充泥管袋导堤方案优化研究

沈保根

摘 要：综合考虑巢湖口门区地貌特征等因素作用下可能对充泥土工管袋导堤结构稳定性产生的影响，开展管袋导堤结构断面优化设计。采用现代设计理论，结合充填管袋导堤结构断面的优化设计问题，总结归纳以往类似工程设计经验，研究导堤的最优断面形式，得到提高堤防整体稳定性并节约投资成本的设计方案。

关键词：导堤堤型;结构优化;断面形式;稳定性

中图分类号：U655.4 文献标识码：A

0 引言

土工管袋是一种有一定材料强度的具有过滤结构的管状土工袋，管袋尺寸可以根据设计需求调整，长度最大可达到200 m，材料具有强度高、过滤性能好、抗紫外线性能强等特点。土工管袋脱水分为充填、脱水、固结3个阶段。通过管道泵送系统把淤泥充填到土工管袋中，必要时加入絮凝剂和固化剂促进固体颗粒固结，经脱水后超过99%的固体颗粒被存留在土工管袋中。

由于管袋堤坝建造工艺适合我国河口近海的工程条件，自上世纪80年代以来被广泛采用，发展迅速。经国内外已有的工程实例证明，充泥管袋对底泥脱水具备速率快、经济效益好、脱水能耗低、环境效益高、无需设备维护等优点[1-3]。

1 工程概况

巢湖流域位于长江下游左岸，处于安徽省中部，流域总面积13 486 km²，其中巢湖闸以上流域面积9 153 km²，主要支流有丰乐河、杭埠河、南淝河、派河、白石天河、柘皋河和兆河等呈放射状注入巢湖。工程位于巢湖某入湖航道口门处，如图1所示。工程区域距岸较近，工程邻近地区经济基础较好，基础设施完善，交通四通八达，水路和陆路运输均较为方便。距安徽省合肥市南 70 km，合九铁路、合安高速公路、合铜黄高速公路穿过县境，为南北交通要道;合铜公路、巢庐公路以及四通八达的县乡村公路形成便捷的交通网络;水路运输通巢湖达长江。根据施工需要，岸上临时基地需修建部分临时道路，以连接各临时生产设施、生活设施及临时码头。

项目区地貌单元为沿江丘陵平原，地貌亚区为江北丘陵波状平原，微地貌单元为湖积平原，地面标高在 7.20 m～9.00 m 之间，地势平坦。防波堤工程位置处，岩性自下而上为中砂、细砂、稍密性粉土、可塑性粉质黏土、淤泥质粉质黏土、松散性粉土、软塑性粉质黏土、淤泥。

2 研究现状

在水利工程中，导流堤主要是用以调整和引导水流流向的整治建筑物。主要布置在河口拦门沙航道的一侧或二侧，用以集中与规顺水流，增大水流输沙能力，刷深航道，并能防止外海漂沙进入河口和航道。在平原河流用以调整洪水流向，将主流导向河道中部，冲刷航道，增大水深。形式按堤顶高程分，有高水堤、中水堤和浅水堤三种。

目前国内外比较成熟的建设方式是利用土石材料或混凝土材料来构筑导流堤，其构造出的导流堤效果好，稳定性强，但施工难度大，成本高，容易受到现场条件的制约。利用土工管袋技术来构筑导流堤施工难度相比较小，成本较低，但技术支撑材料较少，国内土工管袋应用实例大部分都是充砂筑堤，利用淤泥充填管袋筑堤的报道显有闻见，这也是本次项目的设计重点和突破方向。

3 结构设计

充泥管袋堤心是整个拦沙堤的核心所在，根据工程建设条件，针对不同桩号范围及堤底高程，拟设计不同参数的土工管袋填充高度，以某设计段为例，具体两种设计参数如表1、表2所示，以确保能够达到拦沙的目的。

由于管袋材质以及填充材料的不同，表1设计未按照规范[4]标准设计，表2设计要求按照规范要求设计。为保证上层管袋不受风浪的影响，拟设计单个袋体的重量均大于10 t，并且充填管袋垂直于堤轴线方向铺设，上下袋体应错缝排列，铺设后的袋体满足设计要求，单个袋体充填高度如上表所示。同时为保证管袋堆叠后的稳定性，管袋的摆放形式如图2所示。

4 现场实验

选取距河口 1 km 处的空旷区域开展现场实验，为实验所需用水及淤泥充填提供便利。实验内容包括准备堆场、布设土工管袋、疏浚充填、脱水干化等环节，流程如图3所示，以期为工程实施提供基础数据和技术资料。

实验段所选管袋主要尺寸（长宽高）为2.8 m×1.6 m×

0.6 m 和 3.2 m×1.6 m×1 m 兩种类型。通过实验现场观察发现，尺寸为 2.8 m×1.6 m×0.6 m 扁平型管袋从充填效果、充填后的管袋稳定性均要优于尺寸为 3.2 m×1.6 m×1 m 的长方型管袋，即设计方案2管袋设计高度较优。

5 稳定性分析

5.1 整体稳定性

管袋堤坝的稳定性问题包括地基的整体稳定性及各层管袋间的滑动稳定性。对于地基的整体稳定性验算，许多文献和规范推荐采用传统的圆弧滑动法，但因管袋堤坝是由充填管袋叠置而成的棱体，其本身刚度较大，整体性较强，因此，可以考虑滑弧不通过坝体，这样滑弧半径加大，滑弧面也转向深处，因而也就增强了地基的整体稳定性。通过管袋结构断面离心模型试验研究表明，充填管袋堤身断面轮廓完整，边坡无明显变化，为了探讨结构可能的破坏形式，将离心加速度提高到80g，并将模型向迎水面倾斜，相当于将垂直荷载扩大约1.6倍，水平荷载增大为垂直荷载的10%，在这种情况下，只是出现了地基下沉加剧，管袋下凹曲率增大，而断面轮廓仍然完整，管袋间无相对滑移，说明该结构尚有足够的安全储备，滑弧不通过管袋坝体的假设是合理的。

5.2 充填袋层间抗滑稳定

考虑到水面以下的袋体受力情况，分析竖向受力，只需要确定竖向力最小的最不利情况，即顶层袋体的抗滑稳定性。顶层管袋受力图如图4所示。

考虑管袋在波浪作用下的受力情况，根据静力平衡理论，设上下层土工管袋之间直接滑动的安全系数为，可用下式进行计算确定。

（1）

式中：—充填袋层间抗滑稳定安全系数，—计算层以上总垂直荷载（kN/m2），—充填袋袋间摩擦系数，实验确定为0.7，—计算层以上袋体受到的总水平荷载（kN/m2）。

计算得值为2.25，结果显示管袋间抗滑稳定的安全余量较大，满足稳定性要求。

6 小结

充泥管袋筑堤方案可以均匀分散地基的集中受力，适应软弱土层的不均匀沉降，施工工艺简单可靠。经造价成本分析，处理1 m3干方淤泥所需费用为300元左右，相比较于传统抛石筑堤或充砂管袋筑堤可节约成本20%以上，经济效益显著。同时，利用淤泥充填管袋脱水筑堤技术还可以解决巢湖清淤产生的淤泥消纳困难、占用农业及建设用地、污染环境等问题，具有较大的社会效益和推广应用价值。

参考文献：

[1]单文华，徐春峰.集镇区疏浚工程土工管袋淤泥固化技术的应用[J].人民黄河，2020（S1）：11-13.

[2]黄佳音，杨旺旺，王利桃，等.基于白洋淀底泥土工管袋脱水工艺试验研究[J].人民黄河，2019（S2）：97-98+119.

[3]查道平，黄万凌，孙淼焱，等.生态环保土工管袋处置河道疏浚底泥的施工技术[J].建筑施工，2020（11）：2149-2151.

[4]天津港航工程研究所.JTJ239-2005，水运工程土工合成材料应用技术规范[S].北京：人民交通出版社，2005.