一种新型吹填模袋创新技术

唐金忠，朱博华

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061；2.上海诺山工程设计咨询有限公司，上海200333）

一种新型吹填模袋创新技术

唐金忠1，朱博华2

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061；2.上海诺山工程设计咨询有限公司，上海200333）

围海造地正由浅滩向深水发展，现状的围堤技术已难以满足深水滩涂开发，为此，提出一种U形模袋创新技术，一种筑堤的新方法、新工艺。U形模袋为桩—土工织物组成，桩为支撑骨架，模袋为土工布能透水保砂，袋体为柔性结构，对变形的适应性强；结构简单，上部开口大，吹填施工方便，且能适用多种吹填料；与传统的充填管袋组成的围堤相比，经济、快捷，适用于各种围堤和施工围堰；通过围堤结构分析和研究，为U形模袋技术在滩涂开发工程中的应用提供参考。

深水围堤；模袋；创新技术；探索

海洋资源是我国最具潜力和价值的竞争力资源，具有良好的发展前景，围海造地是拓展城市空间的重要途径之一。随着近几十年对滩涂大规模的开发，目前浅海滩地绝大部分已被围垦利用，围海造地正由浅滩向深水发展，但是现有的围堤技术已难满足这种开发要求。

充泥管袋筑堤是九十年代发展起来的一种新技术、新工艺，该创造性的技术，为我国围海造地、航道治理、抗洪抢险、环境保护、垃圾处理等方面作出了卓越的贡献。但是，这种技术在袋体铺设、充填泥浆浓度、充填方式方法、袋体防护措施等方面都有严格的要求；在围海造地中还需要抢低潮施工，尤其是深水施工难度很大，几乎不可能，窘显技术落后。

时代呼唤水利工程科技进步，围堤亟需新技术的诞生。本文提出一种U形模袋创新技术，该技术是一种自主研发、具有独立知识产权的新型水工结构，特别适用于深水围堤吹填；并通过芯堤结构分析和研究，提出了具体的实施方法，为深水滩涂开发工程提供科学依据和基础。

1 U形模袋创新设计

U形模袋创新技术主要是针对现有围堤技术的不足，对现有技术进行改进和发展；现有围堤的主导技术为充泥管袋，管袋水平放置，叠加成堤，而U形模袋是一种以桩为支撑骨架，桩—土工布组成U形吹填模袋，吹填砂土料（疏浚泥、砂料）后形成吹填芯堤，继而对芯堤装修形成永久性的斜坡大堤。

U形模袋由土工布和加筋带制作，柔性土工织物将吹填土料荷载直接传递给地基，部分传递于桩，通过桩基再传给地基。该技术的主要构成包括：沿堤线布置两排平行且打入地基中的钢筋混凝土预制桩；设置在两排钢筋混凝土桩之间为柔性土工织物；柔性织物由三面组成，依靠两排桩支撑构成一个上部开口的U形模袋，对袋内吹填砂土料后形成芯堤。

1.1 构件组成和作用分析

深水围堤吹填模袋创新技术，其目的是提供一种筑堤的新方法、新工艺，为实现此目的，采用桩—土工织物组成U形模袋，如图1所示；袋内吹填砂土料后形成吹填芯堤，如图2所示；对芯堤装修形成永久性的斜坡大堤，护坡、护脚和堤顶路面等有多种不同的做法，选择其中一种断面型式表达，如图3所示。

为了更清楚地说明本创新技术方案，结合图1～图3所示，对U形模袋构件组成及作用予以阐述。

（1）桩。桩是U形模袋的支架，且可以用于提高吹填堤的抗滑稳定。桩间距由设计确定，取决于堤高（稳定）、土工织物的抗拉强度等因素；一般围堤越高，桩距越小；桩为钢筋混凝土预制桩，桩长和入土深度由控制水位、堤高、地质条件等因素通过稳定计算确定；在围堤堤高较小时，也可采用木桩或竹桩。

图1 U形模袋构成示意图

图2 U形模袋芯堤横剖面图

图3 U形模袋斜坡堤横剖面图

桩顶横向间连接，根据需要可以设置混凝土拉梁、木拉梁或钢拉梁等，在围堤的断面上形成排架结构，以增加吹填堤整体稳定；纵向两桩间设置拉索，用于挂起两侧袋壁形成U形模袋。芯堤完成后，按设计围堤断面，外海侧堤脚处抛投棱体，棱体与芯堤之间抛投袋装土；将护坡层以上的桩顶凿除，再进行堤坡和堤顶护砌。

（2）袋底和砂肋。袋底和砂肋均由土工布组成，砂肋内充填砂料，连成排成为U形模袋袋底的主要部分。袋底与袋壁连接形成U形袋，装载吹填砂土料，其次还作为围堤基础的反渗层；袋底增设加筋带，以增加袋底强度。砂肋可采用ø 300的长管状砂肋袋，丁缝法缝制，如图4所示；砂肋主要作用是方便U形模袋安装、定位，同时作为围堤基础反渗层土工布（袋底）的压载，能有效提高地基强度；砂肋的设置范围在芯堤横向两桩之间。

砂肋与土工布的袋底合二为一，在堤身地基表面组成排水垫层，其作用有：①形成良好的表层排水面，有利于孔隙水压力的消散；②保持堤身底部连续完整，约束浅层软土的侧向变形，均化应力分布。因此，可以起到提高地基承载力和堤身稳定、减小沉降。

图4 U形模袋底砂肋示意图

（3）袋壁。袋壁由土工布制作，内侧与袋底相应设置加筋带；袋壁土工布设计指标根据吹填砂土料确定，一般由土工布强度和延伸率指标控制。例如，在吹填砂料时，袋壁土工布延伸率指标＜25%，以防止受力使等效孔径加大，造成充砂的模袋在波浪作用下漏砂；袋体材料采用反滤性能好的380g/m2，丙纶无纺针刺复合布，以防止袋装砂堤身未实施护面时在波浪作用下可能发生的漏砂现象。

（4）加筋带。加筋带有模袋加筋带和对拉加筋带；模袋加筋带与U形模袋袋体（袋底和袋壁）的土工布缝制于一体，布置于U形袋体的外侧，其作用是加强模袋强度；对拉加筋带在U形模袋内垂直和水平方向上，按一定间隔和高度设置；水平设置为对拉加筋带，其作用是在土压力的作用下对拉，限制U形模袋的扩张宽度，同时，通过吹填的砂土与对拉加筋带的摩擦作用，增强堤防的稳定性。U形模袋与加筋带可采用包缝法缝制拼接，拼接强度不小于原体强度的80%。

（5）套环。套环从桩顶套于桩上，用于U形模袋安装，限制模袋移位。套环直径稍大于桩径，缝制于U形模袋的袋壁外侧，垂直方向按一定的间距设置；沿堤线方向，模袋长度大于桩距，即两个套环间，模袋按堤宽要求预留横竖两个方向的长度。

（6）模袋扣环。扣环缝制于U形模袋两侧袋壁的沿口，扣环挂于拉索上，用于吊起模袋两侧袋壁，形成U形袋。扣环可以采用加筋带，缝制于U形模袋沿口并系于拉索上，也可采用能承受相应重量的环状商品配件。

（7）吹填料。敞口的模袋方便吹填施工，因此，在砂源紧张区域，吹填料可以直接采用疏浚泥掺插吹填，实现“变废为宝”；也可采用传统的砂料吹填，吹填袋能适用于任何吹填料；土工布排水方便，能有效地排水保砂，吹填料在重力的作用下，通过土工布不断排水固结。

1.2 创新技术与传统围堤技术比较

围堤是滩涂开发工程中最关键技术，目前大多数是采用充泥管袋筑堤，形成围堤有两种方法，一是将土工织物缝制成袋，袋内充砂，叠置成堤心，外筑防护层即成围堤；二是充泥管袋作为两侧子堤，堤芯吹填砂。该技术具有造价低廉、取材方便、施工简单等优点，已广泛应用于围海造地工程和部分围堰工程。但是，这种技术在袋体铺设、充填泥浆浓度、充填的方式方法、袋体的防护措施等方面都有严格的要求；且需要抢低潮施工，尤其是深水施工难度很大，几乎不可能。

创新技术的U形吹填模袋为柔性结构，对变形的适应性强，结构简单；袋体上部开口大，吹填施工方便；与传统的充填管袋组成的围堤相比，经济、快捷，适用于各种围堤和施工围堰；目前，围海造地正逐步向深水区发展，该项技术用于深水筑堤，更能体现其强大的优越功能。

围堤传统技术与创新技术分项比较详见表1。

表1 围堤传统技术与创新技术比较

2 结构分析和计算

结构分析和计算是论证创新技术的可行性，为今后在工程中应用提供技术基础；结构分析和计算是针对芯堤而言，在形成围堤的过程中，芯堤自身首先要满足设计要求；围堤的稳定计算内容和方法，可按照《海堤设计规范》的要求。

2.1 芯堤稳定计算

（1）地基承载力控制

对于软土地基上U形模袋吹填而成的芯堤，相当于临时水工建筑物，可简化计算；当堤高不大于5.0m时，一般仅需进行地基承载力验算。当设计的堤身荷载（P=γ h）小于P允许时，认为满足稳定要求。计算式如下：

式中：P允许为地基允许承载力，kP a；Cu为地基土不排水抗剪强度，kP a；当袋底有软体排时，Cu值可按提高30%计算；K为安全系数，取用K= 1.05～1.10。

（2）抗滑稳定计算

U形模袋吹填的芯堤需要进行抗滑稳定计算时，其边坡抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧滑动法，抗滑稳定安全系数不应小于1.05～1.10。芯堤的堤顶若有堆载和交通荷载时，应将这两种荷载按有关规范换算成堤身荷载。

由于吹填砂土料—土工织物—地基的相互作用问题非常复杂，其机理也未完全搞清，整体稳定可采用荷兰法设计。荷兰法假定发生破坏时土工织物发挥拉力的作用点及方向如图5所示。因此在稳定分析中当滑弧通过土工织物时，只需在抗滑计算公式中的抗滑力矩部分增加一项ΔMr，即：

式中：ΔMr为由于土工织物作用而增加的单位宽度抗滑力矩，kN·m；T为单位宽度土工织物允许抗拉强度，；kN/m；R为滑弧半径，m；n为土工织物层数。

图5 土工织物抗滑计算示意图

2.2 芯堤受力分析

U形模袋是一种桩—土工织物的组合体，是一种复杂的柔性体空间结构，采用简化的方法进行计算，即可满足工程设计需要。桩是支撑模袋的骨架，吹填过程中，土工织物将充填荷载直接传递给地基；U形模袋技术首先是袋内吹填形成芯堤，然后按设计要求对芯堤进行护脚、护坡和堤顶护砌，从而完成整个围堤（海堤或围堰）。在实施过程中，芯堤自身必须满足设计要求，即抗滑稳定、构件强度和变形等都要满足设计。

U形模袋分为垂直段和水平段两部分，水平段为袋底，垂直段为袋壁；水平段应保证足够的渗径，袋底土工布受到的力主要有垂直水土压力、土工布下渗透压力、地基反力和抵抗滑动力，一般以抵抗滑动力控制。垂直段的袋壁应该满足抗拉强度和变形。

两桩之间的土工布，在土压力的作用下将形成一个大圆弧（土兜），而在对拉加筋带的作用下，使每个大圆弧上又形成局部小弧，为计算方便，忽略对拉筋带的作用，按大圆弧计算土工布的拉力，如图6所示；在验算土工布的强度和伸长率时，可以忽略小圆弧和对拉力f，按大圆弧的变形方式计算土工布的内拉力，显然，这种简化是偏于安全。

图6 袋壁受力计算示意图

由以上分析可知，袋壁在袋体内吹填砂土料后会逐渐增大土压力，从而增大土工布的拉力，圆弧形的土兜，其内力即为张拉力：

式中：T为内张拉力，N/m m；R为圆弧半径，m m；P为土压力，kP a。

上式表明，土工布受土压力形成圆弧状，土工布的内拉力等于圆弧半径与土压强之积。若计算某点的内拉力T，土压力P是已知的，因为R的大小与土工布的伸长率有关，通过变形试算才能确定。可以用下式计算：

式中：L为桩到桩的中心距离，m m；R为圆弧半径，m m；ε为土工布的伸长率，%；r为桩的半径，m m。

U形模袋设计验算主要是验算土工布的伸长率和强度，应满足设计要求。

3 实施方法和分析

3.1 实施方法

围堤创新技术按以下方法实施，但在实施过程中，可以结合具体工程、场地环境和施工设备等因素予以调整。

（1）按照堤线布置和设计的桩距、桩型，采用船上打入预制桩、木桩或竹桩等。

（2）U形模袋可工厂制作，先做成卷，采用船装运至现场。

（3）U形模袋安装。安装在专用船上进行，整个模袋安装是沿堤身轴线方向推进；顺着桩排定位，将U形模袋卷的袋口固定在桩顶的悬索上，然后沿着堤轴线方向展开，边充灌袋底的砂肋边移船，同时转动滚筒以沉放整个U形袋，直至砂肋沉放到位，即形成U形模袋。

（4）由吹泥船上的泥浆泵将泥砂打入U形模袋，也可采用其它机械设备抛投充填料，而这种方式更经济、快捷；在吹填过程中，两侧长度和宽度都宽松的袋壁，在泥砂压力的作用下向两边扩张，至对拉筋发挥作用后，土工布包裹着泥砂土体，限制其扩张；加强筋长度控制着模袋扩张的宽度，U形模袋充填砂土料后逐步形成梯形，上下层对拉筋不同长度，控制芯堤的断面坡度，可作为永久大堤的芯堤。

（5）对于围堤内吹填砂土形成陆域的工程，宜采用围堤与吹填相结合。即U形模袋吹填堤构筑一定高度后，即可进行区内吹填，与吹填堤同步；也可在U形模袋吹填形成大堤后，再进行区内吹填，但需做好区域内的排水。

3.2 问题分析和要求

（1）关于芯堤合龙。一般情况下传统的围堤都是采用龙口合龙，而U形膜袋芯堤施工时，则应避免出现龙口，芯堤吹填应尽可能均衡上升。特别是芯堤施工高度达到水位变化区时，在涨、退潮时，不宜留下个别缺口；分层吹填，同一层应在一次涨退潮期间完成，避免集中水流对芯堤的冲刷。

（2）土工织物袋孔径必须与充填砂土料颗粒组成相匹配，既不能使充填砂土料大量流失，又要使U形袋体内的水能尽快排出，以便袋内充填料尽量能在短时间内达到固结状态。

（3）土工织物应选用抗拉强度高、延伸率低和摩擦性能好的材料。

（4）U形模袋沿堤轴线方向可分段实施，分段处U形模袋端头同样采用桩-土工布组成。

4 结语

（1）创新技术采用桩—土工织物组成U形模袋，一种全新的设计理念，一种新型筑堤技术。该创新技术以桩为U形模袋的支架，桩既是U形模袋的骨架，又可作为围堤的抗滑桩，提高了围堤的抗滑稳定性。充分利用土工织物透水、抗拉性能，组成上部开口的U形构筑物，便于安装；以一个大型上部开口的U形袋统括了众多小袋，节省投资，适用于深水施工；施工速度快、劳动强度低，施工不受潮位限制，不受吹填料限制。

（2）通过袋底设置砂肋排或砂袋，将袋底和软体排合二为一，既可以提高围堤地基承载力，又方便U形模袋的安装和定位。

（3）U形模袋内采用加强筋对拉，既可控制袋壁在土压力作用下向外扩张宽度，同时形成加筋土，以提高吹填土料的强度，增加吹填堤的稳定性。土工织物张弛有度，在吹填料的作用下，能按不同的高度向两侧扩张，形成较优的梯形断面，可作为永久大堤的堤芯，通过护坡、堤顶护砌可以很方便形成永久大堤。

（4）U形模袋围堤的断面尺寸要比常规围堰断面小，对受场地限制的水利工程可创造更有利的空间，方便主体建筑施工。

（5）U形模袋芯堤具有断面可大可小、自身稳定性好、对淤泥地基变形适应性强、施工简单等特点，减少了施工难度和强度，有效地缩短了工期，节约工程投资。

［1］唐金忠，肖志乔，任华春.一种新型吹填模袋［P］.中国，201320861251X，2014-06-25.

［2］GB50290-98.土工合成材料应用技术规范［S］.

［3］SL435-2008.海堤工程设计规范［S］.

［4］唐金忠，卢永金.水工基础工程设计与分析［M］.北京：中国水利水电出版社，2014（04）.

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1672-2469（2015）05-0050-06

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.017

唐金忠（1956年—），男，高级工程师。