模袋淤泥筑堤现场试验研究

吴月龙，唐彤芝，徐 波，张 红，张金良

(1.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3. 南京市水利规划设计院有限责任公司上海分公司，上海 201900)

模袋淤泥筑堤现场试验研究

吴月龙1，唐彤芝2，徐 波3，张 红1，张金良1

(1.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3. 南京市水利规划设计院有限责任公司上海分公司，上海 201900)

充填淤泥土工模袋是一种填筑吹填围垦区隔堤的新方法，淤泥经由高压泥浆泵充填入编织布土工模袋，经排水固结层层累叠而成，可节省大量的砂石资源。提出自排水式、固化剂式、真空预压式3种不同的排水固结形式，开展现场试验研究不同排水形式下堤身的变形、袋内孔隙水压力的变化规律、淤泥固结后的强度和物理力学性质。模型排水试验和挂袋试验为土工布材料的模袋选型、充灌泥浆浓度选择等提供了技术依据。通过传统施工方法与模袋淤泥筑堤法的经济性比较可见，该方法具有较强的市场竞争力。

岩土工程；充淤土工模袋；吹填区隔堤；监测检测；排水模型试验

0 引 言

围海造陆、滩涂治理开发区域内隔堤的构筑常采用传统的斜坡堤形式，利用宕渣、碎石等进行回填，随着土工织物技术[1]的发展，逐步衍生出充砂袋[2]、充泥袋堤心[3]、大管袋[4]等隔堤形式。但随着宕渣、碎石、砂料等传统建筑材料的紧缺、其工程成本也随之提高，急需寻找一种简单快速且经济新型的筑堤方式。

此时在江海河口、湖泊的综合治理和港口航道的疏浚工程中，对原有河道和江河、水库湖泊的清淤中产生大量的疏浚淤泥，模袋充淤筑堤技术[5]应运而生。该技术一方面解决了传统材料短缺的难题，另一方面更好的解决了港口航道的疏浚淤泥的弃置问题。但是疏浚或者吹填产生的淤泥具有高含水率、高液限、高压缩性、低强度、透水性差等特点，如何将模袋充填的淤泥快速固结硬化以达到满足工程建设的需要是一项急需解决的问题。

C.J.SPRAGUE等[6]、D.LESHCHINSKY等[7]于20世纪90年代提出大型充泥土工模袋的基本设计理念：土工模袋保土和筑堤的结构性主要取决于土工织物的包裹作用，土工材料的设计应充分考虑材料孔径及充填料粒径；开发出了土工模袋的设计程序GEOCOPS。朱远胜等[8]从原料、织造方式、孔径大小、老化等角度讨论对土工织物袋的选择。闫玥等[9]通过对现有的设计方法的扩展和改进，编制了新的设计计算程序，用以计算扁平充灌袋的形状、尺寸、泵送压力、泥浆重度和拉应力的关系。周辉等[10]对珠三角某河滩软土地基中采用大型土工织物充填袋筑堤时沉降及侧向位移进行监测和分析。现有研究仅从理论、设计方面进行简化阐述，缺乏实践可操作性具有经济竞争力的施工方法；同时，施工监测过程中缺少堤身模袋自身高度的变化，而充淤筑堤过程中最大的变形来自于模袋自身。

笔者从施工过程中堤身高度、孔压及充填完成后堤身强度的控制、施工费用的分析提出了3种形式的模袋筑堤施工方法。同时，模型试验为土工布的选型及泥浆浓度选择提供了一定的数据参考。

1 试验概况

1.1 试验方案

本次模袋充淤筑堤科研开发项目现场实施主要依托浙江省某围垦区吹填及软基处理一期(A1区)工程。试验段模袋堤身主要为1#主堤西侧150延米段内靠吹填区外侧的1.5 m高的镇压棱体。拟建1 #隔堤的断面设计如图1。试验方案包括筑堤试验及排水模型试验。

图1 1#隔堤断面Fig.1 Cross-section of 1# separation dam

1)试验隔堤方案主要分为4种：①自排水式，利用普通编织布膜袋内设自排式纵横管路(波纹管、软式透水管)，在天然条件下将充灌泥浆中的水排出，固结形成堤身；②固化剂式，普通编织布膜袋内掺固化剂(水泥)以快速固结形成堤身；③真空预压式，编织模袋充淤后进行水平插板、分层覆膜、多次循环抽真空，以充淤模袋垒叠形成堤身；④其他尝试性筑堤方案。

各方案区段现场平面布置示意见图2。

图2 试验现场平面布置示意Fig. 2 Schematic diagram of the experimental site layout

2)模型排水试验主要分为模型袋排水试验及挂袋试验。

模型袋排水试验：选取不同种类，尺寸相同的土工布模袋进行排水模型试验。按常规比重现场调制泥浆，收集土工布模袋渗出的水或泥水量，通过观测不同时间的出水量变化来检验不同类型土工布、同种类型土工布不同有效孔径以及有无荷载情况下充填淤泥后排水特性。

挂袋试验：选取两种编织土工布材料裁剪挂袋，周长0.9 m，长1.0 m，悬挂于塔架上。在试验现场配置不同浓度的泥浆，分别充入模袋中。通过比较滤水量的不同来研究泥浆浓度对充填后排水保土特性的影响，为充淤筑堤的充填泥浆比重的选择及土工模袋选型提供参考。

1.2 试验材料

试验填充材料为自制泥浆，主要采用依托工程项目场区内淤泥制浆而成，表1为土体颗粒级配，黏粒含量为23.9%，粉粒含量为81.8%，土体颗粒粉性较高，表2为该区域土体物理力学性质指标。模型排水试验分别采用2种编织布编号(编1、编2)，2种无纺布编号(无1、无2)。筑堤试验模袋所用编织布为型号编2。袋体材料参数见表3。

表1 土粒粒径级配

表2 土的物理力学性质指标

表3 土工布的物理力学特性

2 试验结果与分析

试验段填筑过程中堤身变形的性状、袋内孔压的变化规律以及检测填筑完成后堤身土的物理力学性质是本次试验过程中需要取得的数据。

3种筑堤方案各堤段设置一个监测及检测断面，观测项目为堤身变形监测、每层袋内孔压监测；检测项目为袋内十字板剪切试验、袋内土样室内土工试验。试验监测断面见图3。

图3 试验监检测断面示意Fig.3 Schematic diagram of monitoring and testing section

2.1 堤身变形监测分析

选取3种筑堤方案的典型段绘制各层高度随时间变化曲线及第1层袋体高度变化速率随时间变化曲线，见图4，图5。统计第1层袋体及堤身的高度变化率见表4。

图4 袋体高度随时间变化曲线Fig.4 Variation curves of tube height changing with time

图5 第1层高度变化速率随时间变化关系曲线Fig.5 Variation curves of the change rate of height at the first layer changing with time

方案第1层袋体高度/mm堤身高度/mm复充完毕固结后变化率/%复充完毕固结后变化率/%自排水式(A)43623546.11919139527.3固化剂式(D)15811725.91803135924.6真空预压式(O)60027953.5112883526.0

由图4，图5及表4可见：

1)每层袋体高度变化曲线呈双曲线型，与沉降固结曲线类似，前期变化幅度较大，随着时间的发展和土体的不断固结，变化幅度渐趋于平缓。

2)O方案初期沉降速率变化最大，充填完成后8 d平均变化速率为32.62 mm/d，A方案次之，变化速率为14.06 mm/d，而D方案最小，变化速率为2.13 mm/d；A方案沉降速率趋于稳定约需要30 d左右，D方案小于10 d，O方案约需20 d。

3)第1层袋体高度变化率自排水式方案(A段)与真空预压式方案(O段)相当，约为50%，大于固化剂式模袋充淤筑堤方案(D段)的26%；堤身高度变化率平均约26%，自排水式方案(A段)与真空预压式方案(O段)大于固化剂式方案(D段)，但相差不大。分析其原因，自排水式与真空预压式这两种方案只是排水形式不同，而袋体内所充填泥浆比重及组成相同。故袋体高度变化率相似，只是速率不同。掺固化剂式方案由于水泥固化剂与泥浆混合后发生水化反应，部分水分子形成了结合水而不再排出，故其高度变化率较低。

4)将第1层袋体高度变化率与堤身高度变化率相比较，堤身高度变化率小于第1层袋体变化率，平均约26%。堤身充填完成后高度的降低主要是由顶部几层袋体引起，而下部袋体的固结沉降已较小，这样在分子变化不大而分母堤身高度变大的情况下，其整体变化率变小。

5)堤身高度的变化率与所充填材料的性质有关，而与充填排水方式无关。

6)堤身高度的计算可根据由D.LESCHINSKY等[7]提出的一种较为实用地确定泥浆固结时袋体高度的计算方法“体积减少固结方法”。

根据一维压密度的孔隙比与高度比的关系式：

(1)

而:

eSr=Gsω

(2)

泥浆饱和度Sr=1，则：

(3)

充填泥浆初始含水量ω0和最终含水量ωf可以利用体积与质量的基本关系得出。

计算试验中3种方案下各区段隔堤第1层的高度降低率。选取Gs=2.7，初始含水率ω0=120%。计算结果见表5。

表5 计算结果

2.2 孔压监测分析

整理各段孔隙水压力数据绘制成孔压时程曲线，见图6。

图6 孔压随时间变化关系曲线Fig. 6 Variation curves of the pore water pressure changing with time

由图6可见，初期袋体内的泥浆呈液态，孔压计压力与充填压力有关，且与充填高度成正比。模袋复充和上层模袋铺设时都会引起袋内孔压的增大。静置后，随着袋中泥浆沉积固化，孔压逐渐消散并渐渐稳定。隔堤完全填筑结束后，模袋周围若无重大扰动，孔压总体呈下降趋势并趋于稳定。其次，A、D段的第1层袋体由于堤基砂层的排水作用，底层袋体的孔压消散得最快。

O段由于施工方式为真空预压，施工期间未产生较高的正孔隙水压力，孔隙水压力基本处于负值。随着抽真空时间的延续，孔隙水压力逐渐下降消散，当铺设上层模袋而停止抽真空时，孔压有显著回升。此规律在孔隙水压力曲线中表现尤为明显。在抽真空期间，许多现场的不确定因素，如短时停电、密封膜破损、密封沟漏气等，都会导致孔隙水压力的波动。

2.3 十字板强度检测分析

充填完成后原位十字板剪切强度是反映堤身强度能否达到设计要求的直接指标，其随时间变化曲线见图7。

图7 十字板抗剪强度曲线Fig.7 Curves of the vane shear strength

由图7可见：

1)自流式排水方案强度随着排水时间缓慢增长，后期也有一定的增幅；掺固化剂方案强度增加主要在前期完成，土体强度增长较快，随着土体的不断固结，后期强度增长趋于缓慢；真空预压方案的强度与抽真空与否有密切关系。

2)第1层堤身填筑完成两个月后袋体内土体平均原位十字板强度，自流式排水10.00 kPa，掺固化剂14.84 kPa，立体真空预压13.96 kPa，已达到子棱体镇压及人员简易通行的要求。自流式排水方案与掺固化剂方案，模袋内土体表层形成约15 cm的表面硬壳层，且随着模袋内土体深度的增加，十字板抗剪强度逐渐减小。掺固化剂方案表面硬壳层的形成速度及其强度均比自流式排水方案要快、高。真空预压方案较前两种方案，袋体内形成的土体强度均匀。

2.4 室内土工试验分析

充灌后各阶段主要物理力学性质见表6。袋内软土的含水率、孔隙比和压缩系数都有了大幅度的减少，密度、压缩模量和十字板强度值都有大幅度的提高。数据显示采用这3种方案均能显著改善淤泥土物理力学性质，提高软土的强度指标，使得堤身达到工程所需的强度要求。

表6 工后土体主要物理力学性质

3 排水模型试验

3.1 模型袋排水试验分析

按照试验大纲方案，充填泥浆密度为1.32 g/cm3，分别充填4种土工布模袋。统计各模袋自然情况下及加载10 kPa情况下不同时间段滤水量，绘制成滤水量及速率随时间变化曲线，见图8。

由图8可见：

1)从土工布类型来看，无纺土工布480 min平均滤水量为14.27 L，最大滤水速率为0.15 L/min；编织土工布480 min平均滤水量为11.24 L，最大滤水速率为0.12 L/min。无纺土工布的滤水量较大，且前期滤出水量速率略高。

图8 模袋滤水量随时间变化曲线Fig. 8 Variation curves of the water yield in mold bag changing with time

2)从相同土工布不同材料参数来看，编1滤水量及滤水速率大于编2，则对于编制土工布而言，滤水量及滤水速率与有效孔径O95呈正比。无3滤水量及滤水速率小于无4，对比无3、无4材料参数，其有效孔径及渗透系数基本一致，但单位面积质量无3大于无4，且实际施工过程中，由于灌浆时漏浆、天气等因素的影响，两袋出水体积有一定的差别。

3)自排水情况下，模袋平均滤水量为11.2 L；最大平均滤水速率为0.1 L/min；加载条件下，模袋平均滤水量为22.1 L；平均滤水速率为0.23L /min。在10 kN/m2荷载作用下，模袋的滤水量及滤水速率约为自排水情况下2倍。说明在模袋上部施加荷载，有利于加快模袋内土体的排水固结。现场尝试对无纺土工布模袋进行加荷，无3、无4均未加至10 kN/m2的荷载已爆裂，由此看出土工布模袋需满足一定的抗拉强度，且选择施加合适的外荷载。

3.2 挂袋试验分析

选取编1、编2两种土工布材料，在1.30、1.24、1.18、1.10四种泥浆比重情况下进行挂袋试验。所得数据经整理分析见图9。

由图9可见：

1)模袋的滤水速率随着时间呈先急后缓慢趋于平衡的趋势，与排水模型试验所展现规律基本一致。而相同时间下，模袋滤水量与泥浆比重呈反比。

2)编织土工布模袋的排水效率及保土效率可通过式(4)、式(5)来表示：

(4)

(5)

式中：DEw为排水效率，%；SEs为保土效率，%；ms初、ms终分别为灌入土工模袋初始及最终土颗粒质量，kg；mw初、mw终分别为灌入土工模袋初始及最终滤水质量，kg。

计算结果见表7。

表7 挂袋试验排水保土效率计算

由表7可见：

1)保土效率随着泥浆比重增大呈现两头小中间高的趋势。泥浆比重在1.18～1.24时保土效率较高，最高为96.23%。当泥浆比重为1.10、1.30时，保土效率则较低，最低为59.02%。排水效率则与泥浆比重呈反比，即随着泥浆比重的增加而逐渐减小。

2)在能够保证模袋的排水保土效果的前提下，尽可能的选取有效孔径较大的土工模袋。结合本次现场试验，选取模袋充淤泥浆比重1.20，既能保证模袋的保土性，又能获得较好的排水性，比较符合模袋充淤筑堤的实际。

4 经济性比较

将本次试验模袋模袋淤泥筑堤的3种施工方案以及传统筑堤方案的吹填砂袋与宕渣填筑的直接工程费进行估算，见表8。

表8 工程费估算

由表8可见：

1)宕渣填筑无疑是最经济的施工方法，但由于各施工地域的限制，部分施工现场缺乏宕渣料的来源，严重制约了该工法的实施。吹填砂袋筑堤施工成本最高，该工法形成的堤身的结构性稳定性却要高于模袋充淤筑堤，在施工要求较高，有稳定砂料来源的情况下，使用吹填砂袋填筑隔堤较为适宜。

2)模袋淤泥筑堤方法经济性居中。3种施工方法各有特点。自流排水式的结构性稳定性最低，施工时间较长，但对施工条件的要求最少，经济性居中；掺固化剂式的施工成本受固化剂市场价格的影响较大，且在施工前需进行试验性施工，对施工条件要求居中；真空预压式的结构性稳定性最高，而对施工条件的要求最高，其经济性较差。

5 结 论

1)通过现场试验提出了3种较为合理可行的土工模袋充填淤泥填筑隔堤施工工法。方案1自流排水式模袋充淤筑堤方案固结时间稍长，但施工方便，方案经济，适用于对工期无特殊要求，且堤身承载力要求不高的情况；方案2掺固化剂式模袋充淤筑堤方案在选择合适固化剂及掺入量的情况下能够快速固化使得隔堤达到一定强度和承载力，施工方便，方案2缺点是方案价格略高于方案1，固化剂采用常规水泥并不会对自然环境产生影响，但对于其他高强度化学固化剂需要进行环境影响分析；方案3真空预压式模袋充淤筑堤方案在抽真空作用下强制排水，使得堤身能快速获得强度，其缺点是对施工现场条件要求较高。

2)模袋高度变化曲线呈双曲线型，与沉降固结曲线类似，前期变化幅度较大，随着时间的发展和土体的不断固结，变化幅度渐趋于平缓。模袋高度变化可采用“体积减少固结法”进行估算。

3)孔压计压力与充填压力有关，且与充填高度成正比。模袋复充和上层模袋铺设时都会引起袋内孔压的增大。静置后，随着袋中泥浆沉积固化，孔压逐渐消散并渐渐稳定。真空预压式模袋充淤筑堤方案孔压变化与抽真空施工密切相关。

4)强度及土体性质的检测显示固化剂式堤身强度最大，真空预压式次之，自排水式最低。

5)无纺土工布模袋排水特性优于编织土工布模袋，对于同种编织土工布模袋排水特性与有效孔径成正比。根据土工模袋的抗拉强度选择合适的施加荷载，有利于加快模袋内土体的排水固结。

6)挂袋试验显示，模袋滤水量与泥浆比重呈反比。编织布模袋内充填泥浆比重为1.2时，其保土效率及排水效率均较高，比较符合模袋充淤筑堤的实际，可尝试应用于实际。

7)从施工经济性方面来看，传统施工方法由于各施工地域的限制，部分施工现场缺乏施工材料的来源，而严重制约了工法的实施。此种情况下，采用模袋充淤填筑隔堤无疑是一种不错的选择，以一定的成本提高而完成施工任务，达到设计要求。根据施工经济性、技术要求、工期、施工条件等合理的选择才能发挥各方案的优势。

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(责任编辑：谭绪凯)

FieldTestonSeparationDikeBuiltwithSlurryFilledGeotextileTubes

WU Yuelong1, TANG Tongzhi2, XU Bo3, ZHANG Hong1, ZHANG Jinliang1

(1. Nanjing R & D Tech Group Co., Ltd., Nanjing 210029, Jiangsu, P.R.China; 2. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, P.R.China; 3. Nanjing Water Planning and Designing Institute Co., Ltd., Shanghai 201900, P.R.China)

Using geotextile tubes filled with slurry for building separation dike is a kind of new method. At first, the coastal beach silt was filled into appropriate size of woven geotextile tubes by high pressure mud pump, then the dike was formed by the drained tubes and stacked layer by layer, so a large amount of sand and gravel resources was saved. Three different drainage and consolidation types were proposed, including natural drainage, consolidation agent and vacuum preloading. Field tests were carried out and the deformation of dike body, the variation rule of pore water pressure in tubes, the vane shear strength, the physical and mechanical properties of soil under the condition of different drainage forms were studied. At the same time, the model drainage test and hanging bag test provide the technical basis for the selection of geotextile bags and the concentration of filling slurry. Through the comparison of the economy of traditional construction method and building dike method with slurry filled geotextile tubes, it is proved that the proposed method has strong market competitiveness.

geotechnical engineering; geotextile tubes filled with slurry; separation dike of hydraulic reclamation area; monitoring and testing; drainage test of mold bag

TV522

：A

：1674- 0696(2017)09- 066- 07

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.13

2015-12-10；

：2016-10-15

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金重点项目(Y315016)；水利部公益性行业科研项目(201501043)；国家自然科学基金项目(51408381)

吴月龙(1982—)，男，江苏高淳人，高级工程师，主要从事软粘土力学、地基处理方面的研究。E-mail:ylwu@nhri.cn。