超储期土工合成材料类防汛物资可用性研究

刘云锋，束一鸣，刘前程，崔武虎，王晓娟，顾 克

（1.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098；2.南京河川建设工程有限公司，江苏南京 211500；3.南京市滁河河道管理处，江苏南京 210048）

土工合成类防汛物料相较于传统的防汛抢险物料，强度大、质量轻、便于储存、运输和施工，且价格低廉，可谓优势独特［1］。无纺土工织物具有良好的透水性和过滤性，在导渗、管涌处理中应用广泛［1］；编织袋质量小、强度高，被广泛用于各种抢险措施中，砌护坡速度快且具有不切割坝体、防浪效果好、稳定性能较强的特点［2］。1998年5月松花江干流扶余段堤防抢险，15 h内用掉了5万多条土工编织袋，该段堤防抢险成功，免受经济损失1.25亿元［3］。

近年来极端天气增多，各地对防汛物资的储备也越来越重视，加大了如编织袋、复合土工膜、无纺土工布等土工合成类物资的储备。不少物资的储存年限达到10～20 a，较多超过了《中央防汛抗旱物资储备管理办法实施细则》（以下简称“细则”）规定的储存年限，应按照报废物资处理。实际上，因各地储存条件、储存年限、材料间差异等因素各不相同，经过初步调研，相当多的超储期土工合成材料仍然具备实际使用的性能指标，如能加以合理使用，不仅可节省国家财政开支，而且也符合节能减排和可持续发展的国家战略。然而，国内鲜见超储期土工合成材料类防汛物资再利用的研究与实践。

在土工合成材料老化特性和耐久性方面，王殿武等［4-5］提出了土工织物和土工膜在有岩土等防护措施的条件下至少可以有30 a以上的安全使用期；包伟国［6］通过人工气候的模拟试验来寻求加速老化试验与大气老化试验结果之间的关系，研究了聚丙烯土工合成材料的老化特性，提供了一种预测土工合成材料寿命的方法；蒋文凯等［7］对无纺土工布进行了15个月的室外试验，得出土工合成材料在前6个月材料的力学性能变化不稳定，有的样品力学性能还有上升的现象，其力学性能的衰减主要表现在6个月以后。在袋装砂土石围堰的砂袋老化研究方面，黄东海［8］得出了特定条件下聚酯土工布、防老化聚丙烯土工布、土工格栅等土工合成材料的老化折减系数，对于目前的研究具有一定参考价值，对于不同的施工条件和材料，这种预测方法局限性较大。郑智能［9］利用理论模型和实验室加速老化试验定性分析土工合成材料力学性能保持率的预测方法，控制材料老化的方向之一，如光氧化、热氧化等，而实际工程中材料老化速率受紫外线、温度、湿度、水中化学物质等复杂因素影响［10］。A.A.Popov［11-13］和K.Busfield［14］相继提出，在应力的作用下会改变土工合成材料的结构和形态，从而影响土工合成材料抗老化的性能；R.K.Rowe［15］通过现场试验和实验室测试总结了HDPE土工膜耐久性相关的基本概念和机制，并讨论了影响土工膜工程中使用寿命的因素。

总体来说，目前国内外的研究主要是通过对外部环境的模拟来加速试验样品的老化以及通过自然环境下的老化情况来研究其耐久性规律，但都未对土工合成材料的老化性能进行详细的描述和限定。对于土工合成材料防汛物资的研究仅仅停留于如何信息化管理和储存方面，对于经仓储后老化的力学性能等指标的研究还比较少，还没有对超储期储存土工合成材料再利用方面的研究。目前，国内外对于超储期土工合成材料防汛物资基本上是以报废为主。

为此，研究土工合成材料在超储期下的物理性能、老化规律以及实际工程效能状况，特别是如何准确地预测土工合成材料类防汛物资的储存寿命具有较大意义。本文通过收集江苏省苏北地区各市县防汛仓库不同超储年限的土工合成材料调研资料，筛选具有代表性的材料样品，开展力学性能检测以及现场防汛抢险模拟试验来分析、评价其老化程度以及安全再利用的可能性，提出可供参考的合理使用年限以及防汛物资采购和储存方面的有益建议。

1 试验样本的选择

1.1 土工合成类防汛物资采样

本次研究的超储年限土工合成材料类防汛物资抽样样本来自江苏省苏北地区的徐州市骆驼山仓库、邳州仓库、铜山仓库、骆运仓库、泗阳县淮沭河仓库、泗洪县仓库、六合仓库7所防汛仓库。其中，六合仓库为省级仓库，邳州和骆驼山仓库为市级仓库，其余为县级仓库。材料包括编织袋、彩条布、无纺土工布、复合土工膜四大类。其中，编织袋16个样本，彩条布6个样本，无纺土工布6个样本，复合土工膜4个样本，总计32个样本。储存年份最早为1992年，最迟为2010年。具体材料的类别、规格及存储日期参见下文。

1.2 采样仓库储存条件

在取样的同时对这些物资的管理情况和仓储情况也作了一些考察，此处对仓储环境、管理水平作简单描述。

图1为江苏省省级存储仓库六合仓库，土工合成类防汛物资储备种类较为齐全，整体管理水平和防护措施较好，仓库密闭性能较好，仓库窗户有百叶窗遮光避风。材料保存较为完善，土工合成类材料有黑色遮阳布防护，避免了紫外线的直接照射。但此仓库的过期防汛物资储备较少，不能很全面地反映历年来物资力学性能的变化。

图1 江苏省六合仓库

图2（a）邳州仓库为市级存储仓库，除了有一些包装袋已有破损外，整体的仓储环境和管理水平与六合仓库类似。图2（b）骆驼山仓库也为徐州市级存储仓库，此仓库部分窗户没有密封，紫外线可以直接照射进来，不利于防汛物资的储存。

图3为县级储备仓库，从现场可看出这些仓库窗户上无遮阳设备，有些物资表面无防护措施直接堆放在窗户边，阳光直射到防汛物资上，紫外线的照射会加速土工合成材料的老化。在管理水平上，县级仓库人员配备不足，有的仓库基本没有专业管理人员。

从前期整体调研上来看，省级防汛仓库和市级防汛仓库的设计标准和管理水平较高。而县级防汛仓库设施在设计上存在缺陷，有些破损设施未得到及时维护和修缮，尤其在紫外线的防护措施上，没有按照要求进行处理。同时，人员配备缺乏可能导致仓库的管理不够到位。

图2 市级仓库

图3 县级仓库

2 室内测试内容及方法

分别分批次对所有抽样的初始仓储取样和经现场防汛抢险模拟试验老化30，60 d和90 d后的取样做物理力学性能指标检测，与国家防汛物资的入库标准比较分析。检测的指标内容为：编织袋的经、纬向、接缝的断裂强度和延伸率，圆柱顶破力；彩条布、无纺土工布、两步一膜的经、纬向断裂强度及延伸率、圆柱（CBR）顶破力、梯形撕裂强力。

该研究的室内测试试验采用河海大学水工结构研究所土工合成材料多功能测试系统（型号TGH-2B）（见图4），进行了宽条带拉伸试验、梯形撕裂试验和圆柱（CBR）顶破试验。所有测试环境、试样尺寸、检测过程及力学性能指标计算均严格按照SL 235-2012《土工合成材料测试规程》相应试验规程；同时每组试样做5组试验，确保试验结果准确无误。

图4 土工合成材料多功能测试系统

3 现场防汛抢险模拟试验及取样

现场防汛抢险模拟试验在位于南京市六合区滁河红山窑水利枢纽下游的江苏省防汛抢险训练场进行，该训练场分别建有训练演练区和训练辅助区，演练区可实现模拟渗流、管涌、漏洞、裂缝滑坡、漫顶、溃坝决口等常见的水利工程堤坝病险情发生、发展过程。

（1）现场试验试样的编号。试验前对试样按照四大类不同仓储分别进行了系统编号，后续试验铺设也按照此编号一一对应，以便掌握试验过程每个部位铺设的试样情况以应对工程模型出现的问题并方便后期取样。

（2）现场试验的勘测选址。选择机械易于进入且方便试验人员施工的地区，同时临滁河河道方便蓄、排水。选址的场地原貌见图5。

图5 试验场地原貌

（3）装袋挖坑同时进行。采用专门机械按照施工图纸进行建模水池开挖施工。池底15 m×15 m，深2 m，边坡比为1∶3，池底和边坡均被整平，详见图6（a）。将现场开挖土装于编号的编织袋中，充填率达50%～60%的用扎带捆扎，见图6（b）。

图6 装袋挖坑同时进行

（4）试样的铺设和土袋的堆积。开挖完毕后，根据施工图要求，各仓库、年份的材料分别铺设复合土工膜及无纺土工布于池底及四周，起到护底护坡、防渗作用，见图7。

图7 土袋的堆积和土工膜铺设

复合土工膜沿坡面方向水平铺设，其接缝处进行焊接处理（由池底向上依次铺设），相邻坡面交接处相互压实；坡面铺设完毕后进行堰底铺设，接缝处进行焊接。再将装填土袋从池底开始堆垒成高1 m的堤坝体，模拟一侧的挡水断面，堆砌时采用纵横交替的堆砌方式，且按照施工图中不同仓库、年份依次堆叠。在堆体上铺设彩条布护堤，模拟实际防汛堤防中的防冲刷老化。最终施工完成实际图见图8。铺设完毕后在堤体的对面一侧斜坡上标设水尺，水尺最上标线离池底2 m，试验过程中保持蓄水到1.8 m高度处，见图9。

图8 蓄水前现场试验模型

图9 给蓄水池设置水尺

（5）给蓄水池内预设编织袋取样。用红蓝两色高强度防老化的绳子分别拴在10种编织袋上，分放于堤体的两侧，以便进行30 d和60 d取样。

（6）蓄水池蓄水。蓄水前在池周边架设边护栏确保人员安全。用抽水泵从旁边河流抽水达水尺上标的预期刻度，详见图10。蓄水过程中出水口应有消能防冲刷装置（套上竹篮）。

（7）取样室内测试。现场模拟试验老化，每30 d取样1次，共取样3次。1月和2月后将事先预设的试样用绳子拉出；3个月后将蓄水池内水放空，在堤体内部取编织袋和彩条布每一种试样，在池底铺设的两布一膜和无纺土工布上裁取每一种试样。试样均在室内阴暗处晾干。

4 超储期土工合成材料总体可用性分析

结合初始出库的检测试验结果和现场试验30，60 d和90 d后材料状况，评价分析力学性能衰减程度，并提出合理使用的指标建议。试样材料的力学性能分析参照SL 297-2004《防汛储备物资验收标准》和GB 17642-2008《土工合成材料非织造布复合土工膜》相关指标标准。《中央防汛抗旱物资储备管理办法实施细则》中的储备年限及报废更新第二十条要求：根据中央物资存储条件、各类物资老化试验结果，中央物资按照验收入库时间起计算。储备年限为：编织袋6 a，复膜编织布8 a，无纺土工布、复合土工膜10 a。

图10 蓄水池完工

4.1 无纺土工布可用性分析

本次抽样选取的无纺土工布规格为250 g/m2，测试试验处理结果参照SL 297-2004中土工织物物理力学性能指标，见表1。

无纺土工布的断裂强度及断裂延伸率如表1所示，1992年邳州仓库的无纺布比其余仓库的仓储年份长10 a之多，其初始仓储断裂强度也相对较低，经向断裂强度12.23 kN/m，略低于标准，纬向断裂强度为标准的82.8%。其余无纺布初始仓储经、纬向强度均满足防汛物资的入库标准。

表1 无纺土工布初始仓储及老化后断裂强度及断裂延伸率

经过3个月的现场防汛模拟工程试验，无纺土工布整体在外观上无破损现象，工作状况良好，可以满足工程应用要求。

1992年邳州仓库的无纺布经、纬向断裂强度衰减最多，分别衰减为标准的26.17%和52.17%。其余仓库无纺布经向断裂强度均在标准之上，纬向断裂强度除六合仓库外均略低于标准，最小的2006年铜山仓库纬向强度为标准的78.4%，也有较大保持率。2004年六合仓库为省级仓库，初始仓储强度及老化90 d后的强度均远高于标准，且老化试验过程中几乎无衰减。其余仓库衰减速率规律性不明显，且由于材料采购商未知，原材料差异大，因此，衰减速率与年份规律性不明显。此外可看出现场试验过程中，纬向强度衰减速率整体大于经向强度衰减速率。

除1992年邳州仓库外，本次出库无纺土工布初始经、纬向断裂延伸率均满足国家防汛验收标准。这说明，即使在长时间的仓储条件下，伸长率仍可以保持在标准范围内。

整体上相较于初始力学性能，无纺布经过30，60 d和90 d的现场试验后，其力学性能逐渐降低；同时表明储存年限越长，其力学性能下降越快。经过3个月的现场试验，无纺土工布顶破强力整体上依然全部大于2.2 kN，梯形撕破强力整体上全部大于0.35 kN，均满足国家防汛验收标准，且在现场试验过程中衰减较小。

4.2 复合土工膜可用性分析

此次选取的复合土工膜均为两布一膜，其规格均为400 g/m2，其标称断裂强度为12 kN/m，试验测试结果指标参照SL 297-2004中短纤针刺非织造复合土工膜物理力学性能指标，见表2。

六合仓库属于省级仓储，2002年存储在六合仓库的复合土工膜，经、纬向断裂强度相比其余仓储的断裂强度都高。其余市县级仓储的复合土工膜初始出库强度和老化过程中的力学性能衰减规律也相差不大，差异性主要是由县级仓储条件不同引起。初始出库强度最低的为2008年骆驼山仓库，纬向断裂强度10.56 kN/m，为标准的88%，经向90 d老化后衰减为标准的74.2%。经过3个月的现场防汛模拟工程试验，复合土工膜在外观方面表现良好，无破损现象，防渗性能保持良好。

从初始出库到老化90 d，本次研究取样的复合土工膜的断裂伸长率均大于30%，满足国家防汛物资验收标准。说明防汛用复合土工膜在仓储和防汛过程中衰减不多，仍可满足断裂伸长率指标，仓储过程和防汛过程中衰减不大。

从顶破强力和梯形撕破强力来看，经3个月现场试验后，复合土工膜相关参数均大于国家防汛物资的验收标准，即顶破强力大于2.2 kN，梯形撕破强力均大于0.4 kN。

力学性能经试验室检测均有较高的保持率，所有试验样品强度均大于入库标准。复合土工膜经过30，60 d和90 d的现场试验后，其力学性能逐渐降低，储存年限越长其力学性能下降越快。

4.3 彩条布可用性分析

此次抽样的彩条布规格均为120 g/m2，7个试样分别来自7个仓库，储存年限为1995～2006年。试验方法参照规程SL 235-2012，试验测试结果指标参照SL297-2004中彩条布的物理力学性能指标，见表3。

经现场试验，从表观看，除了铜山仓库的彩条布有明显的破损情况外，其余各仓库彩条布表面均保持良好。现场防汛模拟试验过程中，彩条布覆盖在防汛堤上防浪防冲刷，所以彩条布直接与土袋接触，相互间有摩擦作用，在浅水中发生腐蚀老化，在坡面表层薄层水中受太阳直射，发生紫外线老化。因此对彩条布可用性的检测和分析，要着重考虑其初始出库力学特性和老化过程中的衰减。

表2 复合土工膜初始仓储及老化后断裂强度及断裂延伸率

1999年邳州仓库和2002年骆驼山仓库属于市级储备仓库，仓储条件较好，本次出库初始强度相对较高，虽然年代久一些，其经老化试验的强度衰减也较小。2004年六合仓库属于省级仓库，仓储条件最好，可能因为物资入库时强度不高，使初始仓储取样断裂强度不高，但是储存年代相比其他仓库较短，所以现场老化过程中抗拉强度衰减速率较小。2006年铜山仓库，仓储年代最短，现场试验过程中老化最小。

通过以上的数据整体来看，虽然材料的规格相同，但除了1995年泗洪仓库的彩条布外，其余仓储试样的抗拉强度随着存储年代的增加未见明显下降，主要由于这些材料的生产厂家不相同，还有市与县级储存条件的差异。

本次所有取样的仓储彩条布的断裂伸长率从出库初始强度到经现场试验老化90 d之后，均满足国家防汛物资验收标准。

从顶破强力、梯形撕破强力看，只有1999年邳州仓库的彩条布的初始顶破强力（1.65 kN）大于标准（1.6 kN），初始撕裂强力（0.32 kN）大于标准（0.30 kN），其余彩条布均不满足防汛验收标准。30 d后所有彩条布均已远小于防汛验收标准，且衰减较快。

表3 编织袋初始仓储及老化后断裂强度及断裂延伸率

4.4 编织袋可用性分析

此次抽样的编织袋规格为95 cm×55 cm、100 g/条，试验指标参照SL 297-2004中防汛编织袋物理力学性能指标，见表4。

本次所取样的编织袋的仓储初始强度均小于在入库标准，初始延伸率都保持在防汛验收标准内，初始顶破强力和纵向梯形撕裂强力均不满足标准。在现场试验中，所有力学性能逐渐降低，储存年限越长其力学性能下降越快。

结合对照现场防汛模拟试验过程工程破坏试样及相应的检测分析结果，只有2004年骆运仓库和2004年六合仓库的取样土编织袋完好，依然具有较高的断裂强度，2004年骆运仓库试样拉伸断裂强度为：经向14.31 kN/m（标准的79.5%），纬向12.36 kN/m（标准的77.25%）；2004年六合仓库试样断裂强度为：经向10.6 kN/m（标准的58.89%），纬向9.36 kN/m（标准的58.5%）。因此这两种试样（聚乙烯材料）的仓储断裂强度及相关力学指标可作为同类材料合理利用的参考使用标准，即经向断裂强度大于15 kN/m（标准的80.56%）、纬向断裂强度大于16 kN/m（防汛物资验收标准）、且储存年限不超过11 a的聚乙烯编织袋，经检测后可根据现场实际情况审慎合理利用。

初始出库力学性能较差的编织袋绝大部分已处于损毁状态，对损毁编织袋的完整部分进行取样，通过室内力学特性试验发现其强度保持率较低，有的甚至达不到入库标准的10%。

表4 编织袋初始仓储及老化后断裂强度及断裂延伸率

2004年及2008年骆驼山仓库的编织袋再经过现场试验后其力学性能下降最明显，取样时也有部分损坏，这两种编织袋的储存年限虽较短，但其力学性能保持率不高。分析其原因为：①由于市级储存仓库储存条件较省级仓库来说相对较差，往往不能保证其在无紫外线的条件下储存，导致其老化较快，从其余几个非省级仓库也可以看到相关现象；②材料本身就没有添加相关的抗老化材料，抗老化能力弱。比如同样是省级仓库2007年骆运仓库的编织袋拉伸强度小于2004年骆运仓库储存的编织袋强度，因为2004年编织袋加入了炭黑等防老化材料，在长期储存后仍有较高强度，为标准值的90%，这也是2004年编织袋力学性能保持率最高的原因之一；③在入库时也可能没有经过严格的质量检测，往往导致其初始的力学性能无法达到要求。

5 结论与建议

5.1 结 论

（1）在通常的仓储条件下，抽样出库初始拉伸断裂强度大于入库验收标准且储存年限小于16 a的无纺土工布，可考虑合理使用。

（2）建议出库初始拉伸断裂强度大于或等于入库标准以上且储存年限不超过18 a的复合土工膜，可根据现场情况考虑合理使用。

（3）不同年限不同仓库的彩条布样品力学差异性较大，从年份上来看无明显的规律性。但鉴于彩条布在防汛过程中主要用于防浪防冲刷，基本处于不承重状态，建议抽样检测的出库初始拉伸断裂强度在10 kN/m以上的彩条布，可根据现场情况考虑谨慎使用。

（4）此次试验中的编织袋经过3个月的现场试验，暴露在浅水表面的编织袋绝大部分处于损坏状态，鉴于防汛工作的重要性，对于普通仓库储存的编织袋超出储存年限（即6 a）的未加炭黑的聚丙烯编织袋作报废处理；对于在省级仓库（如六合仓库）条件下存储11a以内的聚乙烯编织袋，可根据现场情况审慎合理使用。

5.2 建议

由于储存材料样品的差异性较大、储存年分不够连续以及样本的出厂力学性能无记录等因素，本文分析还存在一些不足之处。但通过分析研究，可获得以下对于防汛物资的储存和采购的有益建议：

（1）建议提高防汛仓库的仓储环境和管理水平，有助于保证防汛物资在实际使用时具有较高的力学性能，此外可延长储存年限。

（2）对于入库防汛物资应按批次抽检其性能指标，并保存好入库性能指标文件。

（3）尽量采购添加抗老化剂的土工合成材料防汛物资，尤其如编织袋等，聚丙烯材料需添加炭黑，或者采购聚乙烯材料的编织袋。