环式土工管袋充填特性模型试验研究

Model Experimental Study of Filling Property of Ring-type Geotextile Tube

摘要

中国每年从江河湖库等水域疏浚淤泥量达数亿立方米，通常进行陆地自然堆存，长期占用大范围土地。本文提出一种新型环式管袋堆场蓄淤排水技术，能有效解决疏浚淤泥堆放场地有限的问题，其中，环式土工管袋的充填对环式管袋堆场蓄淤排水技术的实施至关重要。为研究环式土工管袋充填过程中形状、高度、充填机制、压力等特性，开展不同工况下环式土管袋充填室内模型试验，研究逆时针、径向、竖直3种充填方式条件下，充填速度分别为2.43、2.55、2.66和2.77 m/s时的土工管袋充填后高度及充填机制。结果表明：逆时针充填时，挟沙水流首先向逆时针方向流动，泥沙淤积至一定程度后，挟沙水流运动受阻，开始向顺时针方向流动；径向充填时，挟沙水流以一定角度向两侧进行充填；竖直充填时，挟沙水流撞击靠近地面管袋一侧后向两侧进行充填。当充填方式为逆时针、充填速度为2.77 m/s时，管袋充填后平均高度最高；当充填方式为径向、充填速度为2.43 m/s时，管袋整体充填后平均高度最高；当充填方式为竖直时，4种充填速度条件下充填后管袋内泥沙分布极不均匀，管袋充填后高度与充填速度无关。12种工况下，逆时针充填且充填速度为2.77 m/s时，管袋充填后平均高度最高（0.09 m），袋体内泥沙颗粒分布较为均匀。基于试验测得的管袋充填后高度，应用机器学习原理，使用随机森林算法对逆时针、径向、竖直3种充填方式条件下的管袋高度进行模拟预测，结果较为准确，均方误差值分别为5×10^-5、3×10^-4、2×10^-5 m²。

Abstract

Objective This study introduces a novel circular geotextile bag storage and drainage technology that effectively addresses the challenge of limited space for dredged silt storage. The filling process of circular geotextile bags is critical to the implementation of this technology. This study presents indoor model experiments conducted under various operating conditions to investigate the characteristics of filled circular geotextile bags, including their shape, height, filling mechanism, and pressure distribution. It examines the height and filling mechanisms of bags filled using three different methods, namely counterclockwise, radial, and vertical filling, at different filling speeds. Methods This study conducted indoor model tests of circular geotextile bag filling under various experimental conditions. It investigated the height and filling mechanism of geotextile bags after filling under three different methods: counterclockwise filling, radial filling, and vertical filling, with filling speeds of 2.43, 2.55, 2.66, and 2.77 m/s, respectively. Due to space limitations at the experimental site, the selected circular geotextile bag had an outer diameter of 1.2 m and an inner diameter of 0.7 m. Given that the sedimentation of coarse particles can potentially affect the electromagnetic flowmeter, a fixed-volume bucket was utilized to measure the filling speed before each test condition began. The bucket was filled uniformly within a specified timeframe, after which the filling speed was calculated. In addition, three repeated experiments were conducted to determine the accurate filling speed used in this study. The selected filling material was a mixture of sand and water. The circular geotextile bag was positioned horizontally, and a slurry pump was utilized to fill the bag with the sand‒water mixture. A polar coordinate system was established using the center of the circular geotextile bag as the origin to determine the radius and angle of typical points within the bag. Following the completion of each test condition, the height of the bag at various points was recorded. The random forest algorithm was applied to simulate and predict the height of the bag after counterclockwise filling, where the independent variables were the radius and angle of each point. During simulation and prediction, 75% of the data was randomly selected for modeling, and the remaining 25% was used for validation. The results were relatively accurate, with M_SE values of 5×10^-5, 3×10^-4, and 2×10^-5 m², respectively. Results and Discussions The counterclockwise filling mechanism operated as follows: the sediment-laden water flow initially moved counterclockwise, causing sediment accumulation. When the sediment approached the filling sleeve, the flow of sediment-laden water was obstructed and began to move clockwise. Sediment continued to accumulate, and once it reached the filling sleeve again, the shape and height of the tube bag remained unchanged, indicating the completion of filling. At this point, the filling process was considered complete. The bag body featured a total of 10 recording points. During counterclockwise filling, the process was divided into two stages. In the first stage, sediment particles moved with the water flow as far as the area between positions 5 and 6, where sedimentation began. The sediment gradually accumulated up to position 2, where the water flow was obstructed, initiating the second stage of filling. The water flow then moved clockwise toward position 6 and continued to accumulate until reaching position 10. Since the tube mouth directly faced position 1 during filling, severe erosion occurred, resulting in no sediment accumulation at this position. When the filling speed increased to 2.77 m/s, the filling process was also divided into two stages. In the first stage, the water flow moved both counterclockwise and clockwise simultaneously, with the counterclockwise flow playing the dominant role. The counterclockwise flow caused sedimentation near the filling sleeve, while the clockwise flow caused sedimentation at position 7. The amount of sedimentation in the clockwise direction was relatively small. When the counterclockwise sediment particles accumulated near the filling sleeve, the water flow became obstructed and began to move clockwise. Simultaneously, the sediment particles deposited during the first stage were lifted and redistributed, rapidly filling the bag. Since the tube mouth directly faced position 1 during filling, severe erosion occurred, resulting in no sediment accumulation at this position. Under radial filling conditions, when the filling speed was 2.43 m/s, the filling mechanism operated as follows: water flowed simultaneously to both sides, causing sediment particles to accumulate gradually. Once the accumulation reached a certain level, the pressure inside the bag increased, pushing sediment particles forward on both sides. In the counterclockwise direction, the particles were pushed to position 4, while in the clockwise direction, they were pushed to position 6, resulting in rapid filling of the bag. As the filling speed increased, the filling mechanism changed. The filling tube mouth aligned directly with the interior of the tube bag. After the water flow struck the tube bag, part of its kinetic energy was dissipated, causing the water to flow toward both sides at a certain angle. With the increase in filling speed, the sand discharge rate also increased. Therefore, sediment particles accumulated rapidly near the filling sleeve, obstructing water flow and reducing the travel distance, enabling rapid filling of the bag. In the vertical filling method, water flowed vertically into the inner side of the tube bag near the ground, significantly reducing the flow velocity. Sediment accumulated rapidly near the filling sleeve, obstructing water movement and resulting in a shorter travel distance. Conclusions Under 12 different working conditions, when the tube bag is filled counterclockwise at a speed of 2.77 m/s, its average height after filling reaches a maximum value of 0.09 m, with a relatively uniform distribution of sediment particles inside the bag. The heights of filled tube bags under three different filling methods, namely counterclockwise, radial, and vertical filling, were simulated and predicted using the random forest algorithm based on experimentally measured heights by leveraging machine learning principles. The results demonstrated high accuracy, with M_SE values of 5×10^-5, 3×10^-4, and 2×10^-5 m², respectively. The findings presented in this study provide an important theoretical basis and technical reference for the construction of circular tube bag yards.

Graphical abstract

关键词

环式土工管袋 / 模型试验 / 充填方式 / 充填高度 / 充填机制 / 机器学习

Key words

ring-type geotextile tube / model experiment / filling method / filling height / filling mechanism / machine learning

本刊网刊

土工织物是一种土工合成材料，具有质量小、强度大、成本低、便于施工和运输等优点。土工管袋是一种由高强度土工织物制成的大型管袋及包裹体，已被广泛应用于围海造地^[1]、煤矸石与矿渣脱水处置^[2‒3]、淤泥脱水及清淤工程^[4‒6]、堤防工程^[7]等。

由于土工袋具有滤水特点，目前被广泛地应用于疏浚淤泥排水领域。为解决疏浚淤泥排水有限场地的堆存问题，来志强^[8‒9]、樊科伟^[10]等前期提出了一种新型环式管袋堆场蓄淤排水技术，如图1所示，环式管袋单体内部填充沙土形成建筑材料，将一定数量的环式管袋单体从下至上垂直堆放形成环式管袋堆场，堆场形成的腔体用于蓄纳淤泥。腔体内部区域蓄满淤泥后，淤泥压力沿各层管袋的圆周均匀分布，不会产生应力集中现象，管袋依靠自身张力作用保持稳定。由于管袋不依靠各层之间的摩擦作用，各层之间不会相对滑移，此结构较传统非支挡结构具有稳定性强、工程造价低、蓄纳淤泥排水效率快等特点。因此，研究环式土工管袋充填特性对其工程应用具有重要意义。

在土工管袋充填理论研究方面，诸多学者开展了分析研究。张文斌等^[11]在土工织物材料规范的基础上，绘制了土工织物充填管状袋充填时的设计图谱。邱长林等^[12‒13]建立了充填泥浆不均匀条件下土工袋变形方程，并研究了大尺度土工织物充填袋的受力特性。Kim等^[14]提出了一种基于等应变的土工管袋变形预测方法。

Cantré^[15]通过建立有限元模型，研究管袋固结和堆叠过程中的形状和荷载变化情况。刘欣等^[16]对考虑外部接触面摩擦的土工管袋堆叠力学特性、稳定性进行了研究。陈亮等^[17]采用无量纲化，揭示了充填过程中袋体拉力、形状等变化规律。张仪萍^[18]和Plaut^[19]等研究了袋体与充填砂浆之间存在摩擦力作用时，袋体的形状及袋体张力变化。孙立强等^[20]建立了泵送压力与充灌袋拉力、截面形状的无量纲解析方程，推导了土工管袋充填高度和宽度的计算方法。闫玥等^[21]编制了计算程序，用于计算扁平充灌袋的形状、泵送压力和袋体拉应力。Plaut等^[22]提出了适用于高充填压力下袋体参数的计算方法。刘伟超等^[23‒24]基于无量纲法提出了低充填压力下土工管袋高度和压力计算方法。

模型试验也是研究土工管袋充填特性的有效手段。张仪萍等^[18]通过开展室内长条土工管袋模型充填试验，研究了充填过程中管袋形状、高度、所受张力、底部压力和排水速度的变化规律。吴海民^[25]和Weggel^[26]等通过吊袋模型试验，研究了土工织物类型、充填料沙粒占比等因素对管袋充填排水的影响机制，建立了无量纲充填排水模型。Kim等^[27]通过半截面试验，提出使用管袋高度和泵送压力来计算袋体拉力计算方程。满晓磊等^[28]通过常水头试验方法研究了不同颗粒级配充填料下土工织物覆沙渗透特性。吴海民等^[29‒30]通过吊袋脱水试验和现场试验，研究了充排结合、边充边排的管袋充填高含黏（粉）粒土料高效脱水的机制，提出了充填管袋坝施工技术指标。还有一些学者借助模型试验，研究了土工管袋充填粉土^[31]、黏土和沙^[32]时的力学特性，分析了充填过程对管袋形态与应力的影响规律^[33‒34]以及土工管袋的二维力学特征^[22,35]。

国内外学者对长条形土工管袋充填排水特性开展了大量的研究，但是目前对环式管袋单体充填特性的研究较少。环式土工管袋充填特性主要包括充填后的形状、高度、充填机制、压力等指标；针对目前研究中的不足，为给环式管袋堆场施工建设提供重要理论基础与技术参考，本文通过环式土工管袋充填模型试验，重点讨论了在不同充填方式和不同充填速度条件下土工管袋的充填机制，探明了充填方式和充填速度与土工管袋充填后高度之间的响应关系，提出了环式土工管袋最优充填方式与充填速度。

1 试验方案与步骤

1.1 试验装置

环式土工管袋室内充填试验模型装置，如图2所示。装置主要由搅拌池、支撑架、渣浆泵、电磁流量计、闸阀、钢丝软管、集水槽、承压台等组成。试验主要设备及参数如表1所示。

在实际充填过程中，考虑到粗颗粒部分沉积会对电磁流量计产生一定的影响，每种工况试验开始前使用固定体积的桶对充填速度进行测量；在一定时间内将桶均匀地充满，然后计算其充填速度，并且开展3次重复试验以确定本文的充填速度。

1.2 试验材料

室内充填模型试验材料（土工管袋和沙）如图3所示。土工管袋外直径为1.2 m，内直径为0.7 m。其中，纵向和横向抗拉强度分别为65.0和70.2 kN/m，环式土工管袋由土工材料横纵向编织而成，其横纵向相接缝处形成的孔径（环式土工管袋孔径）约为0.45 mm。

试验选取沙水混合物作为充填料，其中，充填料中沙的颗粒级配曲线如图4所示，粒径(0,1.0] mm沙质量占比为29.62%，粒径(1.0,2.5] mm沙质量占比为40.71%，粒径(2.5,7.0) mm沙质量占比为29.67%。

1.3 试验方案

环式管袋有两个充填袖口，用缝包机将其中一个充填袖口进行缝合，用铁丝将钢丝软管将另一个充填袖口固定。试验前将沙和水在搅拌池中充分搅拌；试验开始后，环式土工管袋在充填试验过程中水平放置，使用渣浆泵将沙水混合物充填进土工管袋。土工管袋充填料为沙水混合物，考虑到不同工程应用时充填管径会发生变化，并且充填开始前要确定管袋的充填流速大于泥沙管道的不淤流速，因此采用充填速度更为直观。

通过预备试验配制充填料含沙量为144 kg/m³，土工管袋充填管道不淤流速为2.43 m/s；由预备试验可知：当充填速度增加到2.77 m/s时，再继续增大充填速度会导致沙水混合物迅速将袖口附近淤堵，无法继续充填，充填效果较差。

因此，将充填速度分别设置为2.43、2.55、2.66和2.77 m/s进行充填试验。在土工管袋上方1.3 m处，分别布置10个激光测距仪；按逆时针方向依次为1～10号，分别对应10个横断面的中心点，用于记录各个工况下土工管袋充填过程中的高度变化及充填后高度。同时，在充填袖口、5～6号测距仪中间取一横截面进行同样的测量，其中充填口横截面中心点位记为Ⅰ号点位，5～6号中间横截面中心点位记为Ⅱ号，共计12个中心点位。

图5为管袋充填试验。

室内试验共分3种不同充填方式进行充填，分别为逆时针充填、径向充填、竖直充填。图5中，箭头A为逆时针充填，箭头B为径向充填，箭头C为竖直充填。

图5（b）中，以2号点位所在横截面为例，充填后管袋中心点高度为H，其所在的横截面沿横向分为两部分，每部分的中点（即截面4等分点）管袋高度分别为H₁和H₂。

为了后续模拟验证时设置边界条件，取横截面沿横向两侧最边缘高度为H₃和H₄，均为0。管袋充填后高度为同一垂线袋体底部至顶部的高度。

环式土工管袋具有滤砂排水作用，在充填试验过程中，管袋内充填的泥沙逐渐增多，袋内空间减小，袋内压力由小变大。

2 试验结果

开展3种充填方式条件下，4种充填速度土工管袋单体充填试验，得到各个工况下充填后管袋的高度，研究其充填机制。

2.1 逆时针充填

不同充填速度下，逆时针充填后各位置管袋高度如图6所示。由图6可知：在逆时针充填方式条件下，当充填速度为2.43和2.55 m/s时，充填效果较差；当充填速度增加至2.66和2.77 m/s时，管袋充填后中心点高度H增加，管袋充填后高度相对均匀；当充填速度为2.77 m/s时，管袋充填后平均高度最高为0.09 m。

由图6还可知，逆时针充填的情况下，当充填速度为2.43和2.55 m/s时，管袋充填后高度比较接近，其中，1号位置高度为0，2～5号高度依次降低，6～10号充填高度整体增加。分析其原因，逆时针充填时，充填过程共分为两个阶段：在第1阶段，由于泥沙颗粒和水流获得的动能有限，泥沙颗粒随着水流运动距离最远至5、6号之间，泥沙颗粒开始淤积，逐渐淤积至2号位置；此时水流运动受阻，开始第2阶段充填，水流开始向顺时针方向流动，运动至6号位置，开始淤积，淤积至10号位置。因此，2、10号位置高度最高。由于充填时管口正对1号位置，冲刷较为严重，此位置无泥沙淤积。

当充填速度为2.66 m/s时，2～5号位置高度依次降低，6～10号位置填充后高度依次降低；充填过程仍然为两个阶段，但是不同之处是6～10号位置受到两个阶段共同作用，第2阶段起主导作用。第1阶段水流运动至9号位置，此时泥沙颗粒逐渐淤积，但是淤积量较少，从5号位置开始淤积量增加，淤积至2号位置之后，此时水流运动受阻，水流开始顺时针流动，进行第2阶段充填。由于第1阶段6～9号位置均有少量泥沙颗粒淤积，此时水流将第1阶段淤积的泥沙颗粒推向6号位置，同时第2阶段充填的泥沙颗粒开始淤积，由于充填速度较大，在短时间内将袋体充满，因此造成6～10号位置高度依次降低。由于充填时管口正对1号位置，冲刷较为严重，因此，此位置无泥沙淤积。

当充填速度增加至2.77 m/s时，2～7号充填后位置高度依次降低，8～10号位置高度依次降低。此充填速度下充填过程分为两个阶段，第1阶段水流同时向逆时针、顺时针流动，逆时针为主导作用，逆时针、顺时针流至7号位置淤积，顺时针泥沙淤积量较少，逆时针泥沙颗粒淤积至充填袖口附近时，水流运动受阻，水流开始向顺时针方向流动，同时将第1阶段淤积泥沙颗粒带起，短时间内将袋体充满，造成8～10号位置高度依次降低。由于充填时管口正对1号位置，冲刷较为严重，因此此位置无泥沙淤积。

逆时针充填机制如图7所示，图7中，挟沙水流首先逆时针方向流动，泥沙开始淤积，淤积至充填袖口附近时，挟沙水流运动受阻，开始顺时针方向流动，泥沙继续淤积，当再次淤积至充填袖口时，此时管袋的形状和高度不再发生变化，视为充填完成。

以逆时针充填、充填速度为2.77 m/s为例，充填过程中管袋高度H的变化曲线如图8所示，其中，1号位置管袋充填后高度几乎为0，因此，只分析2～10号位置高度变化。

由图8可知：前12 s，管袋各个位置高度H均迅速增加；第13～22 s，2～5号管袋高度增加，6～10号位置短暂排水，高度下降，水流沿逆时针方向充填完成；第23～48 s，水流沿顺时针方向流动，6～10号位置管袋高度持续增加直至最高，袋体内充满沙水混合物，管袋的高度和形状不再发生变化，此时管袋充填完成。结束充填，袋体内部开始排水，管袋高度下降直至稳定。

将每个点位所在的横截面沿横向平均分为两部分，测量每部分沿横向的中间点（截面的4等分点）的管袋高度；由图5（b）可知，每个中心点所在横截面共测得5个高度数据，因此每种工况下可得到60个高度数据。

由于以2.43和2.55 m/s的速度充填后高度基本一致（图6），这两种充填速度下充填后的高度与充填速度v无关，将以2.43和2.55 m/s速度充填后的位置高度与半径r、弧度θ进行拟合。

图9为参数r和θ的定义。图9中：以东西方向为基准线，以环式管袋中心为坐标原点，记录每个点位的半径与角度；每次充填结束后，记录每个点位的高度。

应用随机森林算法对逆时针充填方式下充填后的管袋高度进行模拟预测，其中自变量为各点位的半径r、角度θ。图10为随机森林算法参数率定过程，以及管袋充填后高度模拟结果。图10中，R²为决定系数。

模型预测性能的优劣程度使用均方误差（MSE，记为M_SE）来进行评估，定义如下：

M_{\mathrm{S}\mathrm{E}}=\frac{\mathrm{1}}{n}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(y_i-{\widehat{y}}_i{)}^{\mathrm{2}}（1）

式中：y_i 为第i个样本实际值；\widehat{y}_i 为第i个样本预测值；n为样本数量；M_SE为估计量与被估计量之间差异程度的一种度量，值越小模型预测性能越好。

逆时针充填时，测得4种充填速度下管袋充填后高度数据为240个，随机选取75%数据（180个）进行建模，剩余25%数据（60个）进行验证。

随机森林算法模型能够准确模拟管袋充填后的高度，M_SE值为5×10^-5；当m为2时，精度最高，R²为0.980。由于土工管袋是对称的，逆时针充填结论同样适用于顺时针充填。

2.2 径向充填

图11为不同流速下径向充填后管袋高度。由图11可知：管袋充填后高度H均匀且维持在较高水平；当充填速度为2.43 m/s时，充填效果较好。其中，1～4号充填高度依次增加，6～10号高度依次减少，5号位置高度低于相邻点。当充填速度为2.55、2.66和2.77 m/s时，管袋充填不均匀，效果较差。其中，当充填速度增加至2.55 m/s时，4～6号位置高度为0，1～3号位置高度依次减小，7～10号位置高度依次增加；当充填速度为2.66和2.77 m/s时，1～4号位置高度依次减小，8～10号位置高度依次增加。

图12为低充填速度径向充填机制。由图12可知，径向充填条件下充填速度为2.43 m/s时，水流同时向两侧流动，在5号位置汇合，泥沙颗粒逐渐开始淤积，淤积至一定程度之后，袋体内充满沙水混合物，此时袋体内压力增大，两侧均推动泥沙颗粒向前移动，逆时针推动至4号位置，顺时针推动至6号位置，袋体随之再次被迅速充满，因此，1～4号高度依次增加，6～10号高度依次减小。

图13为高充填速度径向充填机制。由图13可知：充填速度增大后，充填管口正对管袋内侧，水流撞击管袋动能损失一部分后，水流按一定角度流向两侧；充填速度增加后，出沙量也随之增多，此时泥沙颗粒迅速在充填袖口附近淤积，导致水流运动受阻，运动距离也随之降低，袋体被迅速充满。因此，管袋两侧从3、7号位置分别淤积至1、10号位置，高度依次增加。

径向充填条件下管袋充填后高度模拟结果如图14所示，应用随机森林算法对径向充填方式下充填后管袋高度进行模拟预测，模型模拟结果较为精确，其中：M_SE值为3×10^-4 m²；当m为26时，R²为0.801。

2.3 竖直充填

4种充填速度下竖直充填后管袋高度如图15所示。由图15可知，当充填方式为竖直充填时，4种充填速度下充填后高度H基本一致，充填后管袋高度与充填速度无关。

当充填方式为竖直时，随着充填速度的增加，4种充填速度下均呈现出1～2号位置高度依次降低，7～10号位置高度依次增加，3～6号位置高度为0的状态。

竖直充填机制如图16所示。由图16可知，竖直充填机制下，水流竖直撞击靠近地面的管袋内侧，流速大幅减小，泥沙迅速在充填袖口附近淤积，水流运动受阻，导致运动距离较短。因此，1～2号位置高度依次降低，7～10号位置高度依次增加。

竖直充填条件下管袋充填后高度模拟结果如图17所示。由图17可知：模拟结果能准确预测管袋充填后高度，其中：M_SE值为2×10^-5 m²；当m为1时，R²为0.991。

土工管袋在淤泥脱水、修建尾矿坝等工程中已有广泛应用，大量工程应用都证明使用土工管袋建造尾矿坝和围堰等具有结构造价低的特点^[36‒38]，但之前所用到的土工管袋都是直筒形的。本文所用到的环状管袋与直筒形土工袋管袋只有形状上的差别，与其在材料造价和充填技术上都没有差别，据此可以推论环式土工管袋同样具有造价低的特点。

2.4 管袋充填后实物图及厚度云图

综上可知，在逆时针充填条件下，当充填速度为2.77 m/s时，管袋充填后效果较好。为更直观对比反映管袋充填后泥沙分布情况，以充填方式为逆时针、径向、竖直，充填速度为2.77 m/s时的管袋充填为例，给出管袋充填后实物图、厚度云图，分别如图18和19所示。

由图18和19可知：当充填速度为2.77 m/s时，逆时针充填方式下管袋充填后泥沙颗粒明显分布较为均匀；径向充填和竖直充填方式下管袋充填后泥沙颗粒分布极不均匀，这表明逆时针充填效果较好。

3 结 论

本文通过室内充填试验，揭示了环式土工管袋在不同充填方式条件下，不同充填速度的充填机制，对后续推广示范工程具有重要参考价值。根据试验结果得出如下结论：

1）在逆时针充填的情况下，当充填速度为2.43、2.55 m/s时，挟沙水流首先向逆时针流动，此时运动距离较短，泥沙开始淤积，淤积至充填袖口附近时，挟沙水流运动受阻，水流开始向顺时针方向流动，泥沙开始淤积直至充填结束，两种流速下充填效果均较差。当充填速度增大至2.66 m/s时，挟沙水流逆时针运动距离随之增加，充填机制与2.43和2.55 m/s相似；当充填速度增大至2.77 m/s时，挟沙水流同时向两侧进行充填，此时逆时针方向起主导作用，当淤积到一定程度后，开始以顺时针方向为主导进行充填，充填后效果较好。

2）在径向充填的情况下，当充填速度为2.43 m/s时，挟沙水流撞击管袋内侧同时向两侧进行充填，此时出沙量缓慢，挟沙水流运动距离较远，充填效果较好；当充填速度增大至2.55、2.66和2.77 m/s时，挟沙水流撞击管袋后速度降低，流速增大后出沙量增多，充填袖口两侧1、10号位置泥沙迅速淤积，挟沙水流运动受阻，导致运动距离减小，充填效果较差。综上，径向充填时，充填速度为2.43 m/s时，充填效果最佳。

3）在竖直充填的情况下，当充填速度从2.43 m/s增大到2.77 m/s时，管袋充填高度基本一致；挟沙水流竖直撞击管袋靠近地面一侧，此时挟沙水流流速大幅降低，泥沙在充填袖口两侧迅速淤积，导致挟沙水流运动受阻，运动距离减小，泥沙均在充填袖口处聚集，充填效果较差。综上，竖直充填时，4种充填速度下的充填效果均较差，且充填后高度与充填速度无关。

4）对比分析12种工况下管袋充填后效果，逆时针充填条件下且充填速度为2.77 m/s时，管袋充填后平均高度最高，为0.09 m，充填效果最佳。

5）基于机器学习原理，应用随机森林算法模型预测3种充填方式下管袋充填后高度，结果均较为准确。

现有研究从不同充填方式条件下管袋充填后高度的变化来研究小型环式土工管袋充填机制。未来，将开展环式管袋内部埋设压力计的大型室外充填试验，研究充填过程中大尺寸袋体内部压力的变化，进一步研究大尺寸环式土工管袋充填机制。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2023YFC3206203)

黄河水利委员会优秀青年人才科技项目（HQK‒202312）

河南省优秀青年科学基金项目(232300421065)

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目（HKY‒JBYW‒2021‒1）

黄河水利委员会黄河水利科学研究院推广转化基金项目（HKY‒YF‒2022‒03）

国家自然科学基金面上项目(52379066)

北京江河水利发展基金会水利青年科技英才项目(JHYC202306)