1、土工充泥袋布的选择
1.1 现场泥沙颗粒级配及其物理特性 试验现场位于钱塘江尖山河湾南岸曹娥江口东侧(图1)。现场土样经颗粒分析，泥沙粒径：d50＝0.03mm，d10＝0.014mm，d60=0.033mm，曲率系数Cc=d230/(d60*d10)=1.25，不均匀系数Cu=d60/d10=2.36，属颗粒较均匀的细粉沙。泥沙起动流速为0.3～0.5m/s，干容重1.12～1.58t/m3，渗透系数1.21×10-4～1.38×10-5cm/s，内摩擦角20°～27°。
1.2 土工充泥袋布的选择
1.2.1 土工充泥袋布的选择
选择充泥袋布的原则是：用泥浆泵进行充填时，袋布应满足抗拉强度、透水保沙性能等方面的要求；由于用量很大，所以又要求所选用的土工布价格低廉。我们根据就近的原则，选用了常州塑料编织总厂和杭州新丰塑料厂生产的土工充泥袋布。其基本特性见表1。室内、外试验结果表明，用泥浆泵充填土工充泥袋时，袋布的抗拉强度应每50mm大于750N。表1所列的土工充泥袋布的抗拉强度基本上能满足这一要求。
| 表1 土工充泥袋布的基本特性 | ||||||||||
| 产地 | 物理特性 | 力学特性 | 水力特性 | |||||||
| 经纬密度(丝/寸) | 单位面积质量/(g/m2) | 厚度/mm | 拉抗强度/(N/mm) | 顶破强度/N | 延伸率(%) | 当量孔径O90/mm | 渗透 系数K/(cm/s) | |||
| 经向 | 纬向 | 经向 | 纬向 | |||||||
| 常州 | 14×16 14×15 | 120 210 | 0.51 0.57 | 15 31.98 | 16 37.46 | 1831 4189 | 26 18.6 | 13 17.8 | 0.29 0.08 | 2.62×10-2 5.9×10-2 |
| 新丰 | 100 | 0.3 | 800 | 25 | 0.1 | 4×10-2 | ||||
| 表2 土工充泥袋漏沙率试验 | |||||
| 编号 | 生产厂家 | 规格 | 单位面积 重量/(g/m2) | 漏沙率η(%) | 备注 |
| 1# 2# 3# 4# 5# 6# | 常州厂 常州厂 常州厂 杭州新丰厂 杭州新丰厂 杭州新丰厂 | 14×16 14×14 12～13 13×13 13×13 14×15 | 120 150 195 200 240 210 | 100.0 53.8 3.8 79.8 100.0 1.40 | 袋体纵轴顺水流方向摆放如图 |
| (1) |
为了进一步探明土工充泥袋漏沙率与流速和冲刷时间之间的关系，用表中1#土工充泥袋试件在水槽内进行了不同流速作用下、持续时间为2h的冲刷试验。其漏沙率与冲刷流速间的关系见图2。从图看出，l#土工充泥袋试件的漏沙率与冲刷流速成正比。当流速为1.0m/s时，漏沙率约10%；当冲刷流速大于1.5m/s时漏沙率快速增大。
1#土工充泥袋试件在水槽内进行保沙试验，试验流速为1.0m/s，其漏沙率与冲刷时间的关系见图3。结果表明，随着冲刷时间的增长，漏沙率也逐渐增大，冲刷3h后漏沙率大约稳定在20%左右。由此可知，1#土工充泥袋适用于流速小于1.0m/s的水域中。试验现场用1#土工充泥袋筑坝，由于袋体外测未经石渣、块石保护，经过四天大潮流速(每潮流速约2.0m/s、持续时间约0.5h）的淘刷作用，袋体内的泥沙几乎漏光。现场试验时，对于流速大于1.0m/s的水域，用泥浆泵充填1#土工充泥袋时，在袋体外侧及时加抛石渣和块石，既防止了水流、风浪对袋体的淘刷，又能有效地防止袋布的老化。
| 图2 1#袋布流速与漏沙率关系曲线 | 图3 1#袋布受流速1.0m/s作用与 冲刷历时关系 |
2、土工充泥袋的稳定性及其尺寸选择
2.1 土工充泥袋布的摩擦系数 用土工充泥袋筑坝，袋体接触面之间的摩擦系数关系到坝体在水流作用下的稳定性。土工充泥袋布的规格不同及其干湿之别，对摩擦系数有一定程度的影响。试验表明，同种土工充泥袋布，干的摩擦系数比湿的大5%～8%。由于湿的土工布有润滑作用，故其摩擦系数较小。至于压强和接触面积对摩擦系数的影响，试验表明，土工充泥袋布的摩擦系数随压强的增大而减小，并趋向某个极限值。这为设计坝体时可不考虑其堆筑高度的影响，而采用某一固定的摩擦系数提供了依据。土工充泥袋布的摩擦系数与接触面积的关系也不明显，这对采用大尺寸的袋体是有利的[1]。综合前人大量的试验结果，土工充泥袋因袋布表面的毛糙和光滑的差别，其摩擦系数一般在0.35～0.50之间变化。
2.2 水流作用下土工充泥袋的稳定性 水流作用下土工充泥袋的稳定性是土工充泥袋筑坝设计和施工的重要依据。根据不同的施工阶段，袋体在水流作用下的稳定性，分为袋体贴在河床上和处在坝体上两种情况。由于我们实际采用的土工充泥袋尺寸一般都较大，所以袋体失稳主要以滑动为主，滚动失稳一般不会发生。文献[2]根据土工充泥袋在水流作用下受力的物理图形(图5)，建立了充泥袋临界滑动失稳流速
| (2) |
| (3) |
由式(2)、(3)看出，坝顶上的土工充泥袋临界失稳流速比坝底床面上的小1/3。主要由于处在坝顶上的土工充泥袋之间紧密程度不如坝底床面上。处在坝顶上的土工充泥袋不仅减小了袋体之间的摩擦力，且水流上举力较大；另外，由于坝体上游坡对水流的导流作用也加大了水流上举力，因而其稳定性较差。
| 由式(2)、(3)可知，增大土工充泥袋失稳流速最有效的办法是加长袋体长度(L)。但试验和实践又表明，长、宽比(L／B′)较大的土工充泥袋(如长管袋)即使袋体顺水流方向摆放，由于袋体迎水面受力不均匀，袋体头部易发生侧向偏转。当土工充泥袋发生侧向偏转时，迎流面积会进一步增大，从而导致袋体快速横向扭转滑动，甚至折断。袋体的长宽比越大，这种失稳越易发生。可见，土工充泥袋的稳定条件还受到袋体长宽比（L／Ｂ′)的限制。也就是说，要增大土工充泥袋临界失稳流速，除加大袋体的长度外，还应同时加大袋体的宽度，使土工充泥袋满足较佳的长宽比(L/B′＝2.1～3.5)[2]。 |
| ||||||||||||
从表3看出，前面4种土工充泥袋（或沙垫）的长宽比 L/B′=1.0～4.3，与较佳长宽比(L/B′＝2.1～3.5）基本一致。可见，我们根据现场试验水深、流急的特点，为增大土工充泥袋的稳定性，改用沙垫代替长管袋是有理论根据的。应当指出，沙垫在围垦工程堵口合拢闭气也广泛采用。
3、土工充泥袋筑坝的断面结构
根据现场试验地点的施工条件，一只土工充泥袋充填高度一般为0.6～0.7m，有的可达到0.8m。为便于对坝体两侧进行抛石保护，土工充泥袋坝两侧边坡应小于1∶1.5，即每堆筑一层土工充泥袋，两侧缩进0.7～0.8m。当土工充泥袋填筑至设计高程时，两侧立即用石渣和块石保护，见图6。石渣、块石保护有两个目的：其一，防止水流、风浪直接侵蚀充泥袋，保护袋体内泥沙；其二，防止土工充泥袋受紫外线照射而引起老化。采用这种大体积的沙垫筑坝，施工过程中必然会遇到坝头过水，实践表明，土工充泥袋能满足稳定要求。从南股槽水文测验得知，大潮垂线平均最大流速约3.0m/s，出现在中潮位时（南股槽平均潮位约3.0m）。当土工充泥袋堆筑到中潮位时，坝体底宽为20.5m，假定河床高程为-3.0m，水深为6.0m，两侧边坡m=1.0，ρs=1.45t/m3，充泥袋高度0.7m，代入式(3)求得土工充泥袋临界稳定流速V＝4.45m/s。由此可知，南股槽整治采用土工充泥袋筑坝，袋体能满足稳定要求。
4、结语
(1)钱塘江河口河床质为粉沙，其中值粒径d50=0.02～0.04mm,非常适宜用泥浆泵充填土工充泥袋施工，由于其具有施工简单、速度快、能就地取材及造价低等优点，现已推广应用，是20世纪90年代钱塘江河口治江围涂技术重大创新，应继续开展研究和推广应用。
(2)用土工充泥袋代替石方抛坝促淤比较适宜于中、低滩面上施工。深水施工时，袋体定位较困难，且流速不能太大。我们在流速3.0m/s，相应持续时间约0.5h的南股槽整治工程施工中，采用土工充泥袋仍满足稳定要求。
(3)用泥浆泵充填土工充泥袋筑坝，要求袋布有一定的透水性，又要求有较好的保沙性，这两者是相互矛盾的。钱塘江河口床沙为细粉沙，在渗透力作用下选用的土工充泥袋一般能满足保沙要求。土工充泥袋在流速大于1.5m/s的水中虽然漏沙严重，但如果在其两侧及时用石渣、块石保护，则仍能使用。对于粘性较大，颗粒较细(d50＜0.02mm)的泥沙，由于所用袋布的孔径较小，排水较慢，漏沙多，固结后充满度小，既影响施工效率，又不经济，一般不宜采用。
(4)根据钱塘江河口试验现场水深流急的特点，为提高水流作用下土工充泥袋的稳定性，研制出大体积的土工充泥袋或称“沙垫”，其长宽比应满足最佳值(即L/B′＝2.1～3.5)。大体积的沙垫不但可用于水深流速较大的水域，而且也广泛应用于丁坝坝头的保护和围涂工程的堵口闭气以及围堰工程。
(5)20世纪90年代，在钱塘江尖山河湾南股槽整治中用泥浆泵水下充填土工充泥袋，不仅可加快工程进度，而且节省投资20%～25%，取得了明显的经济效益，现已普遍推广应用，是钱塘江治江围涂技术的重大进展
