土工砂袋围堰施工稳定性影响因素研究

摘要：土工砂袋围堰作为一种临时性水工结构，对确保施工现场的安全至关重要，基于此，分析土工砂袋围堰在软土地基上的施工稳定性及其影响因素。研究结果表明，随着荷载的逐级增加，围堰的位移量也相应增加，表明荷载与位移之间存在正相关关系。围堰填筑过程中，荷载的增加导致靠近中心的土体受压最大，孔隙水压力增加最明显，进而加速了土体的固结过程。而远离中心的土体由于受到荷载作用较小，孔隙水压力的增加也相对较小，固结过程也相应较慢。

关键词：土工砂袋；围堰施工；稳定性

0 " 引言

在土木工程领域，围堰作为一种临时性水工结构，在河流、港口和其他水利工程施工中发挥着至关重要的作用。特别是在软土地基上，砂袋围堰的稳定性对于确保施工安全和工程质量具有决定性影响[1]。

软土地基具低承载能力、高压缩性和易变形等特点，在此类地基上施工砂袋围堰面临着更多的挑战。陈志海等[2]建立膜袋围堰整体稳定性分析模型，考虑土工膜袋纵向抗拉强度的影响，并定量研究了土工织物膜袋抗拉力、袋内填充土体强度参数以及膜袋充填厚度，对围堰整体安全系数的影响。陈明等[3]通过离心模型试验和数值模拟，对软基上大砂袋围堰的变形特征、破坏模式及失稳机理进行了深入研究，提出了改进的大砂袋围堰的施工工艺。娄中华等[4]根据实际工程案例，探讨围堰充填大砂袋施工技术的要点及围堰安全稳定性保障措施。黄素清等[5]研究对设有反压平台的土工模袋围堰稳定计算进行分析，采用极限平衡法和强度折减法，提出了改进的基底等效宽度计算方法。周斌[6]进一步探讨了膜袋围堰的长期沉降预测，为滨海软土地基堤防设计和施工提供了参考。

本文以澳门半岛北区关闸口岸边检大楼东侧滩涂区治理项目为背景，建立模型试验，综合考虑多种因素对围堰稳定性的影响，研究土工砂袋围堰的稳定性，以期为类似工程提供理论指导和实践参考。

1 "工程概况

本研究目标是对位于澳门特别行政区澳门半岛北区关闸口岸边检大楼东侧约800m的滩涂区域进行治理。该工程的范围包括马场北大马路、友谊桥大马路和A1桥北侧，以及澳门与广东分界线南侧，从关闸口岸V型地东侧至A区的西北角。该区域的长度为902～1002m，宽度为62～118m，形成的陆地面积约为7.1万m3。

在预计填海区域的基础中，存在两种非常软的土层，即“海洋沉积物”层（M）和“冲积黏土”层（ALC）。这两种土质无法确保整个填土区域的稳定性，因此需要对新海堤周边的区域以及其整个边线的基础进行加固处理，以确保填土的整体稳定性。该区域最高潮位为1.45MSL，最低潮位为-1.69MSL。设计的高水位为1.22MSL，低水位为-1.08MSL。泥面的平均标高为-0.8MSL。

2 "实验设计

在滩涂区的治理工程中，围堰的稳定性是保证工程顺利进行的关键因素。滩涂区的治理工程主要包括以下几个施工步骤：首先，建立临时稳定的围堰；其次，进行临时排水；再次，进行吹填砂，施工三轴搅拌桩；然后，安装排水板和闸板桩；最后，进行高压旋喷桩和冠梁的施工。

2.1 "试验模型建立

本文以澳门半岛北区关闸口岸边检大楼东侧滩涂区治理项目为背景，开展模型试验，以模拟未采用插塑板和表层铺砂技术的地基条件。试验旨在评估地基排水以及强度增长对围堰稳定性的作用。研究中引入了尖端激光位移传感技术，对大型砂袋加固的软基围堰进行了全面变形监测。

本研究通过在围堰表面布置多点位移监测装置，实现对边坡各部位变形沉降的实时监测。将应变片被布置在大砂袋底层和围堰结构变化区域，以记录材料的变形过程，准确地反映软基围堰的变形响应。将微型孔隙压力传感器安置在淤泥质软黏土中，以监测孔隙水压力的动态变化，从而研究地基土孔压变化规律和软土强度增长的内在机制。

通过综合模型试验设计和关键监测指标，制定模型试验的详细布局，共布置了4个孔隙水压传感器、4个位移传感器和8个应变片，以确保对围堰施工过程中各项关键参数的全面监控。同时，在模型箱侧面的有机玻璃上标记多个位移参考点，以便于观察和记录位移情况。模型试验传感器布置见图1。

2.2 " 加载方案

在进行模型试验时，逐步提高加速度至45g。该模型试验采用恒定速率提升加速度，旨在探究围堰堤体及地基变形及其潜在的破坏机制。构建围堰时需考虑填土速率，并在试验末期模拟了地基的失稳破坏情况。

围堰模型的加载曲线如图2所示。由图2中可知，加速度在初始20min内迅速上升至大约40g。然后以较慢的速度增长至45g，并在80min时达到稳定状态。这个曲线反映了试验中加速度的逐步提升，与试验目标一致，即逐步提高加速度至45g。然而，由于设备控制的精确度限制，实际加速度与预定模式有轻微的差异。在围堰构建过程中，考虑填土速率和试验末期地基失稳破坏的模拟，都是为了更好地模拟实际情况并预测潜在的风险。

3 " 相关数据分析

3.1 " 位移变化与影响分析

图3中显示了不同荷载条件（L1、L2、L3、L4）下的围堰位移随加载随时间的变化。从图3可以看出，位移测点L1与L2表现出的沉降现象与离心加速度的增加呈正相关。具体而言，在试验的第98min，L1测点的位移量约为75mm，相当于实际场景中产生3.4m的沉降，而L2测点的位移量约为54mm，两者之间的沉降差值约为21mm。这一沉降趋势的增加可能与土体在填筑间歇期间所经历的压缩和结构重排有关。另一方面，围堰坡脚处的位移测点L3与L4显示出负值，表示该位置发生了隆起。这种隆起现象可能源于围堰整体沉降，导致淤泥质软黏土被挤压至坡脚处。

在沉降和隆起速率方面，沉降速率在试验3～8min最为显著，特别是在第4min达到约10mm/min的沉降速率。这一迅速的沉降发展可能是由于地基土为淤泥质软黏土，在加载启动初期受到影响。而隆起在加载2～7min之间时，发展速率最快，第3min时达到约-8mm/min的最大隆起速率。从内在机理上分析，围堰的沉降和隆起反映了地基土在不同加速度作用下的变形行为。沉降主要是由于土体在垂直压力作用下发生压缩，而隆起则是由于土体在围堰坡脚位置被挤压。尽管在模型试验中未观察到明显的滑坡迹象，但在实际场景中这种变形可能会导致滑坡，因此需要持续监测和分析，以确保结构的稳定性。

分析认为，持续增加的沉降可能是由于以下两个原因：一是在荷载作用下，土体中的孔隙水逐渐排出，导致土体体积减小。二是由于荷载的增加，地基可能会发生侧向扩展。在对数据进行比较分析时，可以观察到一个显著的趋势，即随着荷载的逐级增加（从L1到L4），位移量也相应地增加。这一观察结果揭示了荷载与位移之间存在正相关关系。值得注意的是，即使在没有新的荷载施加的间歇期间，位移仍然呈现出增加的趋势，进一步证实了固结和侧向变形对沉降的贡献。

3.2 " 孔隙水压力的影响分析

围堰的孔隙水压力的变化如图4所示。由于P1点位于围堰中心附近，受到的荷载最大，孔压值显著增加至100kPa。监测点P2和P3的孔压值变化趋势相似，最大孔压值为17kPa。P4点距离围堰中心最远，孔压值增加最小，最大为13kPa。

分析认为，随着围堰填筑，荷载的增加导致靠近围堰中心的土体受压最大，从而在P1点产生最高的孔隙水压力。在土体固结过程中，超孔隙水压力的增加促进了土体固结。随着时间推移，多余的孔隙水被排出，土体逐渐达到稳定状态。每级加载稳定后，各监测点的孔压值基本不变，表明超孔隙水压力已经达到平衡，固结过程基本完成。

P1点的孔压值迅速上升并达到峰值后趋于稳定，这反映了围堰中心附近土体在快速加载后的迅速响应和随后固结。P2点和P3点的孔压值增长较为平缓并趋于稳定，说明这些位置的土体受到的荷载较小，固结速度较慢。P4点孔压值几乎没有变化，表明该位置的土体受到的影响最小。

综上所述，孔隙水压力的变化与围堰中心的距离和荷载大小密切相关。围堰填筑过程中，荷载的增加导致靠近中心土体受压最大，孔隙水压力增加最明显，进而加速了土体固结过程。而远离中心的土体由于受到的荷载较小，孔隙水压力增加也相对较小，固结过程也相应较慢。随着时间推移，各监测点孔压值趋于稳定，表明固结过程接近完成。这一过程是土体力学中非常重要的现象，有助于理解和预测围堰填筑对周围环境的影响。

3.3 " 土工布应变

图5展示了模型中土工布上的应变片S1至S8所记录应变值随时间的变化情况。由图5可知，应变片S1和S4所示的正应变值反映了拉伸现象，指示边坡受到了水平方向的拉力作用，导致其趋向于外移或发生滑动。此类拉力的作用，可能与围堰的施工过程、地下水的动态流动或填充材料的物理特性紧密相关。

进一步分析发现，应变片S5所示的最大负应变值，表明该位置发生了显著的压缩或沉降。这可能是由于该区域土体的高压缩性或受到较大的垂直荷载。此外，应变片S2、S3、S6、S7和S8所示的负应变值，表明这些位置经历了压缩。这可能是由于不均匀的压力分布导致不同程度的压缩。

综合上述观测数据可以推断，如果应变片S1和S4的拉应变值持续增加，则可能预示边坡稳定性的降低，需采取相应的防滑措施。同时，如果应变片S5的压应变值持续增大，则可能需要对围堰中间部位进行加固处理，以防止进一步的沉降现象。

4 " 结束语

本研究针对澳门半岛北区关闸口岸边检大楼东侧滩涂区治理项目为工程实例，开展了模型试验，以模拟未采用插塑板和表层铺砂技术的地基条件，评估了地基排水以及强度增长对围堰稳定性的影响。研究结论如下：

围堰的沉降和隆起反映了地基土在不同加速度作用下的变形行为。沉降主要是由于土体在垂直压力作用下发生压缩，而隆起则是由于土体在围堰坡脚位置被挤压。

孔隙水压力的变化与围堰中心的距离和荷载大小密切相关。围堰填筑过程中，荷载的增加导致靠近中心的土体受压最大，孔隙水压力增加最明显，进而加速了土体的固结过程。

本研究不仅为理解围堰结构的力学行为提供了重要的实验依据，而且对于指导未来围堰的设计与施工，提高其安全性和功能性具有重要的参考价值。

参考文献

[1] 卢萍.长江滩涂砂袋围堰施工[J].黑龙江水利科技，2009，37

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[2] 陈志海.未加固软基采用砂袋围堰工艺探究及应用[J].珠

江水运，2023（18）：22-25.

[3] 陈明，文建鹏.砂袋围堰在水下深基坑工程中的应用[J].土

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[4] 娄中华，拓峰鹏，靳壮壮.软土地基砂袋围堰施工技术及变

形失稳影响因素分析[J].贵州大学学报（自然科学版），2020，

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[5] 黄素清.洛阳水闸加固工程导流围堰方案优化与施工[J].广

西水利水电，2016（3）：48-50.

[6] 周斌.砂袋围堰技术应用浅析[J].江苏水利，2014（4）：17-

18+20.