超储期土工合成材料类防汛物资可用性研究

收稿日期：2018-12-07基金项目：中央高校基本科研业务费（学生项目）（2017B626X14）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX17_0440）作者简介：刘云锋，男，博士研究生，主要从事土工合成材料工程应用方面的研究。

E-mail ：356649397@土工合成类防汛物料相较于传统的防汛抢险物料，强度大、质量轻、便于储存、运输和施工，且价格低廉，可谓优势独特［1］。

无纺土工织物具有良好的透水性和过滤性，在导渗、管涌处理中应用广泛［1］；编织袋质量小、强度高，被广泛用于各种抢险措施中，砌护坡速度快且具有不切割坝体、防浪效果好、稳定性能较强的特点［2］。

1998年5月松花江干流扶余段堤防抢险，15h 内用掉了5万多条土工编织袋，该段堤防抢险成功，免受经济损失1.25亿元［3］。

近年来极端天气增多，各地对防汛物资的储备也越来越重视，加大了如编织袋、复合土工膜、无纺土工布等土工合成类物资的储备。

不少物资的储存年限达到10~20a ，较多超过了《中央防汛抗旱物资储备管理办法实施细则》（以下简称“细则”）规定的储存年限，应按照报废物资处理。

实际上，因各地储存条件、储存年限、材料间差异等因素各不相同，经过初步调研，相当多的超储期土工合成材料仍然具备实际使用的性能指标，如能加以合理使用，不仅可节省国家财政开支，而且也符合节能减排和可持续发展的国家战略。

然而，国内鲜见超储期土工合成材料类防汛物资再利用的研究与实践。

在土工合成材料老化特性和耐久性方面，王殿武等［4-5］提出了土工织物和土工膜在有岩土等防护措施的条件下至少可以有30a 以上的安全使用期；包伟国［6］通过人工气候的模拟试验来寻求加速老化试验与大气老化试验结果之间的关系，研究了聚丙烯土工合成材料的老化特性，提供了一种预测土工合成材料寿命的方法；蒋文凯等［7］对无纺土工布进行了15个月的室外试验，得出土工合成材料在前6个月材料的力学性能变化不稳定，有的样品力学性能还有上升的现象，其力学性能的衰减主要表现在6个月以后。

在袋装砂土石围堰的砂袋老化研究方面，黄东海［8］得出了特定条件下聚酯土工布、防老化聚丙烯土工布、土工格栅等土工合成材料的老化折减系数，对于目前的研究具有一定参考价值，对于不同的施工条件和材料，这种预测方法局限性较大。

郑智能［9］利用理论模型和实验室加速老化试验定性分析土工合成材料力学性能保持率的预测超储期土工合成材料类防汛物资可用性研究刘云锋1，束一鸣1，刘前程1，崔武虎2，王晓娟3，顾克1（1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2.南京河川建设工程有限公司，江苏南京211500；3.南京市滁河河道管理处，江苏南京210048）摘要：目前，国内外对于超过一定储存年限的防汛物资基本以报废为主，没有具体的力学报废指标和再利用指标。

以苏北地区各大宗超储期土工合成材料类防汛物资取样为研究对象，首先通过室内土工合成材料多功能测试系统对各规格材料进行主要物理力学性能指标检测，与国家防汛物资的入库标准比较分析；其次进行3个月的现场防汛抢险模拟试验，测试其实际工作效能状况，并检测主要物理力学性能指标的变化；最后结合现场试验后材料的检测结果和效能状况评价分析力学性能衰减程度和可再利用性，并提出可供参考的合理使用年限以及防汛物资采购和储存方面的建议，可在保证防汛工程安全的情况下节能环保、节省大量财政开支。

关键词：土工合成材料；超储期；防汛物资可用性；模拟试验中图法分类号：F251文献标志码：ADOI ：10.15974/ki.slsdkb.2019.04.008文章编号：1006-0081（2019）04-0041-08··41方法，控制材料老化的方向之一，如光氧化、热氧化等，而实际工程中材料老化速率受紫外线、温度、湿度、水中化学物质等复杂因素影响［10］。

A.A.Popov ［11-13］和K.Busfield［14］相继提出，在应力的作用下会改变土工合成材料的结构和形态，从而影响土工合成材料抗老化的性能；R.K.Rowe［15］通过现场试验和实验室测试总结了HDPE土工膜耐久性相关的基本概念和机制，并讨论了影响土工膜工程中使用寿命的因素。

总体来说，目前国内外的研究主要是通过对外部环境的模拟来加速试验样品的老化以及通过自然环境下的老化情况来研究其耐久性规律，但都未对土工合成材料的老化性能进行详细的描述和限定。

对于土工合成材料防汛物资的研究仅仅停留于如何信息化管理和储存方面，对于经仓储后老化的力学性能等指标的研究还比较少，还没有对超储期储存土工合成材料再利用方面的研究。

目前，国内外对于超储期土工合成材料防汛物资基本上是以报废为主。

为此，研究土工合成材料在超储期下的物理性能、老化规律以及实际工程效能状况，特别是如何准确地预测土工合成材料类防汛物资的储存寿命具有较大意义。

本文通过收集江苏省苏北地区各市县防汛仓库不同超储年限的土工合成材料调研资料，筛选具有代表性的材料样品，开展力学性能检测以及现场防汛抢险模拟试验来分析、评价其老化程度以及安全再利用的可能性，提出可供参考的合理使用年限以及防汛物资采购和储存方面的有益建议。

1试验样本的选择1.1土工合成类防汛物资采样本次研究的超储年限土工合成材料类防汛物资抽样样本来自江苏省苏北地区的徐州市骆驼山仓库、邳州仓库、铜山仓库、骆运仓库、泗阳县淮沭河仓库、泗洪县仓库、六合仓库7所防汛仓库。

其中，六合仓库为省级仓库，邳州和骆驼山仓库为市级仓库，其余为县级仓库。

材料包括编织袋、彩条布、无纺土工布、复合土工膜四大类。

其中，编织袋16个样本，彩条布6个样本，无纺土工布6个样本，复合土工膜4个样本，总计32个样本。

储存年份最早为1992年，最迟为2010年。

具体材料的类别、规格及存储日期参见下文。

1.2采样仓库储存条件在取样的同时对这些物资的管理情况和仓储情况也作了一些考察，此处对仓储环境、管理水平作简单描述。

图1为江苏省省级存储仓库六合仓库，土工合成类防汛物资储备种类较为齐全，整体管理水平和防护措施较好，仓库密闭性能较好，仓库窗户有百叶窗遮光避风。

材料保存较为完善，土工合成类材料有黑色遮阳布防护，避免了紫外线的直接照射。

但此仓库的过期防汛物资储备较少，不能很全面地反映历年来物资力学性能的变化。

图1江苏省六合仓库图2（a）邳州仓库为市级存储仓库，除了有一些包装袋已有破损外，整体的仓储环境和管理水平与六合仓库类似。

图2（b）骆驼山仓库也为徐州市级存储仓库，此仓库部分窗户没有密封，紫外线可以直接照射进来，不利于防汛物资的储存。

图3为县级储备仓库，从现场可看出这些仓库窗户上无遮阳设备，有些物资表面无防护措施直接堆放在窗户边，阳光直射到防汛物资上，紫外线的照射会加速土工合成材料的老化。

在管理水平上，县级仓库人员配备不足，有的仓库基本没有专业管理人员。

从前期整体调研上来看，省级防汛仓库和市级防汛仓库的设计标准和管理水平较高。

而县级防汛仓库设施在设计上存在缺陷，有些破损设施未得··42到及时维护和修缮，尤其在紫外线的防护措施上，没有按照要求进行处理。

同时，人员配备缺乏可能导致仓库的管理不够到位。

2室内测试内容及方法分别分批次对所有抽样的初始仓储取样和经现场防汛抢险模拟试验老化30，60d 和90d 后的取样做物理力学性能指标检测，与国家防汛物资的入库标准比较分析。

检测的指标内容为：编织袋的经、纬向、接缝的断裂强度和延伸率，圆柱顶破力；彩条布、无纺土工布、两步一膜的经、纬向断裂强度及延伸率、圆柱（CBR ）顶破力、梯形撕裂强力。

该研究的室内测试试验采用河海大学水工结构研究所土工合成材料多功能测试系统（型号TGH-2B ）（见图4），进行了宽条带拉伸试验、梯形撕裂试验和圆柱（CBR ）顶破试验。

所有测试环境、试样尺寸、检测过程及力学性能指标计算均严格按照SL 235-2012《土工合成材料测试规程》相应试验规程；同时每组试样做5组试验，确保试验结果准确无误。

图4土工合成材料多功能测试系统3现场防汛抢险模拟试验及取样现场防汛抢险模拟试验在位于南京市六合区滁河红山窑水利枢纽下游的江苏省防汛抢险训练场进行，该训练场分别建有训练演练区和训练辅助区，演练区可实现模拟渗流、管涌、漏洞、裂缝滑坡、漫顶、溃坝决口等常见的水利工程堤坝病险情发生、发展过程。

（1）现场试验试样的编号。

试验前对试样按照四大类不同仓储分别进行了系统编号，后续试验铺设也按照此编号一一对应，以便掌握试验过程每个部位铺设的试样情况以应对工程模型出现的问题并方便后期取样。

（a ）邳州防汛仓库（b ）骆驼山仓库图2市级仓库图3县级仓库刘云锋等超储期土工合成材料类防汛物资可用性研究··432019年4月水利水电快报EWRHI 第40卷第4期（2）现场试验的勘测选址。

选择机械易于进入且方便试验人员施工的地区，同时临滁河河道方便蓄、排水。

选址的场地原貌见图5。

图5试验场地原貌（3）装袋挖坑同时进行。

采用专门机械按照施工图纸进行建模水池开挖施工。

池底15m×15m ，深2m ，边坡比为1∶3，池底和边坡均被整平，详见图6（a ）。

将现场开挖土装于编号的编织袋中，充填率达50%~60%的用扎带捆扎，见图6（b ）。

（a ）在烂泥中开挖蓄水池（b ）编织袋装土图6装袋挖坑同时进行（4）试样的铺设和土袋的堆积。

开挖完毕后，根据施工图要求，各仓库、年份的材料分别铺设复合土工膜及无纺土工布于池底及四周，起到护底护坡、防渗作用，见图7。

复合土工膜沿坡面方向水平铺设，其接缝处进行焊接处理（由池底向上依次铺设），相邻坡面交接处相互压实；坡面铺设完毕后进行堰底铺设，接缝处进行焊接。

再将装填土袋从池底开始堆垒成高1m 的堤坝体，模拟一侧的挡水断面，堆砌时采用纵横交替的堆砌方式，且按照施工图中不同仓库、年份依次堆叠。

在堆体上铺设彩条布护堤，模拟实际防汛堤防中的防冲刷老化。

最终施工完成实际图见图8。

铺设完毕后在堤体的对面一侧斜坡上标设水尺，水尺最上标线离池底2m ，试验过程中保持蓄水到1.8m 高度处，见图9。

（a）人工搬运蓄水池内的土袋（b ）土工布、复合土工膜铺设图7土袋的堆积和土工膜铺设图8蓄水前现场试验模型··44（5）给蓄水池内预设编织袋取样。

用红蓝两色高强度防老化的绳子分别拴在10种编织袋上，分放于堤体的两侧，以便进行30d 和60d 取样。

（6）蓄水池蓄水。

蓄水前在池周边架设边护栏确保人员安全。

用抽水泵从旁边河流抽水达水尺上标的预期刻度，详见图10。

蓄水过程中出水口应有消能防冲刷装置（套上竹篮）。

（7）取样室内测试。

现场模拟试验老化，每30d 取样1次，共取样3次。