土工合成材料在防洪工程抢险中的应用
土工合成材料作为一种新材料，以其特有的特点逐渐被运用在防洪工程抢险中。土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它以人工合成的聚合物制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。具有抗冲、耐磨、耐腐蚀和重量轻等特点。在防洪工程抢险中主要利用土工合成材料的排水反滤和防渗功能，起到排水、反滤和防渗的作用，常用于堤岸、涵闸及堵口等险情抢护，可及时排除险情。在防洪工程抢险使用中有整体性强、抢险速度快、适应性强、储运方便、造价低、经久耐用、可重复利用等特点。
关键词：土工合成材料 防洪工程 抢险 应用研究
一、土工合成材料
1、土工合成材料特点
土工合成材料作为一种新材料，以其特有的特点逐渐被运用在防洪工程抢险中。组成土工合成材料的主要原材料有聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、高密度聚乙烯和聚氯乙烯等。土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它以人工合成的聚合物制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。土工合成材料可分为土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料等四大类型。土工合成材料不仅具有较高的强度。而且具有抗冲、耐磨、耐腐蚀和重量轻等特点。在防洪工程抢险使用中有整体性强、抢险速度快、适应性强、储运方便、造价低、经久耐用、可重复利用等特点。
2、土工织物功能和作用
土工合成材料中的土工织物具有较高的强度，单位质量轻、透水性强、防腐及耐磨性好的特点，同时它还具有以下几方面的功能和作用：排水功能：土工织物能截断与汇集土体中的渗水，并能将渗水沿垂直织物平面或平行织物平面排出土体。反滤功能：由于土工织物构造上的水力学特性，在它排出渗水的同时，能拦阻土体颗粒不被带出。隔离作用：土工织物能把不同性质或不同级配的土石料隔开，以免互相掺杂，从而可以保证施工质量。对土体的加筋作用：土工织物有较高的抗拉强度，在土体中可以约束土体的应变，提高土体的综合变形模量，减小土体变形，改善土体的受力状况。
3、土工合成材料应用现状
土工合成材料70年代末引入我国，应用于岩土工程是近50年来发展起来的一门新技术。1991年开始，国家防汛抗旱总指挥部将土工合成材料作为防汛抢险物料下达生产储备任务，各流域都分别储存了编织袋、复合布、土工织物、防浪布（即编织布覆膜）等。防洪工程抢险所用材料要求重量轻、便于运输、不易腐烂，施工简单、快捷、见效快，而土工合成材料所具有的特点正好能满足防汛抢险的要求。据统计1998年防汛抢险中使用的土工合成材料总量达到1亿多平方米。实践证明，土工合成材料应用于防汛抢险有着其他材料不可替代的优点。此外，土工织物施工工艺简单，易保证工程质量，施工速度快，工程造价低。因此对于防洪工程抢险这种时间性非常紧迫的工程，土工织物将成为一种十分理想的新材料。
二、防洪工程抢险传统材料
防洪工程安全渡汛主要采取两个层次的措施：第一是防护，就是避免险情发生；第二是抢险，即一旦险情出现，要迅速采取有效措施消除险情。防洪工程抢险最常用的传统材料主要为土料、砂料、石料以及草袋、麻包等，它们作为抢险用材已历史悠久，效果良好，仍然是当前防洪、抢险的主要材料。这些材料虽然有来源广、数量多能就地取材等许多优点，但存在重量重、体积大、运输困难、施工劳动强度大、施工速度慢、工程质量不易保证等不足。
三、土工合成材料在防洪工程抢险中的应用
在汛期中如何针对不同的险情应用土工合成材料进行抢险防护是一个急需解决的问题。我国在利用天然纤维材料（秸料）进行护堤、抢险、堵口等已有很久的历史，但利用土工合成材料来抗洪抢险还是一项新技术。在防洪工程抢险中主要利用土工合成材料的排水反滤和防渗功能，起到排水、反滤和防渗的作用，常用于堤岸、涵闸及堵口等险情抢护，可及时排除险情。
防洪堤坝是防御洪水的主要屏障，是战胜洪水的物质基础。汛期江河水位高涨，常居高不下，洪水偎堤时在水流的作用下会遭到破坏，对于堤坝某些堤段薄弱环节或隐患，遇水后易出现险情。防洪工程的主要险情有洪水漫顶（漫溢）、背河坡出现大面积散浸（渗水）、翻沙鼓水及成片泡泉（管涌）、堤坝内出现贯通水流通道及裂缝（漏洞）、堤坡出现趾部隆起外移（滑坡）、堤坝迎水坡发生大面积塌落（坍塌）、风浪等。防洪工程险情抢护应根据不同的险情类别、出险原因情制定抢护方案，土工合成材料在防洪工程险情抢护中的应用也应根据险情类别、出险原因及抢护方案等选择不同类型。
（一）洪水漫顶（漫溢）险情抢护
当遭遇超标准洪水，为防止漫溢溃决，应迅速进行加高抢护。采用纺织袋修筑子堤，修筑子堤的编织袋，一般宽为0.5-0.6m，长0.9-1m，袋内装土重量为40kg-60kg，以利于人工搬运。当遇雨天道路泥泞又缺乏土料时，可采用编织袋装土修筑编织袋土子堤，编织袋间用土填实，防止涌水。子堤位置在临河一侧，顶宽1.5m-2m，边坡可以陡一些。如流速较大或风浪大时，可用聚丙烯编织布或无纺布制成软体排，在软体下端缝制直经30cm-50cm的管状袋。在抢护时将排体展开在临河堤肩，管状袋装满土后，将两侧袋口缝合，滚排成捆，排体上端压在子堤顶部或打桩挂排，用人力一齐推滚排体下沉，直至风浪波谷下，并可随着洪水位升降变幅进行调整。使堤坡防风浪淘刷和堤顶防漫溢软体排构成一个整体，收到更好的效果（图1）。
图1编织袋土子堤示意图
（二）大面积散浸（渗水）险情抢护
汛期高水位历时较长时，在渗压作用下，有些土堤、坝构筑土料杂乱或施工质量差，挡水以后，随洪水位升高，水压增大，浸润线相应抬高，其渗漏也随之出现，最后水流从背水坡渗出。若渗流量过大，出现浑水，背水坡松软，有滑坡，塌陷等险情时，宜用土工织物反滤排水，以稳定坝身。土工织物用于土坝散浸排水方法有两种，一是用土工织物作贴坡排水，二是堤坡开挖导渗沟，沟内放土工织物，上面填塞小石子。
1、贴坡排水法
使用土工织物作贴坡排水，一般应考虑以下因素：土工织物的物理特性（开孔大小和分布、厚度、压缩性）；被保护土体的物理力学特性（颗粒大小分布、孔隙率、渗透系数）；水力条件（渗透方向是单向或往复渗透）；作用于土工织物上的力及土工织物应具备的抗拉、抗压、抗撕裂强度等。
用土工织物贴坡排水的施工方法是，先整平堤坡，或用砂填平，然后平铺土工织物。土工织物一般铺设在比逸出点高0.5-1m以上。然后在土工织物上铺放石子，石子上面可以放块石。施工时，不穿带钉子的鞋子作业，以免将织物扎破。织物之间搭接用线缝或用化学粘合剂粘合，搭接宽度一般为15cm左右（图2）。
图2贴坡排水法示意图
当渗透水通过土工织物排出以后，可以在堤脚开挖一条导渗沟，将集流引出，同时沟内也铺放土工织物。排水沟要开挖平整，土工织物要紧贴排水沟底和两侧，并与堤坡、坝坡的土工织物搭接粘牢，最后在沟内填放石子和片石压重。
2、开挖导渗沟
施工方法是：从浸润线逸出点沿坡面至堤脚开挖若干横向沟（即垂直于堤身纵向轴线）沟的间距一般5m左右，沟深0.3-0.5m，宽0.3-0.8m，沟内必须开挖平整，然后铺放土工织物，在织物上面放小石子。土工织物放入沟内要预留一定宽度的织物在沟外，而且留在沟外的织物需盖上草席，以减少日光照射（图3）。
图3 开挖导渗示意图
（三） 翻沙鼓水（管涌）险情抢护
汛期高水位时，由于临水面与背水面的水位差而发生渗流，因渗流的作用堤坝背河坡脚附近或坡脚以外（包括潭坑、池塘或稻田）地基基础薄弱处往往发生渗透变形，产生管涌、流土、滑坡等险情，如不及时处理，将危及堤坝安全。采用土工织物作为滤层，应对可能出现渗透破坏的堤段取土，进行试验计算，确定土工织物型号，然后选购所需土工织物。但在防洪抢险时，有时来不及试验，只能凭经验处理。使用土工织物对管涌险情的抢护时一是土工织物反滤围井，二是土工织物反滤压（铺）盖。
1、土工织物反滤围井施工方法
（1）将管涌周围或严重散浸的地面整理平整，清除草皮杂物以及尖角石块。
（2）若管涌口较小，可以用整块的土工织物盖住管涌口，若管涌口较大或连片，则应将土工织物互相搭接并用线缝起来，或采用化学粘合。搭接宽度一般为15-20cm。在松软的土基或水下施工时，搭接宽度应取40-60cm。
（3）将土工织物盖在管涌口上面，即以重物将其固定，再由周围向中央压易透水的2-4cm粒径的小卵石或小石子，厚度30-50cm。石子上面再压块石或混凝土块，最后形成中心高，四周低的压重体。
（4）铺放土工织物的面积取决于管涌的大小和需要保护的渗水段的范围，其面积应大于需要保护的渗水范围0.5m以上（图4）。
图4 土工织物反滤围示意图
施工时应注意以下两点：一是当管涌处水压较大，土工织物覆盖其上后，往往被水柱顶起来，一般说这是压重不够，应当继续填压石子，也可以用草袋装石子压上去，直至压平为止。二是若冒砂孔直径较大时，土工织物加压后就会下凹，甚至会将土工织物撕破。遇于这种情况，应当在孔内先用大石子，小石子或石屑将孔洞填平（可略高于附近地面3-5cm）以分散集中的渗流，在石屑上面再铺放土工织物并按前述办法加压重。
土工织物铺放以后，开始由于土体中微粒子被渗水夹带出来，水色变浑浊，历经一段时间后，若水质变清，说明此时土体内部颗粒不再流失，土工织物已起导渗作用。
2、土工织物反滤压铺盖
抢筑土工织物反滤压铺盖的要求与土工织物反滤围井基本相同。在平整好的地面、清除杂物，并视涌流流速大小采取抛投块石或砖块措施消沙水势后，先铺一层土工织物，再铺一般砖、石透水料厚40cm-50cm，或铺砂厚5cm-10cm，最后压盖块石一层（图5）。在单个管涌口，可用反滤土工织物袋（或草袋）装粒料（如卵石等）排水导渗。
图5 土工织物反滤压铺盖示意图
（四）堤坝内出现贯通水流通道（漏洞）险情抢护
汛期高水位情况下，堤坝偎水时间长时，背水坡及坡脚附近出现横贯堤身或堤基的流水孔洞即为漏洞。漏洞的水流称为压力管流，流速大冲力强，险情发展快。当发生漏洞险情时，要全力以赴迅速进行抢堵。抢护漏洞的原则是“前截后导，临背并举”。当漏洞进水口较大或附近洞口较多时，可在临河采用复合土工膜布软帘盖堵，背水坡铺无纺土工织物封堵漏洞。具体抢护方法如下：
1、复合土工膜布软帘盖堵
先将复合土工膜布幅面宽10m左右上下两端各缝制一个套圈，在上端套圈内穿一根直径约10cm 左右的钢管，下端套圈内穿一根直径约30cm的钢管，把复合土工膜布全卷在下端钢管上，并准备一部分细长钢管，临河堤肩上打2根木桩，将卷好的复合土工膜布的上端放在堤肩上，准备盖堵漏洞口的上方，让木桩挡住软帘卷筒；软帘滚筒的两端各安装1个套环，套环上接钢管制成的推杆助推。当覆盖到位后，可旋转导杆，将导杆抽回重复使用。当盖堵洞口向下滚时，用人推动卷膜钢管滚动入水，使膜沿堤坡铺设，将漏洞口盖住。若一次不成，可在旁侧续投铺放，直至把洞口堵住为止。在投放时要注意两排块体间的搭接应不小于0.5m。接着在膜面上要迅速抛投土工织物袋土加以压重，防止漂浮和冲走（图6）。
图6 复合土工织物软帘盖示意图
2、土工织物背水坡封堵漏洞
当堤身发生漏洞或裂缝时，临水坡以软体排覆盖，背水坡一般可铺无纺土工织物，上盖足够量透水料。如出水过猛，可以先在出流处压盖一层土工织物，并在四周用土袋或土枕迅速围堆一反滤井至高了临水面水位20cm，并内投透水料压重（图7）
图7 土工织物背水坡封堵漏洞示意图
（五）堤坝、险工坍塌险情抢护
当堤坝上游有大面积塌落险情时，可采用覆盖软体排防护，用聚丙烯编织布、聚氯乙烯绳网构成软体排，设置在坍塌险点处，然后用混凝土块或土工布土、石袋压沉于坍塌段处，这种险情大多要分秒必争地进行抢护（图8、图9）。
图8 抢险用软件体排结构 图9 风浪险工抢护软体排示意图
1-φ5mm纵向拉筋绳；2-φ10mm缆绳； 1-木桩；2-堤顶；3-排体；4-压载纵枕； 5-碎石横枕；6-2倍波高
3-纺织布条；4-抢险排体；5-φ60cm纵向土枕；
6-φ5mm定位引绳；7-横枕；8-φ20mm
间距20mm；9-水流方向
软体排抢险施工方法如下：
1、展排体。将排体运到险工段，放在对应的堤顶上，并展开。
2、横枕装载。指抢险队要把装满土的编织袋放在横枕中心线上，折转枕布将对于尼龙绳头捆在一起即成装土横枕。
3、滚排成捆。抢险队站在横枕一侧，滚排成捆，后将捆搭到迎水坡堤肩处。
4、打桩挂排。在纵枕对应的堤顶上打桩4-6根，将纵向拉筋绳拴在桩上，松紧要适度，使排体沉好后，上端超出水面为准。
5、沉排护险。抢险队面向迎水坡，往下推滚排体，使排体沉到预定位置，并在上游侧拉紧横向拉筋绳，固定排体位置，避免移位和翻转。
6、纵向压载。抢险队分成四组，同时向指定竖袋内投入装土的编织袋，直到装出水面为止。
（六）风浪险情抢护
汛期江河涨水后，堤坝前水深增加，水面加宽，当风速大，风向与吹程一致时，形成冲击力强的风浪。风浪轻者把临水堤坝坡冲刷成浪坎，重者造成堤坝坡坍塌、滑坡等险情。防风浪抢护以削减风浪对临水坡抗冲为主。土工织物用于防风浪方法有两种，一是土工织物（膜）防浪，二是土工织物软体排防浪。
1、土工织物（膜）防浪
用土工织物或土工膜布铺设在堤坡上，以抵抗波浪对堤防的破坏作用，具体做法如下：
在制作时，土工织物（膜）的宽度应按堤坡受风浪冲击的范围决定，一般不小于4m，较高的堤防可宽达8m-9m，宽度、长度不够时应按需要预先粘贴或焊接固。膜的长度短于保护堤段的长度时允许搭接，顺堤搭接长度不小于1m，并在铺设中钉压牢固，以免被风浪揭开。
在铺设前，应清除铺设范围内堤坡上的块石、树枝、杂草和土块等，以免造成土工织物损伤。
铺设时，土工织物的上沿一般应高出洪水位1.5m-2m，其四周用间距为1m的平头钉与堤坡钉牢，上下平钉的排距不得超过2m。超过时可在土工织物的中部加钉一排或多排。平头钉由面积20cm2、厚0.5cm的钢板中心焊上一个长30cm-50cm、直径2cm的钢筋制成。也可用长宽各30cm、厚20cm的预制混凝土块或碎石袋压住土工织物，其位置与平头钉相同（图10）。
图10 土工织物（膜）防浪示意图
2、土工织物软体排防浪
土工织物软体排防浪是将聚丙烯编织布或无纺布缝制成简单排体，宽度按5m-10m，长度根据风浪高和超高确定，一般5m-8m，在编织布下端横向缝上直径0.3m-0.5m的横枕袋子。投放时将排体置于堤顶，对横枕均匀装土封好口并滚成捆，用人力推滚排体沿堤坡滚动，下沉至浪谷以下1m左右，并在上面抛投压载土袋或土枕，防止土工织物排体被卷起或冲走。当洪水位下降时，仍存在风浪淘刷堤坡的危害，应及时放松排体挂绳下滑（图11）。实践证明，用土工编织布或无纺布排体防风浪效果是比较好的，同时具有施工速度快，土工织物可回收利用的特点。
图11 土工织物软体排防浪
三、结论与建议
防洪工程险情抢护时应根据土壤条件选择保土、防止管涌、防止淤堵、保证透水的土工织物。选用时应该根据应用要求和被保护土体的颗粒大小与级配来确定。抢护管涌、下游坡散浸、开沟导渗等险情抢护，排体透水编织布效果较好。
用土工织物防洪抢险，汛前必须缝制好各种抢险排体。根据可能出现的各种险情，相应备好抢险排体，一旦遇险就可立即抢护，否则会贻误时机，造成不必要的损失。
防汛备用土工织物材料，应按险情种类的需要去准备。
土工织物用于防洪抢险新技术，在确保堤坝安全渡汛方面有着重要意义。在堤岸多有树木的情况下，必须以常规抢险技术与土工织物抢险技术结合使用。汛前要组织快速抢险队，做好培训和实践演习。人员要少而精，一般30-50人即可。
四、结束语
土工合成材料的应用，在我国起步较晚，但发展很快。土工织物的独特优点越来越被广大水利工程工作者所认识，用于防洪工程抢险有着广阔的前景和巨大的潜力。为了更好地在防洪工程抢险中使用土工合成材料，国家防总办公室近两年做了大量的应用研究工作。1998年大水后，开展了土工合成材料在抢护管涌险情中的研究，着重研究了土工合成材料防治管涌的机理和施工机具，对软体排的施工机具也进行了专题研究，取得了初步成果；例如土工合成材料软体排应用于防洪抢险的试验研究和实际应用，在国际上处于领先地位。由于其方法较简单，耗资也比传统的方法省，特别是可以减少大量的砂石运输，社会和经济效益显著。随着社会发展对土工合成材料功能和特点的逐渐认识、研究、土工合成材料将越来越广泛地应用于防洪工程抢险等水利建设工程中。
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