工程应用：运用实践，解决问题

土工包的工程应用相当广泛，图8.14列出了若干应用的场合。土工包由于体积很大，柔性好，因此，它可以完成其他构件所不能（或不能很好）完成的任务。如崩岸抢护、大型水下填方，尤其是它可以用来处理废料，所以更受到青睐，发展很快。应用的工程也日见增多。

前些年，用疏浚材料充填的土工包已用于荷兰老码斯（Old Meuse）河上的水下结构物（1988）以及德国的Ems和Elbe河和德国北海岸线的保护。在美国和台湾则用作包裹体围堤（containment dikes）。在美国，两个十分成功的土工包工程是Red Eye Crossing（美国陆军工程师团，新奥尔良New Orleans）和Marina Del Rey Project（美国陆军工程师团，洛杉矶）。Red Eye Crossing工程位于Baton Rouge，LA以南2英里，在密西西比河上。而Marina Del Rey Project位于洛杉矶。此外，在纽约港和新泽西港务局进行了两个示范工程。下面介绍这些实例。

（1）Red Eye Crossing工程。在Red Eye Crossing堤防的目的是建造一个其宽度足以使水流能防止悬浮物质沉淀的水道，从而减少或消除该河段的疏浚工作。在Red Eye Crossing，Baton Rouge南2哩的密西西比河，为了控制泥沙以减少疏浚，修建了将近7000英尺（2.13km）的水下堤。采用100～550立方码（约76～418m3）的土工包修建了3道堤，采用3立方码（2.28m3）的充填河道疏浚砂的土工砂袋修建了3道堤。6道水下堤其长度变化在600～1700英尺（304～517m），其高度达30英尺（9.1m），这些堤是用开底驳船上投放的556个土工包以及从平顶方驳上用前端装载机施工的38000个土工袋建造的。堤顶高程变化在-2～-7英尺（-0.608～-2.13m）。河深是变化的，最大深度为65英尺（19.8m），河流的最大流速约为4～5英尺/s（1.2～1.5m/s）。

假定土工织物所受的最大力发生在撞击时，故土工织物的设计是基于牛顿第二定律动量守恒定律之上的，其低值为零，故质量乘速度为一常数，mv=constant。以前报告资料中指出，土工包的最终速度为16.4英尺/s（约5m/s）。

该工程是首批采用应变计和压力盒对充填了砂的性状的土工袋和土工包在水体下落时的性状进行监视的工程之一。将从土工包和土工袋的应变计和压力盒测得的数据进行了采集和分析。从Red Eye Crossing工程中3立方码（2.28m3）土工袋的压力盒数据表明，当撞击水面和河底时土工袋内部测得的压力盒数据是最小的。土工袋的最大应变在2%～3.5%范围内。测得的最终速度对于土工袋为7～10英尺/s（2.13～3.04m/s），对土工包为13.8英尺/s（4.2m/s），土工包在通过驳船的小口门而展开时，测得的纵向最大应变在8%～12%应变的范围，横向的最大应变在6%～7%的范围。当自由下落时和与河底撞击时，最大的纵向和横向应变小于1%～2%。

驳船在约68s时开口至最大宽度9.5英尺（2.9m），约为料斗宽度12英尺（3.65m）的75%。在改装前料斗的原始宽度为24英尺（7.3m）。在此期间，压力盒的数据表明，在土工包穿过口门之前，土工包已逐渐地下落5～6英尺（0.67～1.8m），这可能是由于土工包中损失了约150立方码（114m3）的砂，这些砂可能在土工包锁口时，填充在驳船的三角形底部。当土工包自由地从驳船口门通过之前的最后4～5s时，记录到最大应变。压力盒数据表明，最终的速度几乎在土工包脱离驳船之后就立即达到，土工包在4s内下落约55英尺（16.7m），平均的最终速度约13.8英尺/s（4.2m/s）。

图8.14　土工包工程应用概图

（a）用作堤芯填料；（b）用于土坡填筑；（c）用于崩滑的治理和掏蚀孔；
（d）用于防浪堤；（e）用于污染度物处理

（2）Marina Del Rey工程。将近55.0CY的污染疏浚材料成功地包裹在土工包中，并用开底式投放驳船放置在浅水区，上覆一层12英尺厚的清洁疏浚砂。Marina Del Rey疏浚材料包含有约7%～8%细粒土，且被铅、锌和铜所污染，这些材料采用蚌壳式抓斗机械疏浚，并堆放在土工包中，土工包经缝合后放置在洛杉矶浅水区有限的水上处理场。

44个土工包充填了平均为1300CY（988m3）的污染疏浚材料。疏浚从1994年11月10日开始，1994年12月18日完成。每天平均可以铺放2000 CY（1520m3）或者说1.5个土工包的疏浚材料。采用差动全球定位系统（GPS）监视铺放的位置。

这是世界上这类把污染的疏浚材料包在土工包中，并被铺放，以及覆盖一层砂的第一个工程。在该工程中没有安装观测仪器，但是对其进行了化学试验和固体材料的测定，以便确定通过无纺的反滤布和有纺的高强度土工布的污染物质的数量。

Marina Del Rey疏浚材料被若干种重金属所污染，还有聚氯联苯（Polychlorinated PCB），多核芳烃类碳氢化合物[Polynuclear aromatic hydrocarbons（PAFFs）]，钛化合物（Phthalales），有机类物质和常见的如油和油脂、碳水化合物、硫化物以及氨等，超标的污染物为铜、铅和锌。对水和穿过无纺聚酯布的疏浚材料沉积物进行了固体总量百分数试验和化学试验，超过的是在0.07%～0.70%的范围内。

据Marina Del Rey的疏浚材料沉积物中污染物的稀释要求表明，铜、铅和锌的水平并不符合水质标准的要求，因此需要大量的稀释。这些重金属仅仅在对水和经过无纺土工布过滤的沉积物进行化学试验时测出的。

土工织物设计的假定与Red Eye Crossing Project中的假定不同，在那里假定撞击荷载是最大的。在这里，作用土工布上的最大荷重假定出现在驳船口门开启至最大宽度土工包自由下落前的时候，当土工布瞬时地支持疏浚材料的重量时，若疏浚材料作为液体处理，则可以得到土工布上作用的最大荷重。(www.xing528.com)

在Marina Del Rey工程中，第一个土工包被悬挂在驳船的口门上，因为土工包中充填的砂太多了，从而当驳船口门开启时形成了拱作用，土工包最后在砂被液化后才得以释放。

（3）纽约和新泽西港两个土工包沉放试验。美国的纽约和新泽西港务局曾进行过两个土工包沉放时的有关测定，其结果给了我们一些启示。它们在两个土工包内充填了1300m3的疏浚淤泥。第一个仓用聚酯有纺织物制成，第二个包却在编织织物内装有340g/m2聚丙烯无纺织物作为内衬层，以防止抛投时细粒的流失，开底驳底面涂了光滑材料以减少摩擦力（也可用HDPE膜），第一个包长60m，周长37m，充填度为21%；第二个包长60m，周长32m，充填度27%，包中充填料的湿容重皆为11.7kN/m3。在投放时，第一个包是均匀下沉的，不发生扭曲或滚动，投放时所埋的应变计变形极小，表明投放前，封缝可能已经破坏，经潜水检查，封缝破坏了12m，第二个包投放时顺利，仅与底部撞击时有些破坏，但漏土很少。

（4）其他应用情况。荷兰的老码斯河是对200m3充砂土工包用开底驳船投放到一定部位（深20m），并堆叠起来，共安放了233个土工包，其情况如图8.15所示。

图8.15　德国老玛斯河充砂土工包防波堤

在美国，近来土工包也使用得日渐广泛，他们还为此在新泽西港的疏浚工程中做了大型现场，并拟采用疏浚充填的土工管和土工包筑堤，土工包用于堤芯，土工管用于外围，已在多项工程中应用或正在应用。如：密西西必河水下河岸加固；Desfin，Fla海岸护岸西坝；在Mobile，Al的挖泥机出渣围堤；在Galveston，TX的海岸保护防浪堤出渣围堤；密西西比河上Red Eye Crossing的控制泥沙的结构（软土堤示范工程）；美国海港维护的疏浚材料出渣围堤等。据美国经验，由于土工包筑成的拦水堤或防波堤比堆石堤更安全、更省钱，它不会破坏船体。

最近在马来西亚、中国台湾、日本、菲律宾，用土工包和土工管填筑的几个港口和海岸工程也在建造中，至于用土工包治理河岸崩坍则更有其独特的优点，它不仅快速，而且因体积大，因此一个土工包构件可以镇住一大片岸崩，迅速制止其进一步发展[图8.12（c）]。

土工管和土工包可以作为污染材料、城市垃圾或工业“三废”的合理处理方法。据美国进行的水质试验表明，这些地区的水质符合联邦和州环保委员会的标准。而这些用长距离运送或疏浚材料填筑的岛是很有竞争力的。因为它施工简便，造价低廉，且对环境影响小。

该方法在技术方面已经是可行的了，而且推广的前景很好。但仍有不少设计和施工方面的问题。从上面叙述也可看出，计算中涉及的面还是较广的，有的也较深，故不可草率从事，掉以轻心。应从实践中吸取经验教训，并在理论上作一定的探索和研究，以及必要的验证试验，优化设计和施工方法，使该项技术更为完善。

（5）我国的应用。土工包在我国应用尚少，黄河上曾用“小型土工包”进行过试验，包的尺寸为4.5m×2.4m×1.3m，体积约为10～12m3，填料用挖土机装填（图8.16），然后用自卸卡车运至指定地点，投放于6～8m的水深中，作为控制洪水的结构物（图8.17），效果良好（张保森等，2004）。不过这种土工包与上面叙述的不大一样。它实际上是一种大型的土工袋。

图8.16　“黄河土工包”在装填料

图8.17　“黄河土工包”在投放