基于土工袋的河岸防护应用研究

徐解刚，杭天飞，厉 凯，张 闻，王 盼

(1.宜兴市湖镇水利站，江苏 宜兴 214200；2.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

1 引言

河岸侵蚀是世界范围内面临的主要自然灾害之一[1]。强大的河流侵蚀着河堤坡脚的细沙，使斜坡变得更陡。当河流的坡度突然减小，大量沉积物沉积，导致河流横向发展。随着汛期开始，河流的输沙量增加，水深开始发生变化，河床上的沉积物以砂坝和岛屿的形式出现，严重的河岸侵蚀，导致每年大量肥沃土地流失[2]。

传统的河岸侵蚀防护措施都过于昂贵。修建护岸的成本从每千米600万元到1000万元不等[3]。加之一些地方修筑混凝土所用的骨料在本地短缺、没有适合抛石的岩石、没有用于施工的重型船用设备、更深的地方需要防护等问题，导致传统的护岸工程在一些地域难以实施。随着土工织物材料在建筑行业的日益普及，土工织物袋、土工织物管因其低廉的价格和容易获取的原材料在河岸保护工程广泛应用。使用放置在土工织物过滤层上的土工织物袋进行护岸，修建适当的河道整治工程[4]，如填充有土工织物袋的钢石笼以规则的间隔放置，增强冲刷保护措施的稳定性[5]。本文对正在进行的洑西河土工袋保护周围灌溉用地和农村项目进行描述，阐述该工程土工袋防护的应用过程、护岸的关键要素及接下来的工作安排。

2 研究区概况

3 河岸侵蚀机理

被侵蚀河岸的水流基本上是南北向，在洪水季节与河岸线平行，但在旱季与河岸成一定角度。最低冲刷床面可能是在低流量期间产生的。岸线移动是上游岸线侵蚀的结果，向项目旁边的沙洲输送了大量沉积物。在大洪水期间，河道中的流量很高，水以高达3 m/s的速度在紧邻工程岸线的地方流动，这就需要修建水下保护工程。受到侵蚀的岸坡平均坡度为1∶2。

4 土工袋防护的应用过程

在2017年，作为一项紧急措施，沿河岸首次放置了土工袋。同时准备了一个灾难应急计划，以防河水冲破防洪堤。就项目至今仍然完好无损而言，可以说用土工袋进行保护是成功的。然而无论是在国内还是在其他地方，关于土工袋的某些基本假设都无法通过理论或经验来证明，这是在理论可行性方面存在问题。图1给出了土工袋施工的概念图。在接下来的计划中对土工袋护岸进行修改，这种改变称为“适应性方法”。适应河流是必要的，因为侵蚀是不确定的，河流即使是在短期内也容易在以不可预测的方式改变。

图1 土工袋施工概念图

根据2017年的现场经验，进一步对土工袋的尺寸进行了修改。当装满干沙时，袋的质量分别为11 kg、36 kg、78 kg和126 kg(图2)。将所有不同尺寸的土工袋进行混合，每种尺寸占总质量的25%。填充砂的密度取为1500 kg/m3。

图2 不同规格的土工袋

表1给出了不同规格土工袋的质量和尺寸，为了抵抗水流，保证袋子的稳定性，袋子越大越好。填充至80%容量(扁平形状)的袋子能覆盖其未填充区域的80%，而当填充至100%(圆形形状)时，其仅能覆盖其未填充区域的75%。

表1 土工袋的质量和尺寸

土工袋由聚丙烯或聚酯织物制成，这种织物是无纺和针刺的，不仅仅是热粘合的。该纺织品的密度约为400 g/m2，拉伸强度超过20 kN/m。需要确保其在使用前保持其原始拉伸强度的70%。土工织物的孔隙率要求至少为80%。在观察到某些使用过的土工织物产生材料散开的现象后，进行磨损试验，以确保长期稳定性(图3)。并对土工袋材料、袋及其接缝的其他特性进行测试。

图3 袋子表面的磨损情况

5 土工袋护岸的关键要素

5.1 实验室试验

在土工袋护岸实施过程中，将土工袋推下水，使其在天然岸坡上形成一薄层。在护岸上，土工袋受到由流过其上的水引起的压力和剪切力的作用，其自身重力是主要的稳定力，用来抵抗水动力将土工袋保持在适当的位置(前提是堤岸不要太陡)，否则容易被冲走。在薄薄的土工袋层下面，是由沙子、淤泥或粘土组成的天然坡脚。从岩土工程的角度来分析，坡脚河床冲刷是影响岸坡稳定性的最重要因素。研究区的河床由细砂和极细砂组成，直径为0.1 mm～0.3 mm，几乎任何微小的水流都会扰动这种物质。

在水动力稳定性评估中，假设土工袋表层覆盖的岸坡是稳定的，并且土工袋不会在岸坡上滑动，流体动力倾向于将袋子向下游移动；重力具有将袋子保持在适当位置的分量和将袋子沿斜坡向下移动的分量。在实验室，通过比例为20∶1(原型对模型)的水力模型试验，研究土工袋的水动力特性。模型土工袋由填充有细沙的可渗透布料构成，放置在坡度为1∶1.5和1∶2的堤岸上。它们以表2所示的初始运动速度移动。

表2 初始运动速度(原型值)

表2中的袋子质量是填沙的干缩比原型值，“河岸”速度代表从斜坡初始坡脚起三分之一斜坡长度处的缩比深度平均值。在模型中还确定了角状岩石(22 kg)、圆形岩石(50 kg)和混凝土块(65 kg)的初始运动速度。这三种岩石和126 kg沙袋的初始运动速度实际上是相同的。边坡修正系数K1的关键参数见表3。

表3 边坡的倾斜角与修正系数

从实验结果可以确定，在1∶2和1∶1.5坡度上，两个最大模型土工袋的形状系数应采用平均值0.77。当流速超过1.5 m/s左右时，沙子从袋内溢出，从上游侧移动到下游侧。

5.2 岩土工程研究

本节中讨论的内容包括河岸原生岸坡的运动以及土工袋在河岸原生岸坡界面上的运动。这包括沙袋在沙子上滑动；袋子和沙子粘合在一起，导致混合物在下层沙子上滑动。在安装土工袋防护装置之前，研究区河岸侵蚀的特点是水流侵蚀岸坡和河床的沙子，随后是上层岩土破坏，从河岸顶部向下延伸至低水位。在铺设土工织物过滤器和混凝土块之前，将河岸的上坡修整至1∶2。填物堆由不同级别的土工袋组成。堆积物向河流方向的坡度设定为1∶1.25(大约与水平面成39°)，土工袋的静止角是52°，但是通过堆积过程，土工袋可以稳定在更陡的斜坡上。图4给出了侵蚀区河岸剖面模拟结果。

图4 侵蚀区河岸剖面模拟结果

进行大量的岩土工程勘察，包括钻孔和测井，以及估算土壤强度特性，结果表明边坡总体稳定。通常没有考虑岩土工程因素，对于倾角陡于1∶2的边坡，认为自然斜坡的陡峭部分是“稳定性的极限”。

上层为5 m～6 m厚的河漫滩土壤，由粘土和低塑性粘土-淤泥组成。粘土层从洪泛区向下延伸到低水位。在上部粘土层之下，堤岸由中等密实度的细粒和级配不良的砂组成。沙粒的比重取26.5 kN/m3。沙子主导整体稳定性，如果它在粘土下面失稳，会导致粘土坍塌。边坡有三种破坏方式，分别是地质破坏、沙子的流动破坏以及疏浚引起的液化破坏。冲刷是引发边坡破坏过程的一个重要因素。通过保护坡脚和较低岸坡，防止坡脚土壤应力水平的快速变化，稳定顶部岸线，防止斜坡出现此类破坏。

设想不同尺寸土工袋的防护方案，它们沿着低水位的河岸放置，当受到侵蚀而下陷时，将这些土工袋推出，并以0.9 m厚的保护层覆盖侵蚀区域。但实际并非如此，覆盖面要么是单个袋子，要么是凹凸不平的裸露石块，最小的袋子被冲走了。对于主要的防护目的，使用单一尺寸的土工袋是最有效的，因此将126 kg的土工袋应用于该河未来的施工。

5.3 保护措施系统

开发一个多步骤的实施系统，该系统结合对侵蚀威胁的快速响应和对袋子的优化使用，提供令人满意的保护效果。

立即保护：对即将到来的河流侵蚀需要做出快速反应。这是通过将河岸上堆积的土工袋迅速推下水来实现的(图5)，这将形成厚的覆盖层，大大降低了侵蚀率，但从长远来看并不稳定，故将其定位为立即保护措施。

图5 实施即时保护

一级保护：在立即保护放置的袋子上继续放置三层袋子。在一级保护完成后，平均在斜坡上形成四层厚度。此外，将一个薄而宽的防坠护坦放置在这种保护的底部，用于防护程度更大的冲刷。

二级保护：河流在接下来的几年对护岸造成破坏，导致其整体形态发生变化。冲刷可能会在坡脚处和护坦处达到更深的水平。第二级保护的目的是维护一级保护形成的护案层(图6)，以达到更均匀的表面，计划是在达到最深冲刷深度后放置2层袋子。

图6 二级防护施工

维护：定期维护是保障护岸系统使用寿命期间的关键操作。维护预计将在实施后5年～10年内开始。

6 结论

本文以洑西河油车水库下游段正在进行的土工袋保护周围灌溉用地和农村项目为例，介绍土工袋防护的应用过程，并对所使用土工袋的规格及其性能进行研究。通过实验室试验和岩土工程研究揭示土工袋护岸稳定的关键要素，制定由立即保护、一级保护、二级保护和维护手段组成的护岸防护措施系统，该系统能有效地阻止即将到来的河流侵蚀及防护更大程度的冲刷。该研究提供了一种切实可行的防止河岸侵蚀的手段，与传统混凝土护岸相比，该方案充分利用当地现有的材料，节省了大量的人力和经济成本，该案例可为类似的工程提供借鉴和参考。