航道整治工程沙枕防老化技术研究

邓良爱，曾庆云

（1.长江航道局，武汉430016；2.长江航道规划设计研究院，武汉430011）

沙枕以其整体性好、取材容易、造价相对低廉等优点，在航道整治工程中得到了大量应用，如沙枕护坡、沙枕填芯+块石盖面坝体等，但由于枯水期出露沙枕（虽然添加了防老化剂）的使用寿命很有限，面层沙枕老化问题十分突出，存在沙枕布易破损、袋装沙出露等现象，而一旦枕袋老化破裂，袋装沙不断流失，护坡沙枕将不复存在，岸坡将重新受到强烈淘刷，岸坡的安全及工程效果将受到严重威胁［1］。因此有必要对枯水期出露沙枕进行防老化处理。目前沙枕防老化一般采取块石覆盖法，但有些施工环境较特殊，如枯水期工程区域为滩地，常规施工船舶很难进入；沙枕布易被破坏，采取防老化措施施工时，需尽量减少施工破坏；沙枕一般用来护坡，呈阶梯状，枕面水流力较大。因此，常规的块石覆盖防老化措施存在施工难度大、块石容易流失（坡脚河床易淘刷，坡面块石易跨塌，同时汛期受水流顶冲，覆盖在沙枕上的块石很容易被水流冲走）、投资规模较大（块石本身单价较高，加之易流失）等问题［2］。因此有必要通过试验研究，寻求施工方便、经济合理、防老化效果好的工程措施。

1 沙枕防老化现状

目前在航道整治工程中普遍使用的沙枕袋由聚丙烯编织布缝制而成，属土工织物中的一种，其耐久性受紫外线辐射、温度变化、化学与生物侵蚀、水解影响、冻融变化、机械磨损及蠕变性能等影响。紫外线直接照射是聚合物老化的最主要因素，而水份、温度和紫外线同时作用将进一步促进老化，将其埋在土中或水中，避开紫外线直接照射，其老化速度就会大大减小。目前土工织物的防老化措施主要有2种类型：一种是改性土工织物，即在土工织物加工过程中，直接添加防老化材料来提高其抗紫外线的能力，如添加防老化剂母料；另一种为面层阻断型，即通过面层覆盖阻断紫外线的直接照射，如块石覆盖、模袋混凝土盖面等方式［3-4］。简要介绍如下。

（1）添加防老化剂母料。在枕袋制作过程中，将防老化剂母料添加到聚丙烯编织布中，以提高枕袋本身的防老化效果。添加防老化剂母料后，枕袋的颜色成灰黑色，且有较高的光泽度，但枕袋在出露的情况下，寿命仍然很有限。

（2）块石覆盖。在设计水位下1 m至设计高度的沙枕坝芯上铺设无纺布，然后抛石覆盖，以达到防老化的目的。

（3）模袋混凝土盖面。这是一种新型的坝面结构型式，主要是对填芯沙枕采取模袋混凝土盖面，坝芯为沙枕，在沙枕上先用碎石袋找平，然后采用模袋混凝土盖面。这种结构型式已经在长江中游武穴水道航道整治工程顺坝试验段中得到成功运用。

从上述沙枕防老化措施现状可以看出：（1）添加防老化剂母料措施最为方便，但使用寿命低；（2）块石盖面是目前航道整治工程中普遍使用的方法，沙枕防护效果较好，但对于特殊的施工环境，则存在很大难度，如枯水期抛石船很难进入水凼，水下沙枕盖石及镇脚抛石难以施工，同时块石本身单价较高，且易流失；（3）模袋混凝土盖面结构适合河床变形小、铺设规模大的区域，且模袋混凝土自重大，不利于护坡沙枕（自身强度已降低）的稳定。

由此可见，对于施工条件复杂的区域，还没有一种较好的沙枕防老化措施，但可以参照目前的防老化形式，寻找一些新型材料或结构进行试验研究。

2 沙枕防老化试验研究

2.1 工况条件

本试验选择长江中游界牌河段新淤洲中滩鱼嘴滩面水凼护坡作为沙枕防老化试验区，该段施工条件相对困难且水流条件较复杂。护坡沙枕位于中滩鱼嘴水凼内，枯水期四面为岸坡及滩地，常规施工船舶很难进入；枯水期水凼坡顶高出水面约8 m，最大水深约18 m；沙枕护坡的坡面成小阶梯形，坡度约为1∶2，坡脚下切幅度大，岸坡较长；中水期水流刚漫过滩面时，翻坝水水流力较大；部分沙枕面层有浮沙、杂物；护坡沙枕已存在一定老化，采取防老化措施施工时，应尽量减少施工破坏。

2.2 材料选择及结构

从沙枕防老化措施现状来看，目前很难突破改性土工织物，因此防老化措施研究主要放在面层阻断型方面，面层阻断型可分为覆盖型与喷涂型。

2.2.1 覆盖型

护坡沙枕主要考虑轻型覆盖结构，以防止覆盖体本身加重沙枕的破坏程度。经调查，目前工程中普遍使用的无纺布，具有良好的过滤性（主要是透水性）、伸缩性，其防老化性能优于聚丙烯编织布，在护坡的反滤层广泛应用；同时，在工程实践中发现，无纺布吸附能力较强，被江水淹没过的无纺布，往往有粉细砂粘附在上面，隔离了紫外线，且无纺布价格相对低廉，采用两层或多层，其防老化年限可达15 a以上；同时无纺布与沙枕表面贴合较好，有一定厚度，延展性好，不会对沙枕产生二次破坏。因此考虑采用无纺布覆盖。

无纺布的压载固定方面，考虑了3种结构：（1）复合沙肋排结构。长江口航道整治工程中普遍采用的沙肋排结构中的沙肋筒一般位于垫层上面，考虑到两者的缝接、强度、防老化等情况，将其沙肋筒置于编织布垫层下面，再在编织布上面缝制无纺布，从而形成复合沙肋排结构；（2）钢丝网系挂D型砼块结构。参考目前广泛使用的系砼块软体排结构形式，其压载体砼块（图1）本身有防老化功能，且系接简单、牢固，系接采用系接钢丝，固定砼块的垫体为单层钢丝网（图2），其中钢丝为抗老化、抗腐蚀能力强的镀铝锌，形成无纺布+钢丝网结构；（3）钢塑土工格栅系挂D型砼块结构。与上述钢丝网系挂D型砼块结构类似，只是将钢丝网改成土工格栅，形成无纺布+钢塑土工格栅结构。经调查，钢塑土工格栅的拉力由经纬编织的高强钢丝承担（图3），在低应变能力下产生极高的抗拉模量，单宽抗拉强度可达120 kN，能完全满足强度要求。钢塑土工格栅的纵横向肋条的钢丝经纬编织成网，外包裹层一次成型，钢丝与外包裹层能协调作用，破坏伸长率很低（不大于3%）。钢塑土工格栅的主要受力单元为钢丝，蠕变量极低。钢塑土工格栅的高密度聚乙烯可以确保在常温下不会受到酸、碱、盐溶液或油类的侵蚀，不会受到水溶解和微生物的侵害。同时聚乙烯的高分子性能也足以抵抗紫外线辐射。格栅受力后纵横肋条协同作用，不会产生结点的拉裂或破损。

图1 D型砼块Fig.1 D-type concrete block

图2 单层钢丝网Fig.2 Monolayer steel wire mesh

图3 钢塑土工格栅Fig.3 Steel-plastic grating

综上所述，覆盖型结构中覆盖体主要包括沙肋排、钢丝网+砼块、钢塑土工格栅+砼块3种形式，将上述覆盖体与无纺布进行复合，形成3种覆盖型结构，应用在护坡沙枕上时，需进行坡顶压载。

2.2.2 喷涂型

新型的CW-S抗老化材料可喷涂或刷涂在沙枕表面，以阻隔紫外线对沙枕的照射。CW-S抗老化材料在脂肪族耐老化高分子材料中，添加了无机纳米材料和活性稀释剂，是一种新型的高耐久性环保双组分抗老化材料。CW-S抗老化材料具有无气味、环保以及高耐候性、高抗冲磨性、高粘结性、高抗渗性、干燥和潮湿面均可施工等特性，能提高混凝土和土工布的抗紫外线、抗冲磨、抗渗、抗碳化、抗冻融、抗化学侵蚀性能［4］。

2.3 施工工艺

（1）覆盖型。3种覆盖型均需进行坡顶压载固定，即在坡顶边线5 m外侧，开挖一道宽2 m，深0.5 m的基槽；然后将覆盖型材料从坡顶向坡下铺开，将头部铺放在槽底，上面铺石1 m厚进行压载，再在坡顶边线5 m内铺石0.5 m厚，底部控制在设计水位下2 m，考虑到坡面的凹凸不平，覆盖材料应留出一定的富余长度，以尽量减少无纺布与原坡面之间的空隙，无纺布摊开后应尽量与坡面吻合，将其完全覆盖；接下来对沙肋筒进行充沙或在网状垫体上绑系小砼块，边缘压载体适当加密［5］。

（2）喷涂型。当作业环境温度低于0℃、高于50℃，或是表面干燥前可能下雨、风力大于5级以上时，不能涂敷CW-S抗老化材料。使用前应修补好表面明显的破损，不得有空鼓、疏松等现象。施工前应清除表面存在的灰尘、污渍等，然后用高压水枪冲洗，使其表面清洁。然后将CW-S抗老化材料A、B组份按一定比例混合、搅拌均匀，进行表面刷涂、滚涂或喷涂。如采用喷涂作业，普通的高压无气喷涂设备即可。在25℃时，表面干燥需要2～4 h，实干需8 h（干燥时间随环境温度、湿度而不同）。CW-S抗老化材料表面触干后自然养护，7 d后即可投入使用。需要注意的是每次配好的CW-S抗老化材料的施工时间应控制在2 h之内，CW-S抗老化材料适宜在5℃～40℃的环境下施工，若温度超出此范围，应根据实际情况对材料及配比进行调整；遇寒潮或雨雪应停止施工，已施工而未到7 d的应采取保温或防雨措施。

3 试验成果分析

3.1 现场检验

从现场试验情况来看，沙肋排、钢丝网+砼块、钢塑土工格栅+砼块3种覆盖型防老化结构效果均较好（图4），经历一届汛期后，没有出现覆盖体撕破、掀起、脱落等现象，沙枕的覆盖效果良好；CW-S新型防老化涂层也没有出现起壳、脱落等现象，附着性能较好（图5）；同时可以看出，覆盖型防老化结构物与沙枕贴合比较紧密，对岸坡的适应能力较强，因此适当增强坡顶及边缘侧的压载，覆盖型防老化结构物可以适用于坡度为1∶1.5～1∶3的岸坡。且钢丝网及钢塑土工格栅2种覆盖型因系挂的砼块、无纺布上覆盖的泥沙相对较厚，进一步增强了无纺布的防老化效果。

3.2 室内试验检测

从CW-S新型防老化涂层的室内试验检测成果来看，涂敷CW-S涂层材料的编织袋试件比未涂敷的拉伸强度提高了52.58%、断裂伸长率提高了42.80%；考虑1 a中涂层材料约有一半时间在水下或紫外线照射不到的情况，保守估计CW-S涂层材料的使用寿命在20 a左右；同时盐雾循环试验结果表明，涂刷CW-S喷涂型材料后，沙枕布的抗盐雾腐蚀能力显著增强；而耐酸性试验也表明CW-S涂层材料完全能够抵御自然界酸雨对编织袋材料的侵蚀［6］。

图4 覆盖型防老化方案汛期前后现场照片Fig.4 Photos of covering anti-aging measure before and after flood season

图5 CW-S抗老化材料汛期前后现场照片Fig.5 Photos of CW-S coating before and after flood season

4 防老化措施比选

根据现场和室内试验以及计算情况，对文中提出的4种防老化方案进行分析比较，各方案优劣比较归纳见表1。

表1 沙枕防老化方案比较表Tab.1 Comparisons between anti-aging measures of sand-filled pillows

5 结论

本文在分析航道整治工程沙枕防老化措施的现状基础上，提出了4种沙枕防老化方案，结合航道整治工程现场试验和室内试验，对这4种防老化方案从防老化效果、适应变形性、结构稳定性、施工难易度、后期维护工作量、工程造价等方面进行了比较分析。综合来看，无纺布+钢塑土工格栅覆盖型在航道整治工程沙枕防老化中优势相对明显，覆盖体比较轻、覆盖效果好、施工简单、造价较低。CW-S抗老化施工效率高，使用寿命较长，如果工程资金充裕，建议采用CW-S抗老化材料。

［1］王先登，范先友，邬和平，等.长江武汉航道局辖区航道整治建筑物2008年度技术状况分析评价报告［R］.武汉：长江武汉航道局，2008.

［2］黄成涛，曾庆云，柴华峰，等.长江中游2009年度航道整治建筑物维修工程设计［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2009.

［3］黄成涛，曾庆云，万大斌，等.长江中游界牌河段新淤洲鱼嘴中滩沙枕护坡防老化措施试验研究［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2009.

［4］余帆，黄召彪，谭伦武，等.长江中游护滩、沉排及抗冲整治建筑物结构型式与施工工艺研究［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2004.

［5］周冠伦，荣天富.航道工程手册［R］.武汉：长江航道局，2004.

［6］韩炜，李珍.长江中游界牌河段新淤洲鱼嘴护坡沙枕新型防老化涂层材料试验［R］.武汉：长江水利委员会长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，2009.