大型土工织物充填袋围堰设计方法研究

2017-12-01邓彪

水利规划与设计 2017年10期

关键词：砂袋施工期土工

邓彪

（江西省水利规划设计研究院，江西省水工结构工程技术中心，江西南昌 330029）

大型土工织物充填袋围堰设计方法研究

邓彪

（江西省水利规划设计研究院，江西省水工结构工程技术中心，江西南昌 330029）

为研究红谷隧道围堰工程中单个土工织物充填袋在充填及运行过程中工作特性，综合考虑土工合成材料加筋机理及筋材抗拉强度和变形性质后，采用圆弧滑动法对土工织物充填袋围堰的抗滑稳定性进行验算。结果表明：历史最低水位运行时，当堆积达到22层后，充填袋张力最大约为36kN/m，已超过常用土工织物充填袋的抗拉强度，需在围堰高程12.0m以下区域采用一定的加筋措施或高强度土工织物充填袋。同时，建议充填袋接缝放置在土工织物充填袋底部中间位置，以提高充填袋围堰整体安全稳定性。

围堰；土工织物；充填袋；抗滑稳定

土工织物充填袋围堰是一种新型围堰型式，主要采用属于土工包裹系统的长管袋充填砂袋作为主要填筑体［1］。目前，国内有关土工织物充填袋围堰施工应用有很多成功范例，设计方面主要关注围堰整体稳定、变形及应力特性，对单个土工织物充填袋在充填及运行过程中工作特性关注较少，在土工织物选型方面更多是依靠工程类比［2］。根据红谷隧道围堰工程设计现状，在初拟围堰截面基础上，对结构整体抗滑稳定性进行分析，以验证围堰坡度设计合理性。其次，研究土工织物充砂袋在充填及围堰运行过程中的受力情况，以掌握充砂袋周向拉力随充填体压应力的变化规律，进而提出确保充砂袋不破坏的充填压力，并提出不同堆积方式下充填砂袋允许抗拉强度，最终设计合适土工织物型式。

1 大型土工织物充填袋围堰设计内容

按照《水运工程土工织物应用技术规程》（JTJ/T239-98）规定，对于土工织物袋充填筑堤设计应包括下列内容：（1）堤整体稳定验算；（2）充填袋层间稳定验算；（3）土工织物保土、透水性能指标选择；（4）充填料与充填料干容重选定；（5）护面与护底设计。

由于土工织物充填袋属于典型的土工包裹系统，作为包裹材料的土工织物，其型式选择特别是抗拉强度方面选取对于整个土工包裹系统设计至关重要，如果土工织物强度不能满足设计要求，单个土工织物充填袋会发生破坏，进而可能导致整个堰体发生垮塌。因此，对于土工织物充填袋围堰而言，不仅需要对围堰整体进行抗滑稳定验算以验证围堰坡度设计合理性，还需研究土工织物充砂袋在充填及围堰运行过程中的受力情况、充填压力和允许抗拉强度，防止充砂袋损坏而使围堰堰体破坏，确保设计方案具有较高安全可靠性。

2 大型土工织物充填袋围堰分析方法

2.1 土工织物充填袋围堰工作性态分析

从受力性能上说，土工织物充填砂袋围堰实质为一种加筋土坝。由于土工管袋筋材的布设，改变了土体不能受拉的性能。试验证明：加筋砂试验与无加筋砂试验的破坏包络线基本平行，即其内摩擦角近似相等，两者凝聚力不同［3］。基于此理论，加筋材料的加筋效果相当于增加一个凝聚力Cp，具体函数表达为：

式中，Cp-拟凝聚力；Rf-单位厚度土工合成材料试样（纵向）中筋材的极限抗拉强度；Sy-土工合成材料层间距；Kp-被动土压力系数。

按照《水运工程土工织物应用技术规程》（JTJ/T239-98）规定，采用瑞典圆弧法进行稳定性分析。

2.2 单个土工织物充填砂袋受力分析

在充填长管袋设计中，通常忽略充填袋的刚度和变形，假定为完全柔性且不可伸长；充填袋在充填砂浆的作用下通过调整自身形状来达到受力平衡。根据假设，可得到单个充填袋的横截面形态图，如图1所示。图中，h为充填袋高度，b为充填袋底部水平面得宽度，B为充填袋横截面的最大宽度值，r（x）为纵坐标为x位置处的曲率半径，T为袋体所受的拉力，p（x）为纵坐标为 x位置处的压应力，p0为充填袋充填口处的压应力。根据力学平衡原理及几何学理论，可得充填袋形态控制方程：

点O处的边界条件：

袋体周长约束条件：

如果参数（T，h，p0）某一被确定，就可联立式（2）～（4）得出解。式（2）控制方程为二阶非线性微分方程，可采用迭代解法直接求解方程［4］或利用椭圆积分进行变换求解。

图1 充填袋横断面示意

2.3 多个土工织物充填砂袋堆积时受力分析

土工织物充填袋单个摆放时稳定性较差，将它们堆积起来可提高稳定性。对于有m个充填砂袋堆叠的情况，充填袋从下往上依次编号为①、②、③…。根据对称性，只取右半部分进行分析，将所有充填袋分为2m个部分，第n（n=1，2，…，m）个充填袋与第n-1个充填袋（当n=1时为地基）的重叠部分记作第2n-1部分，与空气接触部分记作第2n部分，划分依据是各部分受力表达式不同。图2为3个充填袋堆叠示意，即：第①个充填袋与地基重叠部分记作第1部分；与空气接触部分记作第2部分；第②个充填袋和第①个充填袋重叠部分记作第3部分，以此类推。对各部分取局部坐标来分析，以下的分析均以n来表示管袋编号，以i来表示所分成各部分的编号。采用无量纲分析法，定义为：

式中，Xi，Yi-第 i部分的横、纵坐标；Si-弧长；Ln、An、Pn、Tn、ρn-第n个充填袋的总周长、截面面积、底部相对于O点的总压力、张力和充填料密度；g-重力加速度。由于不考虑充填袋与袋内流体、充填袋与地基和充填袋之间的摩擦力，各充填袋本身张力处处相等。

图2 堆叠充填袋计算模型

3 大型土工织物充填袋围堰设计实例

3.1 工程概述

红谷隧道位于南昌大桥与八一大桥之间，是连接南昌市红谷滩新区与老城区的关键工程。隧道围堰工程系临时性水工建筑物，其结构型式应在满足安全运用基础上，具备结构型式简单、施工速度快、修筑及拆除方便、工程造价低廉等特点。综合考虑地形地质条件及天然建材储量等情况，围堰采用土工织物充填袋型式，充填料优先利用主体工程的开挖砂料［5］。

3.2 计算工况

根据设计资料可知，东岸围堰1-1剖面处的堆积高程最低，因此，选取该剖面作为典型剖面，进行围堰抗滑稳定分析以及土工织物充填砂袋受力分析。由于堰基基本没有淤泥质类软土以及施工期堰身内外水位基本平衡，故不进行施工期的边坡稳定验算。工程区地震基本烈度小于Ⅵ度，不进行地震时的堰坡稳定分析。因此，仅计算正常运用条件下的堰坡稳定。

由于南昌市段赣江水位受鄱阳湖顶托作用明显，水位降落比较缓慢，在汛期也不可能降至枯水位，因此，降落水位采用主汛期间4～6月期间的最低多年平均水位，水位降落的速度按3天考虑。根据以上分析，拟定以下计算工况，见表1。

表1 计算工况表

3.3 围堰整体抗滑稳定分析

根据设计资料，东岸围堰的抗滑稳定安全系数按3级堤防工程进行选取。根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）规定，正常运行条件下，采用瑞典圆弧法进行抗滑稳定分析时，安全系数取1.20，计算成果表明：稳定渗流工况抗滑稳定系数（背水坡），设计洪水位条件下为1.781；防洪高水位条件下为1.609；水位骤降工况抗滑稳定系数（临水坡），设计洪水位条件下为2.429；防洪高水位条件下为2.355。计算工况条件下，抗滑稳定系数均大于［1.5］限值指标，抗滑稳定满足规范要求。

3.4 充填砂袋受力特性分析

根据设计资料可知，东岸围堰1-1剖面按1-1形式进行堆积。堆积底高程取3.0m，顶高程取24.0m，单个充填袋充填高度水下为0.5m，水上为0.7m；充填袋充盈度不小于80%，下层充填袋固结度大于70%后，才能进行上一层的施工；充填物为赣江内开采的中、细砂。

施工期外水水位考虑两种，一是目前1月份赣江水位取11.0m，另外就是设计的施工期水位，取16.60m。运行期外水水位考虑设计洪水位22.64m、防洪高水位23.64m以及历史最低水位10.52m；外水作用方式，施工期按两侧作用考虑；运行期按单侧作用考虑。

充填袋堆积时体型示意和不同水位不同高程充填袋张力变化曲线，如图3和图4所示。根据充填袋张力变化曲线，整体来看，受堆积效应及外水水压影响，充填袋体张力基本随堆积次序（由上到下排列）增大而增大，水上充填袋张力增加较快，水下充填袋张力增加较慢；另外，外水水位变化对充填袋张力影响较大，水位越高，整个充填袋堆积体张力越小。对于处于施工期的土工织物充填袋堆积体而言，最大张力出现在水位变动区，也就是刚出水面位置，而并非出现在堆积体最底层位置；处于运行期充填袋堆积体，作为临时挡水建筑物，其充填袋单侧受到外水压力作用，最大张力出现在最底层位置。

图3 堆积体型示意

图4 不同水位下不同高程充填袋张力变化曲线

不同运行水位下充填砂袋受力成果表明：施工期水上充填袋最大张力出现在第11层，正好为水面位置，达到20.18kN/m，水下充填袋最大张力出现最底层，约为15.93kN/m；设计洪水位下充填袋张力均小于30kN/m，最大张力出现在最底层，约为12.11kN/m；历史最低水位运行时，当堆积达到22层以后，充填袋张力便达到31.08kN/m，张力最大至出现最底层，约为35.93kN/m。

综上分析，鉴于目前常用土工织物抗拉强度基本在30kN/m左右，高程位于3.0～12.0m之间的土工织物充填袋堆积体采用适当的加筋措施或选用高强度的土工织物充填袋，其他高程区域可采用常规的土工织物充填袋。