土工管袋充填泥砂浆脱水特性吊袋模型试验研究

吴海民，田振宇，束一鸣，莫岱辉，裴 怡，毛文龙

土工管袋充填泥砂浆脱水特性吊袋模型试验研究

吴海民，田振宇，束一鸣，莫岱辉，裴 怡，毛文龙

(河海大学水利水电学院，南京 210098)

在我国河口海岸地区修筑土工管袋堤坝时，面临适合充填的砂类土严重缺乏的问题．而高含黏量泥砂充填管袋脱水固结速度太慢，不能满足潮间带上一天一层的施工要求，使该技术应用地区范围受到较大限制．在调研我国河口海岸地区管袋充填土颗粒组成特征的基础上，通过室内吊袋脱水模型试验，使用正交试验设计方法，系统研究了袋布织物孔径、充填土黏粒含量和砂粒占比(砂粒质量占砂、粉粒总质量的比例)对管袋保土性能、脱水速率和脱水程度的影响规律．试验结果及分析表明：当充填土的黏粒含量从规范建议的10%以内增加至15%时，脱水速率小幅下降，但大部分试验工况中吊袋依然能在10h内完成初步脱水固结．75%的试验工况充填土流失率不超过30%，保土效果良好；袋布选型设计中，可采用90/90≤1.5作为保土准则．脱水速率主要随充填土黏粒含量增高、袋布织物孔径减小而降低，且充填土黏粒含量超过15%时脱水速率显著降低；最终脱水程度主要随充填土黏粒含量增高、砂粒占比的降低而降低，且砂粒占比低于35%时脱水程度显著降低；保土效率主要随袋布织物孔径增加、充填土黏粒含量降低而降低；通过选择合适孔径的袋布材料，充填土的含黏量上限可由规范建议的10%适当提高，其脱水固结速率可满足潮间带赶潮施工的要求．

土工管袋；吊袋模型试验；脱水速度；保土效果；影响规律

土工织物管袋是以拉伸强度较高的编织或机织土工织物缝制成长条形管状袋体，在堤坝修筑现场以水力充入泥砂浆脱水固结后形成的构筑物，简称土工管袋．因其具有可就地取材、造价低、施工效率高、受天气影响小等优点，被广泛应用于填海造陆、蓄淡水库、沿河沿海筑堤、围堰合龙等河口海岸基础设施工程中[1-5]．当土工管袋充填施工的地点为潮间带或低滩时，一般需要在约6～10h的露滩时间内实现快速脱水和初步固结，以保证在涨潮之前管袋具备足够的承载力，为上层管袋提供充填施工条件[6]．相关研究结果表明，影响土工管袋脱水固结效率最关键因素之一是充填土的颗粒级配，但其对脱水固结效果的具体影响规律尚未有定论[7]．我国相关规范中建议土工管袋充填土中黏粒含量不应超过10%，砂粒含量应大于50%[8-9]．但随着土工管袋技术应用范围的不断扩大，在我国大部分河口海岸地区，缺乏符合上述规范要求的含黏量低、透水性好的砂性充填土．因此，探明充填土级配的合理范围及变化对不同土工管袋脱水和初步固结效果的影响规律，对于拓展土工管袋技术应用地区范围、提高施工效率、降低工程造价十分必要．

目前国际上针对土工管袋袋布材料对充填土的透水、保土和淤堵等反滤性能已开展了系列研究．如Moo-Young等[7]分别通过压滤试验和真空抽滤试验对土工织物-淤泥质土体的透水性进行了研究，定性分析了土体含水率、颗粒组成和土工织物孔径等因素对织物透水性和保土性的影响；Huang等[10-11]通过降水头渗透试验研究了有纺土工织物对疏浚淤泥的反滤特性，提出了土工织物脱水速率分析方法；Palmeira等[12]对部分淤堵的土工织物在竖向压力下的渗流特性进行了试验研究；Khachan等[13]对比了压滤试验和离心测试条件下，有纺土工织物对淤泥质土的反滤效率．上述研究对进一步认识土工管袋袋布材料的反滤性能和充填土的脱水机理很有帮助，但研究主要基于材料性能试验，未考虑土工管袋充填过程中的工艺和实际边界的影响．

为了探究土工管袋实际充填过程中的脱水固结特性，国内外学者进行了一系列室内和现场大比尺管袋模型试验研究：如束一鸣等[14]开展了利用长江口蓄淡避咸水库库区废弃土充填土工管袋筑坝的工程现场试验，提出了特定条件满足潮汐施工的充填土料要求；吴海民等[15-16]开展了室内单元管袋模型试验及大尺度管袋现场充填试验，提出了放水排泥、充排结合的快速脱水施工方法；刘伟超等[17]通过室内管袋模型试验，对袋体张力、排水速度等充填特性进行了研究；谢荣星等[18]采用航道疏浚土作为充填料，开展了土工织物充填泥袋筑堤现场试验研究；武霄等[19]开展了充填粉土的大尺度土工管袋围埝现场试验，分析了充填土流失率等指标特征．上述系列管袋模型试验研究成果较好地反映了土工织物管袋的充填过程和实际边界条件．但由于模型试验工作量较大，研究多针对某一具体工程现场典型土料进行试验，未能系统地揭示不同级配填土料对不同类型土工管袋脱水固结效率的影响规律．

相对于大比尺管袋模型试验，由Fowler在1995年提出，Koerner等[20-21]逐步完善的土工织物吊袋试验(HBT)在室内相对较容易实现，逐渐成为常用的研究手段．吊袋试验是采集工程现场准备使用的充填土，配置成一定含水率的泥砂浆充填到土工织物制成的吊袋中进行排水固结的小型模型试验．近年来已有不少国内外学者采用此方法开展相关研究：如Weggel等[22-23]提出了吊袋试验脱水过程的无量纲模型，但模型基于充填介质为纯水的假设，有一定局限性；常广品等[24]开展了施加拍打扰动下充填不同含黏量土料的吊袋试验，对管袋加速脱水固结方法进行了探索研究；Kim等[25]通过密封加压的吊袋试验装置，研究了充填压力对土工管袋排水量和排水速度的影响；吴月龙等[26]比较了充填不同含水率泥浆的吊袋的保土性能和脱水效率；Pawar等[27]采用吊袋试验对比了添加明矾作为絮凝剂和自然脱水时的脱水效率．这些研究成果表明采用吊袋试验能较好地反映土工织物管袋的充填特性，且相比大比尺模型试验可操作性强．

总结现有研究成果可以发现，充填土粒径组成和织物孔径对管袋脱水速度与保土性的影响规律并非单一的线性关系，而是综合的．如黏粒含量过高，导致织物孔径淤堵而脱水固结速度慢，但保土性可能会提高；织物孔径较大虽然脱水速度快，但保土性会过低．因此本文在调研我国河口海岸地区管袋充填土颗粒组成特征的基础上，通过室内吊袋脱水模型试验，使用正交试验设计方法，设置吊袋脱水固结效果的影响因素及水平，系统研究不同土工织物类型和不同粒径充填土组合下吊袋的脱水固结和反滤效果，并分析了各因素对脱水速率、脱水程度和保土效率的影响规律．

1 试验装置和材料

1.1 试验装置及试验方法

本文吊袋脱水模型试验采用的装置如图1所示，主要由充灌系统、吊袋、尾水收集装置、采集系统组成．充灌过程中，搅拌罐内泥砂浆的持续搅拌和充灌同时进行，保证泥砂浆充填过程均匀、连续、稳定；脱水过程中，通过采集系统中的质量传感器、电子秤实时监测吊袋及滤出液质量．其中，吊袋的直径为30cm，高度为70cm．

1—支架；2—质量传感器；3—吊袋；4—充灌泥砂浆；5—滤出液收集；6—电子秤；7—采集系统；8—泥浆泵；9—搅拌罐；○—含水率测点；×—级配测点

1.2 试验材料

1.2.1 充填土

试验用土料取自绍兴市上虞区杭州湾南岸某海塘工程管袋充填施工现场的滩地．土料取回后经过烘干、碾散、筛分处理为黏性土、粉黏土和砂性土3个粒组的干土粒．试验前根据试验设计的充填土粒径组合重新混合，加水调配至200%含水率，并使用搅拌器充分搅拌均匀后直接充灌至吊袋中．其中粒组缺失部分使用200目标准石英砂和粒径小于1mm的细河砂补足．

1.2.2 袋体材料

本文选用了国内外广泛用于制作土工管袋的  4种不同规格及孔径的土工织物制成吊袋．4种袋布材料分别为200g/m2国产聚丙烯裂膜丝编织织物、150g/m2国产聚丙烯裂膜丝编织织物、475g/m2国外高强聚丙烯机织织物、465g/m2国产高强聚酯机织织物(以下简称织物1～4)，袋体材料细部织造结构如图2所示，织物1和织物2为扁平构造，具有二维孔隙结构；织物3和织物4为立体构造，具有三维孔隙结构．织物1～4的有效孔径90分别为0.18mm、0.20mm、0.40mm、0.46mm．90为织物有效孔径，代表小于该孔径的通道占总通道的90%．

图2 试验用土工织物

2 试验方案

为了摸清我国河口海岸地区使用土工管袋可用充填土的颗粒级配组成及地域分布特征，笔者搜集了使用土工管袋相关工程文献资料，整理了我国河口海岸滩地有明确记录的管袋可充填土特性数据，包括渤海沿岸、黄海沿岸、长江入海口等区域，统计所得土样颗粒组成情况如图3所示．

在此基础上以充填土黏粒含量、砂粒质量占粉砂粒总质量之比(简称砂粒占比)、土工织物孔径为试验变量，采用16(43)正交表[28]，设计了三因素四水平的正交试验方案，共16个试验工况．如图3所示，各试验工况充填土级配特征符合我国沿海地区可用充填土粒径分布范围．需要说明的是，充填土粒径组成中，最重要的两个参数黏粒含量与砂粒含量本身具有相关性，因此选用了黏粒含量和砂粒占比两个相互独立的变量．

图3 设计充填土及我国河口海岸地区管袋充填土颗粒组成

试验方案影响因素各水平取值见表1，各试验工况充填土级配特征及袋布织物类型见表2．充填土按《GB/T 50123—2019土工试验方法标准》测试土体特性，按《GB/T 50145—2007土的工程分类标准》进行分类．

表2中，90为充填土特征粒径，代表小于该粒径的颗粒占总颗粒的质量的90%．如表2中所示，本文试验所用土料包括含粗粒低液限粉土(MLS)、含粗粒低液限黏土(CLS)、低液限粉土(ML)、低液限黏土(CL)4种土．

表1 影响因素取值水平

Tab.1 Value range of each affecting factor

表2 正交试验工况

Tab.2 Orthogonal test scheme

试验中每个吊袋分两次充灌．充灌完成后，吊袋内泥砂浆在自重作用下开始脱水，泥砂浆中的水和部分细颗粒从袋壁孔隙中渗出．当吊袋中不再有水滤出时，停止试验．试验过程中通过滤出液收集箱和电子秤监测吊袋滤出液体的质量，并收集和测试滤出液中的土颗粒质量和级配．试验停止后在吊袋内不同部位取样测试脱水后的土体含水率和颗粒级配．

3 试验结果与分析

3.1 排水量

16组试验过程中吊袋累计滤出液体质量随时间变化的曲线如图4所示．由图可知，充填不同粒径泥砂浆的各种规格吊袋滤出液质量均随脱水时间持续增加，增加的幅度不断降低，最后趋于稳定，基本完成脱水．各试验工况脱水时间差异较大，接近半数试验工况脱水时间不超过6h；除试验工况11、12、14外，其余试验工况脱水时间均不超过10h．可见，对于含黏量达到或超过10%的情况，大部分试验工况仍可满足潮间带地区赶潮施工的时间要求．

图4 累计滤出液体随时间变化曲线

3.2 排水速率

根据测试结果，将上述排水量单位换算成体积单位，并在排水稳定(试验开始20min)后对每个读数间隔时长差分，可以得到排水速率-时间关系曲线，如图5所示．由图可知，不同试验工况排水速率随时间变化的规律不相同，大致可以分为两类；第一类试验工况如图5(a)所示，初期排水速率相对较高，但下降迅速，在较短的时间排水速率降至接近零，其中试验工况3、4最为典型；第二类试验工况如图5(b)所示，排水速率下降较为缓慢，排水时间较长．

图5 排水速率-时间曲线

3.3 袋内土体含水率

为探明吊袋内不同部分土体的脱水固结程度，试验结束后将吊袋剖开观察并取样分析．在垂直方向上袋内土体出现了明显的沉淀分层现象，吊袋底部土体大部分为砂粒．对吊袋底部、中层外侧、中层中心3处位置分别取土样测含水率，测试结果如图6所示．由图可知，竖直方向底层含水率显著低于上层含水率．底层土体多为砂土，相比上层孔隙率更高，脱水固结效率更好．在同一层水平方向上，含黏量较低的前9组试验工况，袋子中心部位的含水率更高，外侧的含水率较低，说明此时靠近袋壁织物的土体脱水固结效果更好．含黏量较高的后7组试验工况则表现出了截然相反的规律：对于高含黏量充填土，最不易脱水的土体位于管袋中部靠外侧．该结果说明吊袋脱水固结过程中水平方向和竖直方向的脱水固结规律并不一致，通过单向过滤试验[7,29]得出的结论有一定的局限性．

图6 不同部位土体含水率

针对上述现象，对吊袋中层外侧和中心两处位置分别取土样进行粒度分析测试含黏量，测试结果如图7所示．由图可知，前9组中部土体黏粒含量更高，后7组外侧土体黏粒含量更高．这说明吊袋充填高含黏量土料时，在侧向渗流力作用下，袋内发生了侧向土粒位移重组：袋壁织物附近土体相比袋体中心黏粒含量更多，从而持水能力更强，脱水固结更慢，是工程实践中需要重点关注并积极采取外部措施辅助加速脱水的区域．

图7 吊袋中部与外侧黏粒含量对比

3.4 吊袋滤出液

试验结束后吊袋滤出液和其中土颗粒的质量测试结果如表3所示，大部分试验工况渗出土颗粒的质量在2.5kg以内；各试验工况充填土流失率变化幅度较大，最小为1%，最大达42%．除了试验工况2、3、5、10，其余试验工况流失率均小于30%．在修筑土工织物管袋堤坝工程中，从造价的角度考虑，相对于去外地取土，直接利用附近土体进行充填施工，这样的流失率应该在可接受范围内．

国内有纺土工织物产业中习惯以90为生产控制指标，但相关规范建议的织物保土准则只适用于用作滤层的无纺织物[8-9]．针对充填黏性土的土工管袋，相关研究建议其袋体有纺土工织物保土准则为90/90在2～5之间[29]．本文计算了各工况袋体织物有效孔径90与充填土等效粒径90的比值，如表3所示．由表可知，上述准则对本文采用的充填土不完全适用．当90/90≥1.5时，土颗粒流失率与90/90的值没有明显的相关性，且部分试验工况土颗粒流失率过高；当90/90≤1.5时，土颗粒流失率小于15%；当织物有效孔径90≤0.4mm时，大部分试验工况土颗粒流失率小于30%．试验结果表明，使用国内广泛采用的含砂粒粉/黏土充填管袋时，从保土角度考虑，需满足90/90≤1.5．

表3 各试验工况漏土

Tab.3 Leakage in each test

4 脱水特性影响因素分析

4.1 分析指标及影响因素

为了全面分析充填土粒径组成和织物孔径对吊袋充填效果的影响规律，本文选脱水速率、脱水程度、保土效率这3个指标分别计算综合平均值，分析了各因素对评价指标的影响规律．综合平均值为正交试验中某试验变量取特定水平时相应的所有试验结果的平均值．

脱水速率定义为总脱水过程中平均的单位时间含固率变化量，其反映管袋能否在限定时间内初步 脱水，即

式中：DR(dewatering rate)为脱水速率；为总脱水时间；PSfnl为最终含固率，取试验结束时3个取样点含固率的平均值；PSinit为初始含固率，计算方法为

式中为充填土含水率．

脱水程度DE(dewatering efficiency)反映最终管袋脱水效果，关乎管袋能否达到一定的初步固结强度以满足后续施工，其定义为

保土效率SRE(soil retention efficiency)定义为

式中：TSinit为充填土中初始固体量；TSSfnl为最终总固体量，其计算方法分别为

式中：s为充填土中土颗粒质量；为充填湿料体积；sl为滤出土总质量；cum为最终累计滤出液体积.

针对上述3个指标，选择充填土黏粒含量(A)、砂粒占比(B)和织物等效孔径(C)3个影响因素来 分析．

4.2 脱水速率影响因素分析

脱水速率影响因素的极差分析结果如表4所示，3个影响因素对吊袋脱水速率影响程度的大小依次为织物孔径(C)、黏粒含量(A)、砂粒占比(B)．

脱水速率(DR)综合平均值随各因素变化关系曲线如图8所示．由图8(a)可知，脱水速率受黏粒含量的影响较为显著；黏粒含量从5%增加到10%时，脱水速率降幅较大；黏粒含量从10%增加到15%时，脱水速率降幅较小；黏粒含量超过15%后，脱水速率又大幅降低．因此，为了保证较高的脱水速率，充填土的黏粒含量不应超过15%．由图8(b)可知，脱水速率随砂粒占比先增加后减小，但变化幅度并不明显．由图8(c)可知，脱水速率受织物孔径的影响最为显著；当织物有效孔径90＜0.2mm时，织物孔径增大对脱水速率有显著提升；当90介于0.2～0.4mm之间时，织物孔径增大对脱水速率影响不大；90＞0.4mm时，充填土颗粒流失率过大，不具实际意义．因此，从优化脱水速率角度考虑，管袋袋体选择有效孔径90为0.2mm的土工织物较为合理．

表4 脱水速率指标极差分析

Tab.4 Analysis of the dewatering rate index

图8 脱水速率随各因素变化关系曲线

4.3 脱水程度影响因素分析

脱水程度指标影响因素的极差分析结果如表5所示，3个影响因素对吊袋脱水程度影响程度的大小依次为黏粒含量(A)、砂粒占比(B)、织物孔径(C)．

表5 脱水程度指标极差分析

Tab.5 Range analysis of the dewatering efficiency index

脱水程度(DE)综合平均值随各影响因素变化关系曲线如图9所示．由图可知，脱水程度与充填土中黏粒含量负相关，与砂粒占比正相关，与织物孔径不相关．即充填土颗粒越细，黏、粉粒含量越高，最终脱水固结后的土体含水率就越高，从而初步固结强度越低．因此，充填高含黏量土料土工管袋施工时，需要采取压载等外部手段增加管袋脱水，提高管袋初步固结强度，从而开展后续顶部管袋施工．

图9 脱水程度随各因素变化关系曲线

由图9(b)可知，砂粒占比从10%增加到20%时，脱水程度小幅增加；砂粒占比从20%增加到35%时，脱水程度大幅增加；砂粒占比超过35%后，脱水程度增幅降低．因此，为了保证较高的排水效率，充填土的砂粒占比应不低于35%．

4.4 保土效率影响因素分析

保土效率指标影响因素的极差分析结果如表6所示，3个影响因素对吊袋保土效率影响程度的大小依次为织物孔径(C)、黏粒含量(A)、砂粒占比(B)．

表6 保土效率指标极差分析

Tab.6 Range analysis of the soil retension efficiency index

保土效率(SRE)综合平均值随各因素变化关系曲线如图10所示．由图可知，保土效率与充填土黏粒含量正相关，与袋体土工织物孔径大小负相关，与砂粒占比不相关．黏粒含量较高的充填土虽然整体颗粒较细，但在充填吊袋时保土效率更高的原因可能是较多的细颗粒淤堵了织物部分孔隙，在降低脱水速率的同时，使得稍粗一些的粉砂粒不容易漏出吊袋；另一方面较高的黏粒含量也增加了泥砂浆悬浊液内颗粒的黏聚性，黏聚成团的土颗粒也不容易从织物的孔隙中漏出．

图10 保土效率随各因素变化关系曲线

5 结 论

本文采用正交设计方法，开展了不同孔径织物吊袋充填不同级配土料的脱水模型试验，结合试验结果对吊袋的脱水固结和保土效果影响因素及规律进行了分析．研究得到结论如下．

(1) 当充填土中黏粒含量不大于15%时，通过选型适配的土工织物，土工织物吊袋能在10h内完成初步的脱水固结．充灌刚完成时刻脱水速率最大，并随脱水进行不断降低．75%的试验工况充填土流失率小于30%，保土效果良好；袋布选型设计中，可取90/90≤1.5作为保土准则．

(2) 吊袋内底部脱水效果好于上部．对于高含黏量充填土，吊袋中部中心位置脱水固结效果好于外侧；对于低含黏量充填土，吊袋中部中心位置脱水固结效果差于外侧．

(3) 吊袋脱水速率受到充填土中黏粒含量和袋体织物孔径的综合影响，黏粒含量越低、袋体织物孔径越大，则脱水速率越高；充填土黏粒含量超过15%时脱水速率显著降低；脱水速率受砂粒含量影响不大.

(4) 吊袋脱水程度受充填土颗粒级配影响，充填土中黏粒含量越低、砂粒含量越高，则充填土的脱水程度越高；砂粒占粉砂粒之比低于35%时脱水程度显著降低；脱水程度受织物孔径影响不大．

(5) 吊袋的保土效果受制作袋体织物孔径与充填土黏粒含量影响，且织物孔径大小起支配作用．织物孔径越小、充填土中黏粒含量越高，保土反滤效果越好；保土效果受砂粒含量影响不大．

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Experimental Study on the Dewatering Performance of Geotextile Tubes Filled with Silt-Sand Slurry Using Hanging Bag Tests

Wu Haimin，Tian Zhenyu，Shu Yiming，Mo Daihui，Pei Yi，Mao Wenlong

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The suitable filling sandy soil material for geotextile tube is in serious shortage in the coastal and estuarine areas of China. However，the dewatering and consolidation rate of geotextile tubes filled with high clay particle content soil is very slow. It is difficult to meet the construction requirement that a layer of geotextile tube must first be completely filled and solidified within one day in the intertidal zone；this results in the limited application of this engineering technology. The filling soil particle characteristics of geotextile tubes in the coastal and estuarine areas of China were first investigated. Based on the investigation results，a series of orthogonal laboratory hanging bag tests were conducted to study the influence of geotextile pore size，fillings clay content，and sand proportion(the ratio of sand mass to the total mass of sand and silt)on the soil retention efficiency，dewatering rate，and dewatering efficiency of geotextile tubes. The test results and analysis show that when the fillings clay content increases from 10% to 15% as the relevant technical codes proposed，the dewatering rate decreases slightly and hanging bags in most tests can also be preliminarily dewatered and solidified within 10 h. In 75% tests，soil leakage rate does not exceed 30%，showing good soil retention. During the geotextile design process，90/90≤1.5 can be adapted as the soil retention criterion. The dewatering rate decreases when the clay content increases or pore size of the geotextile decreases，and the decrease is significant when the clay content exceeds 15%. The final dewatering efficiency decreases when clay content of the fillings increases or sand proportion decreases，and the decrease is significant when sand proportion is less than 35%. The soil retension efficiency decreases when the pore size of the geotextile increases or clay content of the fillings decreases. By selecting geotextiles with suitable pore sizes，the upper limit of the clay content of fillings can be appropriately improved from 10% as technical codes proposed and the dewatering and consolidation rate can still meet the requirement of efficient construction in the intertidal zone.

geotextile tube；hanging bag test；dewatering rate；soil retention effect；influence rule

U655.5

A

0493-2137(2021)05-0487-10

10.11784/tdxbz202004075

2020-04-26；

2020-06-02.

吴海民（1982—  ），男，博士，副教授.

吴海民，wuhaimin@hhu.edu.cn.

国家科技支撑计划资助项目(2012BAB03B02)；湖南省水利科技资助项目(XSKJ2019081-28)；中央高校基本科研业务费资助项目(B200203068)；江苏省研究生科研与实践创新计划资助项目(KYCX20_0543)

Supported by the National Science and Technology Support Program(No.2012BAB03B02)，the Conservancy Science and Technology Program of Hunan Province，China(No.XSKJ2019081-28)，the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(No.B200203068)，the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province，China (No.KYCX20_0543).

(责任编辑：许延芳)