三维复合排水垫在航道护岸工程中的应用研究

刘 旺 喜

(长江航道局，湖北 武汉 430010)



三维复合排水垫在航道护岸工程中的应用研究

刘 旺 喜

(长江航道局，湖北 武汉 430010)

针对不良地质条件下传统砂石反滤结构反滤性能不足的问题，提出采用三维复合排水垫的新型排水反滤结构，并通过室内实验测定了其排水性、反滤性和耐久性等参数。结合长江中游湖广-罗湖洲河段航道整治工程应用实践，分析了三维复合排水垫的效果及应用条件和特点，可为同类工程提供经验借鉴。

航道工程；三维复合排水垫；航道整治；护岸工程

0 引 言

长江作为我国第一大河流，是全国内河航运最重要的水运主通道，水运条件十分优越。长江水道是连接我国东、中、西部地区的重要纽带，是长江沿江经济持续、快速发展的重要支撑，更是推动长江经济带发展的重要依托。“十二五”期间，提出要将长江航道建成畅通、高效、平安、绿色现代化内河水运体系。为实现这一目标，长江干线多个河段开展了航道建设工程。

长江中下游河段一直是长江航道重点整治对象。因河床、河岸组成物质抗冲性能较差，河道冲淤演变频繁，导致河势易发生改变，航道难以稳定。在这些河段的航道整治工程中，常用护岸来保护河岸或者洲滩，而护岸建筑物的结构型式和材料的选择是航道整治工程设计的重要环节。对于护岸工程，渗流是导致岸坡损坏的重要因素之一，岸坡的渗透破坏是从渗流出口开始，向岸坡内部发展，最后形成渗流破坏而导致失事。因此保护渗流出口不遭到渗流破坏，是保证渗流稳定的主要途径[1]。J．L．Sheard[2]提出：“当前防止土石坝渗透破坏的首道防线应是反滤层”。这是因为反滤层能充分发挥“滤土”和“排水”作用。“滤土”能够防止颗粒流失，保障被保护土层不发生管涌、流土等有害的渗透变形，同时能够阻止被保护土颗粒进入反滤层，引起滤层淤塞；“排水”是能够使进入反滤层的渗透水排走，渗透水压力全部或大部分消失，从而达到渗透稳定的目的。太沙基等[3]于1922年提出著名的用反滤层防止土体渗透破坏的理论和滤层原则，该理论的出现为设计反滤层提供了具体方法。20世纪七八十年代及以后，许多学者针对太沙基准则不宜用于宽级配土料的限制，通过实验研究提出了一些新的滤层准则。郭庆国等[4]详细介绍了被保护土的分析方法及滤层准则的研究及应用等，并就砂石滤层的材料质量、填筑宽度、压实要求、防止分离、污染及施工方法等问题进行了探讨[5]。程琨等[6]根据反滤层“滤土”和“排水”功能，对反滤层的构造、设计方法等方面做了较为系统的探讨。曾亚东等[7]在淮河航道治理中探讨了单层聚丙烯编织布加筋而成的土工布在细沙航道整治中作为铰链排排垫反滤与抗冲作用。

在长江中下游河道治理的岸坡反滤大多采用传统砂石反滤层结构型式，即以黄砂和碎石为主进行反滤排水的结构，在一定程度起到排水反滤作用。但是，当出水点偏高，浸润线抬高过多时，若发展严重，超出安全渗流限度，即可能导致土体发生渗透变形，使得岸坡出现流土、陷坑或漏洞，甚至出现滑坡或崩岸等险情。长江中游碾子湾水道水上护坡工程竣工十年后，渗流严重部位多处出现鼓包或塌陷现象(图1)，大大增加了后期维护成本。付贵海[8]提出用无砂混凝土作反滤层的想法。无砂混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔混凝土，它不含细骨料，由粗骨料表面包覆薄层水泥浆相互黏结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构。陈志强等[9]对混凝土劈离砌块在内河航道护岸工程中作为复合护面结构取代传统材料方面进行了相关的试验和应用研究。杨耀升[10]则提出用土工织物或土工复合材料代替或部分代替传统砂石料进行反滤和排水。

图1 护坡渗流、鼓包现象Fig.1 Seepage, bulging phenomenon of the slope protection

尽管对于地质条件较差的河段护岸工程的反滤和排水结构研究较多，但是在实际工程中，现有理论及方法仍然存在不少的问题，从而导致护岸工程失败。在新的形势下，由于长江中下游大量航道建设工程正在开展，积极探索新结构、新材料、新工艺是打造“畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系”中需要解决的问题。笔者针对不良地质条件下传统排水反滤措施中的不足，提出将三维复合排水垫用于航道护岸工程，通过室内实验测定了其性能参数，并将其应用于长江中游湖广-罗湖洲河段航道整治工程实践，取得了良好的效果。

1 三维复合排水垫简介

土工合成材料的不断发展，为工程问题的解决提供了更多的选择。利用土工合成材料独有的性能，并与实际工程情况相结合，用以改进传统方案中的某些不足，已成为当前工程领域的一种趋势。基于这种思路，通过总结分析长江中下游护岸工程的实际情况，并研究对比各种可能适用的土工合成材料，最终决定在不良地质条件下的岸坡采用马克菲尔(长沙)新型支档科技开发有限公司开发生产的三维复合排水垫替代传统砂石排水反滤层。

三维复合排水垫是一种三维排水结构，其由经过特殊加工挤压形成“W”型或“M”型三维聚丙烯网垫作为纵向全断面排水通道，再与两层针刺并经热处理的无纺土工布通过热黏合而成的整体(图2)。该结构具有较好的分离、排水、过滤以及加固等功能，其材料组成、尺寸参数及主要的性能指标见表1，其中：反滤层原材料为抗紫外线稳定的聚丙烯，结构为针刺并经过热处理的无纺土工布；排水芯材原材料为含炭素的、抗紫外线稳定的聚丙烯，结构为经特殊挤压作用形成“W”或“M”形排水结构。尽管施工工艺或细部构造与航道工程中有所区别，但其在建筑工程、道路工程、隧道管涵工程、垃圾填埋场等领域已有较为广泛的应用。

图2 三维复合排水垫Fig.2 Three-dimensional composite drainage mat

主要指标参考标准数值公差/%三维复合排水垫厚度/mmENISO9863-17.0+10单位重量/(g·m-2)ENISO9864660+10纵向拉伸强度/(kN·m-1)ENISO10319≥13—反滤层单位面积质量/(g·m-2)ENISO9864105+15厚度/mmENISO9863-10.75+20等效孔径/μmENISO12956100+26垂直渗透流量/(m-2·s)ENISO11058110-30CBR顶破强力/kNENISO122361.3+20

2 三维复合排水垫的性能测试分析

三维复合排水垫已在部分工程中开展了尝试性应用，对其部分特性、参数已有初步了解，但是其在大型航道工程中的应用尚属首次。为正确使用三维复合排水垫，以确保长江航道护岸工程反滤排水结构的有效运行，结合长江中游湖广-罗湖洲河段航道整治工程西河铺护岸的水文地质条件，对其各方面的特性进行全面的测试。

2.1 排水性能

三维复合排水垫由内部排水芯板和外侧无纺土工布组成。其中，排水芯板主要用于集水、排水，同时还需满足耐压等要求。为了对比碎石排水层和三维复合排水垫的排水性能，针对两者的特点设计了排水性能的对比试验。试验方案布置如图3，保持注水量条件一致，一侧设置碎石排水层，另一侧设置三维复合排水垫，在其底部设置排水孔测量相同时间下的排水量。

图3 两种结构的排水率对比试验方案设计Fig.3 The scheme design of the contrast test for the drainage rate with two structures

结果表明，7 mm厚三维复合排水垫与120 mm厚砂层组成的反滤层的排水速度远大于传统的150 mm厚碎石与120 mm厚砂层和无纺布组成的反滤层。

为了研究芯板所受法向荷载对导水率的影响，通过专门的导水率测试仪器——卧式通水能力测试仪详细测量了三维复合排水垫施加不同荷载时相应的导水率。

试验结果表明，法向荷载不同，其纵向导水率也不同。这是因为芯板在承受压力时，其过水通道将缩小，从而影响排水性能。优良的排水芯板应在承受较大法向荷载时仍能保证较高的纵向导水率。试验结果也表明，三维复合排水垫即使在承受较大法向荷载的情况下仍具有很好的排水性能。

2.2 反滤性能

无纺土工布主要起反滤作用，即防止被保护土体流失从而引起渗透变形。首先，土工布要能有效防止土壤的流失，则其有效孔径不宜过大；其次，土工布需要保证渗透水的通畅排除；最后，土工布还不能被细土颗粒淤堵失效。据此，反滤层需满足以下条件：①保土性：O95≤nd85；②透水性：Kg≥AKs；③防淤堵性：GR≤ 3。

为达到上述要求，结合工程实践区域的水文地质条件，反滤层所采用的土工布的主要技术参数为：①等效孔径：100±26 μm；②垂直渗透系数：2 mm/s；③单位克重：105±15 g/m2。

通过室内试验测试，三维复合排水垫采用的无纺布能够满足以上要求，具体测试结果见表2，测试结果与厂家性能指标基本匹配。

表2 三维复合排水垫主要性能参数测定结果统计

2.3 耐久性

耐久性主要是指对紫外线辐射、温度变化、化学与生物腐蚀、干湿变化、冻融变化等外界因素的抗御能力，主要取决于产品所采用的原料和使用的环境。三维复合排水垫的原料主要为聚丙烯和各种添加剂，聚丙烯本身抗紫外线辐射能力较差，但通过改变材料的配方，添加抗老化剂，可大大增加其耐久性。同时，三维复合排水垫一般埋在地下，可大大降低紫外线、气温变化等的影响。因此，配方良好的三维复合排水垫在通常的使用环境下具有较好的耐久性。笔者所采用的三维复合排水垫采用含炭素的、抗紫外线稳定的聚丙烯材料，完全满足工程使用要求。

对于三维复合排水垫，除上述材料特性外，其单位面积质量、抗拉强度和CBD顶破强度等参数对于工程实践均有重要指导作用，对这些参数也进行了详细的测量，结果均统计于表2。综合来看，三维复合排水垫具有良好的排水反滤性能，其各项物理化学指标亦能够满足工程实际要求。

3 工程应用效果分析

3.1 工程应用情况

为检验三维复合排水垫的排水反滤性能，选择长江中游湖广-罗湖洲河段西河铺护岸部分存在不良地质条件的岸段进行应用。

长江中游湖广—罗湖洲河段位于武汉下游约48 km，工程河段上起白浒镇、下至三江口，全长约29 km，包括湖广、罗湖洲两个水道。为了稳定河势，达到并维持航道标准4.5 m×200 m×1 050 m(水深×航宽×弯曲半径)，需实施相应的航道整治工程。其中包括采用护岸工程对左岸西河铺1 858 m长的岸线进行守护。西河铺护岸工程岸坡主要由软塑状粉质粘土构成，该土层承载力120 KPa，满足要求。但该土层抗剪强度很低，凝聚力15 KPa，内摩擦角仅9°，岸坡守护工程存在边坡稳定性问题。且该土层渗透系数小，排水固结慢，很难利用自然固结提高其强度。在岸坡结构设计时需布设排水措施，加速粉质黏土排水，提高其强度，增强岸坡稳定性。

鉴于工程中岸坡含水量大，对于渗水处理要求较高，因此采用三维复合排水垫进行排水反滤，其上则采用生态型钢丝网格结构进行防护。工程方案典型断面和细部结构如图4和图5。

图4 西河铺护岸工程典型断面Fig.4 The typical cross section of Xihepu revetment engineering

图5 西河铺护岸工程断面细部结构Fig.5 The detail structure for the cross-secion of Xihepu revetment engineering

3.2 应用效果分析

西河铺护岸工程已于2013年施工完成，工程完工的近2年内，多次对工程的稳定性、排水反滤效果进行检验。结果表明：三维复合排水垫具有较好的排水反滤性能。在退水期，表层地下水能很快通过三维复合排水垫外渗排出坡面，避免以往因水压力过大造成岸坡“鼓包”等现象的发生，收到了预期的效果。

综合来看，三维复合排水垫具有较好的排水反滤性，施工便捷，适宜作为不良地质条件下的岸坡反滤结构。相比传统的结构，其优势主要体现如下。

3.2.1 优良的排水反滤抗淤性能

1)过滤性：两边由非织造布复合的内芯材料，提供了极好的分离砂层和垂直过滤功能，可以防止砂土流失。

2)排水性：水平加固交叉网结构在不同方向上形成了6～20 mm高的排水通道。当其中某一点受到意外损坏时，相互独立的网结构能防止情况恶化，保证排水通道畅通无阻。

3)抗淤积：中间的聚丙烯排水材料结构提供了各个方向上的排水性能，如有一定的坡度，它能有效地排除土壤的水分，无纺土工布的保护则提供了极强的抗淤积能力。

3.2.2 具有较好的工程力学性能

此种复合排水材料具有较好的拉伸和压缩性能，以保证排水板不被土体压力压坏，是一种理想的加固及支撑材料；三维复合排水垫本身具有一定抗压强度和抗剪强度，并允许一定的厚度变形，可以起到坡体找平层和应力扩散层的作用。

3.2.3 施工便捷

三维复合排水垫质轻，无需机械辅助，仅人工即可施工；相邻之间通过简单搭接即可保证施工的连续性；无需高级技工及特殊的施工工具，通常情况下，普通切割器具、钉子和锤子配合即可完成施工。

3.2.4 耐久性好

具有极好的化学稳定性、耐久性、防腐能力以及抗风化能力。

4 结 语

通过试验测定了三维复合排水垫的排水性能、反滤性能及耐久性等多项参数，表明其具有良好的排水反滤效果。虽然三维复合排水垫代替砂石垫层在航道整治护岸工程的运用尚属首次，但从实际运用情况看，其排水反滤效果良好，为长江航道整治护岸工程不利水文地质条件下的岸坡防渗排水处理提供了宝贵经验，具有十分重要的指导意义。

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Application Research on Three-Dimensional Composite Drainage Matin Waterway Revetment Project

Liu Wangxi

(Changjiang Waterway Bureau, Wuhan 430010, Hubei, China)

Considering the poor anti-filtration performance of the traditional sand filter under the bad geological conditions, a three-dimensional composite drainage mat was proposed and applied as a new drainage filtration structure, and its parameters including drainage, anti-filtration and durability were tested by indoor experiments. The effect, application condition and characteristics of the three-dimensional composite drainage mat were discussed based on its application in Huguang-Luohuzhou waterway regulation project in the middle reach of the Yangtze River, which provided experience and references for similar engineering projects.

channel engineering; three-dimensional composite drainage mat; Waterway regulation; Revetment engineering

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.15

2014-05-23；

2015-08-05

刘旺喜(1965—)，男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事航道整治技术及航道建设管理方面的研究。E-mail: 353456012@qq.com。

U614；TV145.1

A

1674-0696(2015)05-075-04