隨著土工合成材料在鐵道、水利、交通、市政、海岸防護和隧道等工程領域中的廣泛應用，江蘇省交通水運工程中也較早地應用了它，1985年，我院首先在通沙汽渡板樁碼頭工程中應用了土工織物，為防止汽渡船的螺旋槳動力產(chǎn)生的水流往復沖刷作用所產(chǎn)生板樁前后砂石?填料逐漸被淘空，防止碼頭面層下沉與空洞，在板樁前后鋪設大面積無紡透水土工布，并包裹塊石或在其上拋以塊石，12年來碼頭使用一直工作正常，取得了滿意的效果(該工程曾先后分別被交通部評為部三等和江蘇省二等優(yōu)秀設計獎)。在船閘和航道工程中，無紡土工布和土工網(wǎng)的應用就更加廣泛，它主要起反濾、加固地基、排水和護坡的綜合效應。至于土工網(wǎng)，?則主要應用于軟土地基加固處理，土工織物與塑料排水板的聯(lián)合應用在碼頭工程中也是用作?地基處理和起保護護坡的作用。土工合成材料在碼頭、航道、船閘等水運工程中的實際應用?，尤其是近年來蘇南運河整治工程的應用，充分體現(xiàn)其良好的經(jīng)濟效益和使用價值。
    1 港口工程
    1.1 江都港堆場軟土加固工程(土工網(wǎng)的應用)
    江都港為長江的綜合性港口，它位于長江下游揚中河段北岸的夾江河灘上，近期建設包括一個5000t級件雜貨泊貨和兩個500t級中轉(zhuǎn)內(nèi)河泊位碼頭。
    江都港后方堆場是布置在沿江大堤處寬闊的沖積平原上，陸域總面積為4.56萬m2，其地表為全新松散的河流沉積物，上層為河漫灘相，下層為河床相，沿江相對高程在3.0m左右( 黃海高程，以下同)，其中分布有較多的魚塘和水溝。根據(jù)洪水位情況，確定陸域高程為6.0 m。吹填高程為5.5m 。吹填料是采用泥漿泵把沿碼頭位置處江面下的粉細砂(土層顆粒多為0.08～0.25mm之間，并夾少量淤泥質(zhì)粘土)吹填而成，該土呈灰黃色松散飽和狀態(tài) ，屬于高壓縮性易液化土體。
    為了節(jié)省工程的投資，經(jīng)比較論證，選用施工方便和快速的CE131土工網(wǎng)對粉細砂軟基進行處理，該土工網(wǎng)是以熱塑性樹脂為原料，采用高溫擠出拉伸工藝精制而成。CE131的物理力學指標見表1。
    土工網(wǎng)加固地基的機理是，通過在地基表層鋪設具有一定剛度和抗拉強度，并能適應地基變形的土工網(wǎng)，再在土工網(wǎng)上鋪設一定厚度的山皮石，使土工網(wǎng)與地基結合在一起，利用其抗 拉性能起到支承荷載和擴散的作用，增加了地基的抗剪強度，以此防止了軟弱地基產(chǎn)生過大。
    考慮到投資的可能性，碼頭堆場地基近期要求承載力在120～150kPa左右，所以僅采用一層土工網(wǎng)，直接鋪設在吹填粉細砂上(每塊網(wǎng)之間用20cm的搭接長度)，網(wǎng)上鋪填15～20c m的山皮道渣(含碎石量約為60%，含土量為40%左右)，然后用重型機械反復碾壓達到密實。 為確保壓實效果，同時要對該土層進行排水，降低地下水位，以防止飽和細砂產(chǎn)生液化現(xiàn)象 ，施工期的壓實沉降量為10cm左右。
    建成的堆場不僅能滿足設計荷載要求，而且經(jīng)過10～15t裝載汽車使用的考驗，得到使用單位的好評?？紤]今后堆場上部荷載較大，如集裝箱碼頭以及道路工程需要，可在上述軟基加固的方案上，增設一層CE131土工網(wǎng)以及厚15cm的山皮石或道渣石，通過多次重碾壓實，從 局部試驗資料表明，承載力可提高一倍。
    1.2 鎮(zhèn)江大港木材碼頭護岸軟基加固(塑料排水板與土工布的聯(lián)合應用)
    該工程是一座江蘇省物資公司木材水陸運輸中轉(zhuǎn)碼頭，它包括前沿建設2000t級船 舶的裝卸碼頭與后方陸庫堆場，堆場總面積有5000m2，均是利用回填長江堤外漫灘的 水域場地。因庫場受下游馬鞍磯回流區(qū)的水流影響，漫灘的最大軟土厚度有10m之深，該土 層物理力學性質(zhì)指標較差，含水量40%～50%，空隙比與液性指數(shù)均>1，屬于偏高壓縮性軟 粘土，土質(zhì)透水性差，承載力較低，為保證陸庫與長江江堤邊坡的穩(wěn)定，確保已施工高樁
    碼頭樁基與引橋的安全，設計中首先 在1期圍堰施工前，先在灘面鋪設50cm厚的砂墊層，然后各墊上600g/m2維滌綸各50% 的針刺無紡土工布，最后填土筑堤;在I期圍堰合攏后， 在堰內(nèi)抽干積水，沿碼頭深度方向采用長度10m的塑料帶排水(見圖2)。根據(jù)經(jīng)費的可能以 及本著加固大堤的目的，故采用三種間距(30、45、56m)進行布置。
    這種軟土地基處理方案，主要是通過土堤的自重進行預壓，利用塑料板良好的垂直透水功能，降低淤積土的空隙水量，加速地基固結，提高土層的物理力學性能，防止江堤下部地基上抬的趨勢，增加了地基的承載力與抗剪能力;堤下土工布與砂墊層的作用是起橫向排水通道的作用，加快了土體的固結;由于塑料排水帶尚具有足夠的濕潤抗拉強度和抗彎能力，對減少因回填土引起整體土基的側向變位、控制土體變形和對已施工碼頭樁基的安全是十分有利 的。在圍堰外坡面內(nèi)設置的土工布墊層(采用400g/m2針刺無紡布)，其作用起排水保 土反濾固坡和抵御波浪雙向水流對堤坡的沖刷作用，從而保證了坡面的穩(wěn)定(坡面上部壓坡 采用邊長50×50cm、厚15cm的20#混凝土預制板)。
    為了保證按平面問題手算與平面有限元分析的結果，沿碼頭順岸布置三個斷面對空隙水壓力 、沉降(深層與地表)、水平位移(包括樁的傾斜)以及整體穩(wěn)定性進行觀察，從監(jiān)測的歷時沉 降、位移曲線表明，總體沉降基本穩(wěn)定在45～60cm;水平位移在±10～20cm范圍，并隨 時間(兩個多月)位移逐步穩(wěn)定;基底土工布的最大拉力為7kN/m;這些數(shù)值與理論計算 值誤差在10%范圍之內(nèi)，較為接近，按條分法計算土坡穩(wěn)定的系數(shù)為1.06。經(jīng)過1991年特大 洪峰對岸坡沖擊的影響，碼頭整體保持穩(wěn)定，坡面保持基本良好，受到用戶高度贊賞。
    2 航道工程
    2.1 蘇南運河無錫西段護坡工程(化纖模袋布的應用)
    根據(jù)蘇南運河總體設計的原則，以四級航道標準進行設計，并考慮三級標準規(guī)劃，可通航千噸級船舶;在沿線集鎮(zhèn)段整治采用半直立式駁岸結構形式，而在農(nóng)村段航道為斜坡式護坡， 為防止水土流失和經(jīng)受船行波的作用，沿線坡面一般采用了無紡土工布上覆混凝土(7～9c m厚的現(xiàn)澆或預制塊混凝土)的護坡結構形式。在施工階段，經(jīng)建設單位向設計人員反映，本航段比較寬闊，如采用常規(guī)的混凝土護坡方案，則要先修筑圍堰后施工，為減少修筑圍堰 對船舶安全航行的影響，提出不筑圍堰而在坡面上進行水下澆筑混凝土的模袋(法布)護坡 方案，后經(jīng)設計調(diào)查研究，根據(jù)該段地形及土質(zhì)情況，同意采用法布水下混凝土護坡結構。
    無錫西段堤頂高程一般在5.2～5.7m，土質(zhì)情況是：除地表0.5m為耕植壤土外，下部至河 床底均為黃灰色或灰黃色粘土或亞粘土，其主要物理力學指標值均為上限。經(jīng)邊坡整體穩(wěn)定 (條分法)計算，可采用水下1∶2、水上1∶1的施工坡比進行開挖。混凝土澆筑(包括水下部 分)利用機織土工模袋作為柔性模板進行施工，該模袋采用高強化纖長絲機織而成，柔性機 織模袋能適應工程地形條件，并能保證混凝土由下而上填充成形，適應水上水下施工，不需 修筑圍堰。在充填料未達到設計強度時，模袋面層能對水流與風(波)浪變化起到過渡性的保 護作用。
    土工模袋的施工注意點：(1)關于土工模袋的縱向分段接頭以及頂部壓頂與基腳處理的方案。由于運河中水的流速較小，該段土質(zhì)較好，且高度不大，分段模袋采用搭接方法，下 壓0.4m寬的土工布;在基腳處進行水下清槽、挖溝深埋和固定壓腳;頂部端頭為防止雨淋 水滲或其它可能產(chǎn)生的機械性位移，必須采取壓頂(≥0.5m)措施。(2)護坡泄水孔設置于坡 面3.6m高程處，其施工是與模袋的高壓噴灌混凝土同步進行，塑料管內(nèi)填塞化纖透水材料 。模袋內(nèi)采用泵車自下而上從灌口噴送灌15#小石子(瓜子片)混凝土(坍落度15～20cm )。
    土工模具有占地少、開挖土方量少的特點，對于經(jīng)受船舶沖撞而言，它比斜坡式混凝土鋪板(或灌砌)護坡的抗損能力強，可減少修筑圍堰的費用，且有利于施工期通航，以整體造價來 說，比漿砌塊石墻造價要省10%～15%。
    2.2 吳江市三里橋駁岸軟基處理(土工網(wǎng)格與有紡土工布應用)
    蘇南運河流經(jīng)蘇州吳江市進入浙江省，該段航道地貌屬長江下游平原水網(wǎng)地區(qū)，地質(zhì)屬新構造運動沉降區(qū)，第四系沉積較厚，其淺部以湖～沼相沉積為主，故淤泥質(zhì)粘土相當發(fā)育，厚 度大，埋藏淺。吳江三里橋軟土段，土質(zhì)表層為0.5m左右的耕植土，其下為灰黃色的亞粘 土土層，層厚2.0～3.5m;中等壓縮性灰黃色亞粘土的下部為灰色淤泥含量大腐植物，局部 并夾有泥炭層帶粉細砂，含水量較高，高壓縮呈流塑狀態(tài)。土質(zhì)甚差，允許承載力僅為30～ 50kPa。
    三里橋集鎮(zhèn)段采用了半直立式駁岸結構方案，由于地處平原水網(wǎng)地區(qū)，水位變幅很小， 駁岸的建筑高度僅為3.4m，但地基受力仍超過允許承載力，要求選擇既經(jīng)濟又方便的施工 方案，設計中考慮一方面加強開挖基礎的排水設施，另一方面按軟土深度和物理力學指標的差異 ，采用不同的地基處理方案(包括不同長度的木樁加固地基的方案)，這里僅介紹試驗段運用 土工材料的加固方案，對于基礎以下有2～3m厚度的軟土地基(W0≤50%;Ip=0.95～1.20)采用一層CE131木工網(wǎng)格或LDHF-1防滑有紡布方案，厚度較大，物理力學指標較低的軟 土地基段基礎，采用2層土工網(wǎng)格方案，上述兩方案使用固結快剪指標進行整體圓弧 滑動計算，其抗滑安全系數(shù)為1.02。
    由于抗滑安全系數(shù)較低，實施中必須控制施工速度，對墻身砌筑與回填土進行分層逐級加載(60d完成壓頂混凝土澆注和墻后回填土)，并對底板進行墻身沉降、變形觀測，以控制施 工速度和檢驗設計成果。
    該方案的特點是通過逐級加載壓實，不斷加速基礎下土體的排水，提高其固結度，防止施工期基礎的破損，同時通過土工聚合材料具有較好的擴散(受拉)性能，提高了基礎的承載力。
    兩試驗段(各30m長)施工后，檢查底板頂面沉降的最大值為45mm(兩層土工網(wǎng))，在墻身竣工后15d沉降基本穩(wěn)定，沉降值為3～5mm，沉降速率接近于零，檢查墻身未見側向位移，使用一年后也未見墻身發(fā)生變形(墻前的水下方按設計要求挖除)，說明處理方案是成功的。該方案的造價比采用碎石樁或粉噴樁加固地基節(jié)省10%以上，而且施工方便。
    2.3 鎮(zhèn)江丹陽陵口航道(無紡土工布)
    在蘇南運河丹陽陵口航道的“難工河段”整治中，設計人員針對該段航道地質(zhì)以極細砂為主，且夾有亞粘土、泥炭、淤泥和雜填土等多種土質(zhì)互層的第四層系全新統(tǒng)(Q4)現(xiàn)代沉積 層 的情況，針對粉砂土，選取了在臨河邊采用輕型井點排水以降低地下水的施工方法，設計采 用400g/m2規(guī)格的土工布，其厚度3.5m，斷裂強度(N)/5cm ≥600N，伸長率≥80%，梯形 撕裂強度(N)≥400N，圓珠頂破強度(N)≥900N，O95≤0.1mm，滲透系數(shù)≥5×10-2，土工布的空隙率為90%，經(jīng)過施工，應用土工布比傳統(tǒng)的砂石濾層單位造 價節(jié)省15%～20%，本工程共耗用土工布76.7萬m2，合計節(jié)約投資約70萬元，現(xiàn)已交付使用 6～7年，不僅經(jīng)濟效益顯著，而且工程質(zhì)量也優(yōu)良，是我國內(nèi)河航道使用土工織物最多的航 段之一。
    與傳統(tǒng)的砂石濾層相比，土工織物除了“透水”、“保砂”的作用外，還具有“固坡”的特點，即土工織物將土質(zhì)坡面捆成一個整體，防止護坡坍塌，起到比較重要的作用。
    3 船閘工程
無論在船閘的引航道護坡工程還是在其閘墻后的排水設施中，土工織物都是主要起反濾和排水作用，土工織物的反濾作用不是直接依靠它自身的多孔結構，實際上，當單向水流流過時 ，土體內(nèi)部分的極細土顆粒仍然會流失，其水質(zhì)渾濁，但經(jīng)過一段時間后，水質(zhì)逐漸變清晰 ，鄰近未流失的較粗土粒自行架空，形成了“天然的級配濾層”，說明此被保護土體內(nèi)的細 顆粒不再流失，達到平衡狀態(tài)，土工織物起到了濾層的作用;對于波動水流(往復水流)沖擊 護面的情況，波峰及波谷的壓力絕然相反，不論產(chǎn)生何種壓力，土工織物都得具有一定的厚 度作濾層，才能保護住土坡或在波動壓力下不致發(fā)生土體變形。
    土工織物的濾層標準應為：
Oed85<1(保砂性要求)
Oed15>1或KgKs>100(透水性要求)
式中：Oe--土工織物的有效孔眼尺寸;
d15、d85--土的粒徑、小于該粒徑的土的質(zhì)量分 別占土總質(zhì)量的15%和85%;
Kg、Ks--分別為土工織物和土的滲透系數(shù)。
土工織物倘若還需承擔排水作用(除反濾作用外)，則還需檢驗織物的透水能力。即先按適當方式估算所需的排水量，由此計算要求土的透水率ψr，將它與土工織物的透水率ψa作比 較，只有當ψa>ψr，織物才是適用的。
    用作濾層及排水的土工織物，雖不要求承擔建筑物等外加荷載，但應能安全經(jīng)受住施工等應力，美國AASHO-AGC-ARTBA曾提出有關土工織物強度的要求。
    3.1 京杭運河邵伯復線船閘工程(無紡土工布的應用)
    該閘閘室墻為輕型扶壁式結構。在閘室墻的分段接頭處，墻的總厚度僅為60cm，當布置銅片止水裝置后，兩側的凈厚度均<20cm，由于紫銅片止水槽的活動端采用現(xiàn)場澆灌瀝青， 而瀝青又受溫度的影響，往往發(fā)生不密的現(xiàn)象，致使墻后水土由槽內(nèi)流入墻前，按以往的設 計只能加大接頭的厚度，這次由于在墻后的迎土面上加鋪了60cm寬(兩側墻各30cm)的400g/ m2的無紡土工布，即起到了濾層作用，也消除了水土流失。
    3.2 南通九圩港船閘及劉山復線船閘工程
    南通九圩港船閘閘室墻后的排水暗管是為了降低墻后的地下水位，確保墻體在完建期和檢修期安全的重要措施。為適應墻后回填土的變形，船閘閘室墻后的軟體排水結構采用了50的PVC聚氯乙烯雙螺紋透水管外包一層400g/m2規(guī)格的無紡土工布作為支管集水，而在500×400的排水棱體中應用了500g/m2規(guī)格的無紡土工布做包體，中間設3根50透水管作為集水 的經(jīng)理，螺紋管與排水棱體的連接段使用了一種手工制作的土工布套，為的是防止排水棱體 外的土顆粒穿過螺紋管與土工布之間的空隙而帶入排水體中，造成排水設施失效，土工布套與土工布濾層密貼，提高了滲水保砂的效果，土工布搭接的長度為300mm。
    南通九圩港船閘中應用土工布的包層達1380m2。由于排水體能適應新填土的變形，使用可靠安全。
    劉山復線船閘閘室墻后設置的軟式排水管中使用的聚氯乙烯(PVC)，這種第三代軟式加勁透 水管的應用，可以達到強化透水的效果，加強管體結構，增強過濾功能，使各種細 石、粘土、細砂土、有機物質(zhì)皆能過濾，讓吸水、透水、排水一氣呵成，達到排放潔水的目 的，同時該管施工簡便，接頭處理安全可靠，受到施工與使用單位的好評并能適應填土的不均勻沉降。
    按照水力學計算，支管的內(nèi)徑為5cm，橫向間距為10cm，經(jīng)理為15cm，該管由于采用高強小彈簧硬鋼絲作為主骨架，且鋼絲外包裹PVC(聚氯乙烯)作保護，不僅能承受高強壓力，埋土可較深，能適應回填土產(chǎn)生較大的不均勻沉降，且不受地下水浸蝕與銹蝕的影響， 另外管襯上的各種不同功能的濾布及加強合成纖維，過濾及透水效果顯著。
    3.3 高良澗復線船閘工程
    高良澗復線船閘的上游面臨洪澤湖，風浪大的幾率很高。為此，上游設置了500m長的防浪堤，在防浪堤的護坡下設有土工織物墊層，其上現(xiàn)澆20#的混凝土，土工織物采用400g/m2規(guī)格。 防浪堤的混凝土護面下的土工織物拼縫的搭接長度不小于10cm，堤頭部分的拼縫搭接長度 不小于100cm，其余部分的拼縫搭接長度不小于50cm，每次縫合時必縫合兩道。連同上 下游引航道護坡的土工織物用量在內(nèi)，全閘用量達12.6萬m2，高良澗復線船閘上下游引 航道護坡中鋪設土工布的情況。
    根據(jù)美國陸軍兵團1977年的標準，防止管涌及堵塞的標準為：
    防止管涌：EOS≤D85 b(適用于小于0.074mm顆粒含量<50%);防止堵塞：EOS<0.149mm。
    EOS為等效孔徑，其值相當于O95或O98。
    如在船閘工程的防浪堤及引航道中，因為土工織物均鋪設于迎水面，應使用混凝土或塊石覆蓋，以便吸收風浪的能量，避免由于周期波浪壓力的抽吸作用，使土工織物下方的塊石及土 粒產(chǎn)生土粒移動，以致土工織物失去作用。
    由于目前土工材料種類繁多，且新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，使用范圍日益廣泛，作者在實踐中體會到，在使用各種土工材料時，一方面要吃準土工材料的技術指標與功能范圍，另一方面要重視 應用條件，為此，在材料到達工地時，要進行必要的抽樣檢驗，確認土工材料的各項技術性 能是否符合要求，以避免出現(xiàn)工程質(zhì)量事故和不必要的經(jīng)濟損失;在條件許可的地方，進行 一些工程中土工材料的實測，以便積累經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為今后經(jīng)濟合理地應用土工合成材料創(chuàng)造 有利的條件。