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土工合成材料在水运工程中的应用

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：何梅

[导读] 摘要：目前，土工合成材料以其特有的施工和性能等方面的优势，在我国已经得到了日益广泛的应用。

        云南省公路科学技术学院云南昆明 650000
        摘要：目前，土工合成材料以其特有的施工和性能等方面的优势，在我国已经得到了日益广泛的应用。土工合成材料在水运工程中的应用，不仅保证了工程质量和施工进度，还节约了工程造价。近年来，土工合成材料被广泛应用于内河航道整治的工程建设中。文章针对土工合成材料的类型和作用，结合其在水运工程中的应用开展分析。
        关键词：土工合成材料；水运工程；材料运用
        引言：
        上世纪中叶，非织造型无纺织物（无纺布）在欧洲出现并大大促进了土工合成材料的应用和发展，它一出世便得到世界各国的欢迎，发展速度令人惊讶。由于新型材料的不断发展和改进，同时也为了满足工程建设的需要，相继又出现了土工格栅和土工模袋等材料，他们的出现促进了土工合成材料进一步发展。本文就水运工程运用土工合成材料展开探究。
        1土工合成材料的作用
        土工合成材料是根据石化工程和纺织工程演变而来的交叉学科产品，它以天然或人工合成聚合物（塑料、化纤、合成橡胶等）为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加固或保护土体等作用。不同的土工合成材料，其作用各不相同，即使在同一建设工程当中，土工合成材料也能够发挥多种作用，综合起来，土工合成材料的主要作用体现在反滤、加筋、排水、防护、隔离、防渗等方面。
        2土工合成材料的类型
        目前，我国行业标准-《水运工程土工合成材料应用技术规范》（JBJ239-2005）将土工合成材料分为四大类：土工织物、土工膜、土工复合材料和特种土工合成材料四种类型。土工织物的制造过程是首先把聚合物原料加工成丝、短纤维、纱或条带，然后再制成平面结构的土工织物。土工织物按制造方法可分为有纺（织造）土工织物和无纺（非织造）土工织物。土工膜一般可分为沥青和聚合物（合成高聚物）两大类。含沥青的土工膜目前主要为复合型的（含编织型或无纺型的土工织物），沥青作为浸润粘结剂。聚合物土工膜又根据不同的主材料分为塑性土工膜、弹性土工膜和组合型土工膜。土工复合材料是由两种或两种以上土工合成材料复合而成的土工材料。特种土工合成材料是经过特殊工艺制成的具有特殊用途的土工合成材料，包括土工模袋、土工格栅、土工带和土工网等材料。
        3土工合成材料在水运工程中的应用
        3.1在防冲刷领域的应用
        3.1.1护底软体排结构稳定性及余排宽度计算
        通过土工织物与压载块体两类材料的结合，可形成护底软体排，其在保砂、透水等方面都具有优良的效果，可提升与河床变形的协调性，改善守护区遭严重冲刷的问题。通过对水运工程的实例分析，得知：1）压载块稳定性易受到多方面因素影响，以波高和周期最为明显。在波流共同作用下，出现压载块卷边失稳现象，伴随波高的不断加大，这一现象将更为明显[1]。2）根据软土排压载体力学平衡原理，综合考虑压载体位置、波流等方面的因素，在此基础上依据公式可确定软体排临界失稳底流速。3）根据余排的功能，以维持主体建筑稳定为基本目标，提出一套计算方法，将其用于余排宽度分析工作中。
        3.1.2新型软体排土工布材料的开发及应用
        在常规方式下，连锁块软体排土工布主要由三类材料构成，即机织布、无纺布以及适量的加筋带。从当前发展环境来看，人工、原材料等领域的成本明显提升，为提升水运工程的经济效益，行业内出现了一种新型材料，即NRG护垫。NRG护垫的应用具备如下效果：1）施工便捷，可解决常规方式下材料铺设层数多的问题，投入成本得到控制，施工效率提升；2）具有较强的稳定性，其在出厂时便是有机整体，因此省去了二次加工作业，即便在恶劣的水下工况中也具有适用性。

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        3.1.3新型主动式钩连体的应用
        我国水利系统的发展是一个技术持续更新的过程，行业发展初期，冲刷岸边区域处理工作中选择的是四面六边透水框架，以混凝土为原材料经浇筑而得。其局限之处在于框架稳定性不足，各类连接杆件在水体冲蚀等影响下出现开裂现象，严重时结构将完全损坏。后续发展中，主动式钩连体取得广泛应用，作为典型的消能护滩结构，可改善结构的工作方式，有机聚合物成为重要的材料。结合研究资料与大量工程实例得知，该构件在如下场景中具有较好的防冲、疏淤效果：1）波高在2m内并且满足流速＜1.7m/s的区域；2）总体地势较为平坦，水深＜10m的区域；3）水上桥墩防冲刷区域。并且，该构件的技术水平在不断提升，因此后续的应用范围将更加广泛。基于构件的优化工作，基本原则在于不增加成本投入，通过提升构件质量的方式达到增强稳定性的效果，将其应用于更大水深的施工环境中。从未来发展方向来看，构件应在经济性与稳定性两个方面得到提升，是重点优化领域[2]。同时，除了构件的自身应用外，与之相配套的施工质量检验方法也要不断完善。
        3.2在生态护滩与护岸方面的应用
        （1）滩体或岸边的初始自然状况良好，为高滩植物生长区；（2）高滩或岸边的总体条件欠佳，受到了持续性冲刷的影响，出现泥土流失等问题，但低水位处依然能够露滩的区域。针对此处所提到的2种区域，若引入常规方式下的硬化覆盖方案，将直接损伤原生态系统，且实际守护效果欠佳[3]。当前，水运工程领域也正不断探索新的方法，以期通过科学的手段做好护滩、护岸，并实现对环境的有效保护。
        3.3在袋装砂堤心斜坡堤方面的应用
        （1）袋装砂的顶高程要得到合理的控制，需避开波压力最大处；部分区域易受到潮汐的影响，调整砂袋顶面位置，将其设置在低水位周边，目的在于最大程度上缓解顶层砂袋所承受的波浪力。（2）施工中，要注重对结构稳定性的分析。在设置袋装砂堤心坡堤时，可以灵活的调整内外坡面设计方式，如选择消浪块体与钩连块体，其具备抗浪能力强、施工成本低的特点，其与袋装砂之间不可直接接触，需要增设抛石垫层。钩连块体下方的优化尤为关键，通过在该处设置垫层块石的方式，可实现对砂袋的有效防护，并且解决砂袋间平整性不足的问题，而增设的无纺布则具备抗老化能力，避免整体结构破损现象。（3）部分情况下，袋内充砂易析出，由于砂袋端面更容易受到波浪力的作用，因此该处更容易出现内部砂析出问题。对此，需采取防护措施，如增添编织布。（4）以堤轴线方向为准，在顶层砂袋内增设适量的隔仓，此举可起到提升袋内充砂稳定性的效果，抵御动水作用带来的不良影响[4]。（5）由于现场波浪作用明显，在袋布孔径变化的情况下更容易析出砂体，此时可改进丙纶编织布工艺，要求该材料的延伸率稳定在25%以内。实践表明，针对沙源丰富的施工区域，工程中引入袋装砂堤心结构后可起到减少成本投入、提升结构稳定性的效果，并为大型专用船的正常运行提供了良好条件。当前，水运工程主要朝着深水区发展，在此环境下袋装砂堤心结构的优势得以彰显，是一种较为合适的处理技术。
        结束语：
        基于土工合成材料的特性，将其应用于水运工程中具有抗渗、反滤等多重效果，其在水运工程中的应用较为广泛。在未来发展中，还需加强对该材料的研究，可从成本、稳定性等角度入手，扩展土工合成材料的应用空间，为水运工程事业提供技术支持。
        参考文献：
        [1]詹娜丹.探析土工合成材料在水运工程中的应用技术[J].四川水泥,2019(10):132.
        [2]潘锋.土工合成材料在水运工程中的应用技术进展[J].工程技术研究,2019,4(10):116-117.
        [3]陈园婧.土工合成材料在水运工程中的应用技术进展[J].四川水泥,2019(03):136.
        [4]吴澎,姜俊杰,曹凤帅.土工合成材料在水运工程中的应用技术进展[J].水运工程,2017(06):16-22.