生態(tài)袋材料已經(jīng)在上海市生態(tài)護岸建設中得到了廣泛的應用[1]。

生態(tài)袋是指由聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP）為原材料加工成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子。生態(tài)袋護坡是指利用生態(tài)袋建造的柔性生態(tài)護坡，生態(tài)袋內填充基質材料，可為植物提供扎根場所，較傳統(tǒng)的硬質護坡更為環(huán)保、經(jīng)濟及生態(tài)。為了保證生態(tài)袋護坡的質量和生態(tài)效果，應對生態(tài)袋的單位面積質量、橫/縱向拉伸強度、橫/ 縱向伸長率、橫/ 縱向梯形撕裂強度、CBR 頂破強度、垂直滲透系數(shù)、等效孔徑O90、橫/ 縱向強度保持率等關鍵材料參數(shù)進行嚴格的篩選。2013 年，上海市水務局印發(fā)的《上海市河道生態(tài)治理設計指南（試行）》針對生態(tài)袋的上述部分關鍵材料參數(shù)提出了具體要求，如表1 所列。

表1 《指南》中對生態(tài)袋材料參數(shù)的要求一覽表[2]

然而，表1 存在材料參數(shù)指標不全、要求不明確等問題，給實際應用帶來了困難。現(xiàn)針對該問題，通過材料試驗的方法，開展上海市生態(tài)護岸建設中生態(tài)袋關鍵材料參數(shù)的研究工作。

1 生態(tài)袋材料試驗簡述

通過市場調研，從已在上海市護岸工程建設中應用過的生態(tài)袋供應商處采購樣品（詳見表2），通過單位面積質量測定、等效孔徑試驗（干篩法）、垂直滲透試驗、握持拉伸試驗、梯形撕破試驗、圓柱（CBR）頂破試驗、熒光紫外燈老化試驗等獲得生態(tài)袋樣品的關鍵材料參數(shù)。上述試驗方法詳見《土工合成材料測試規(guī)程》（SL 235—2012）[3]。具體檢測項目、對應方法等見表3 所例，材料試驗委托上?？睖y設計研究院有限公司土工合成材料檢測中心開展。圖1 為生態(tài)袋材料試驗現(xiàn)場之實景。

圖1 生態(tài)袋材料試驗現(xiàn)場之實景

表2 生態(tài)袋采購樣品表

表3 生態(tài)袋關鍵材料參數(shù)檢測表

2 生態(tài)袋材料試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 材料試驗數(shù)據(jù)成果

通過上述材料試驗，共獲得75 組關鍵材料參數(shù)（除橫/ 縱向強度保持率數(shù)據(jù)外），以及40 組橫/ 縱向強度保持率參數(shù)，限于篇幅表4 僅列出其中10 組材料參數(shù)。

表4 生態(tài)袋關鍵材料參數(shù)試驗部分數(shù)據(jù)一覽表

2.2 生態(tài)袋材料試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析

首先，按照常規(guī)土工合成材料檢測試驗的要求，通過計算得到關鍵材料參數(shù)的統(tǒng)計學意義上的算術平均值、標準差和變異系數(shù)，計算公式見式（1）～ 式（3），計算結果見表5 所列。

表5 生態(tài)袋材料性能試驗數(shù)據(jù)一覽表

算術平均值：

標準差：

式中：n 為試樣數(shù)量；xi為第i 試樣的測試值；為n塊試樣測試值的算術平均值（簡稱平均值）；σ 為標準差；CV為變異系數(shù)。

從表5 所列數(shù)據(jù)可以看出：在目前尚未建立統(tǒng)一生態(tài)袋生產(chǎn)技術標準的前提下，生態(tài)袋的關鍵材料參數(shù)生產(chǎn)標準呈現(xiàn)出局部上的有序性和總體上的不穩(wěn)定性，亟需具有統(tǒng)一標準的規(guī)范。

其次，通過利用數(shù)據(jù)分析軟件Origin 進行繪圖，再根據(jù)數(shù)值分布情況選取適合的概率統(tǒng)計模型進行擬合。經(jīng)分析，各項材料參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布模型，故選取Gauss 正態(tài)分布函數(shù)數(shù)值模型進行非線性曲線擬合。Gauss 數(shù)值模型見式（4），曲線及參數(shù)意義見圖2 所示。

圖2 Ga us s 正態(tài)分布函數(shù)曲線模型及參數(shù)意義曲線圖

（1）單位面積質量試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：163.7 g·m-2），圖3 為單位面積質量試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖3 單位面積質量試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：g/m2）

（2）縱向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：13.2 kN/m），圖4 為縱向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖4 縱向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN/m）

（3）橫向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：14.2 kN/m），圖5 為橫向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖5 橫向拉伸強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖(單位：kN/m)

（4）縱向伸長率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：43.9 %），圖6 為縱向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖6 縱向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

（5）橫向伸長率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：64.1 %），圖7 為橫向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖7 橫向伸長率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

（6）縱向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：0.38 kN），圖8 為縱向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖8 縱向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN）

（7）橫向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：0.34 kN），圖9 為橫向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖9 橫向梯形撕裂強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN）

（8）CBR 頂破強度試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：2.21 kN），圖10 為CBR 頂破強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖10 CBR 頂破強度試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：kN）

（9）垂直滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：0.46 cm/s），圖11 為垂直滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖11 垂直滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：cm/s）

（10）等效孔徑O90試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95%保證率閾值：0.2 mm），圖12 為等效孔徑O90試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖12 等效孔徑O90 試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：mm）

（11）縱向強度保持率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95 %保證率閾值：98 %），圖13 為縱向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖13 縱向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

（12）橫向強度保持率試驗數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計分析結果（95 %保證率閾值：98 %），圖14 為橫向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖。

圖14 橫向強度保持率試驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖（單位：%）

2.3 生態(tài)袋材料推薦參數(shù)

依據(jù)上述概率統(tǒng)計分析結果，可以得到目前應用于上海市生態(tài)護岸建設中生態(tài)袋材料的各關鍵材料參數(shù)的概率密度函數(shù)及95 %保證率的閾值?，F(xiàn)結合《上海市河道生態(tài)治理設計指南（試行）》推薦標準，特提出如下生態(tài)袋材料關鍵參數(shù)指標推薦值（見表6）。

表6 上海市生態(tài)護岸建設中生態(tài)袋材料關鍵參數(shù)指標推薦值一覽表

3 結論

從已在上海市護岸工程建設中應用過的生態(tài)袋供應商處采購試驗樣品，委托上海勘測設計研究院有限公司土工合成材料檢測中心開展了材料試驗，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)。然后應用概率統(tǒng)計學原理，以Gauss 分布函數(shù)數(shù)值模型為基礎，通過origin 數(shù)據(jù)擬合軟件對生態(tài)袋材料的性能檢測數(shù)據(jù)進行擬合，得出了各關鍵材料參數(shù)滿足95%保證率的指標閾值，然后結合《上海市河道生態(tài)治理設計指南（試行）》提出了生態(tài)袋關鍵材料參數(shù)的指標推薦值。其成果可為上海市生態(tài)袋護坡的設計、施工、質檢提供技術支撐。此研究成果亦可為國內生態(tài)袋產(chǎn)品指標提供參考。