高寒地區(qū)石籠護(hù)岸破壞形式及機(jī)理

馬玉軍 張勇 李俊 李鵬飛

摘 ?要：近年來，鉛絲石籠、格賓石籠作為生態(tài)型材料，因其適應(yīng)變形能力強(qiáng)、可冬季施工、可采用沉排方式對水下岸坡進(jìn)行護(hù)砌、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于北方高寒地區(qū)的護(hù)岸工程。但因高寒地區(qū)護(hù)岸基礎(chǔ)凍融、石籠受冰推、冰拔、冰切、水流沖刷等原因，產(chǎn)生不同形式的破壞，根據(jù)其破壞形式分析破壞原因，提出預(yù)防補(bǔ)強(qiáng)措施，以供類似工作參考。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū);石籠護(hù)岸;破壞

中圖分類號：TV49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0041-02

Abstract： In recent years， as ecological materials， lead wire stone cage and Gebin stone cage have been widely used in bank revetment projects in northern alpine areas because of their strong ability to adapt to deformation， construction in winter， protection of underwater bank slope by sunk row， green environmental protection and so on. However， due to the freezing and thawing of the revetment foundation in the alpine area， the stone cage is pushed by ice， ice pull-out， ice cutting， water erosion and other reasons， there are different forms of damage. According to the failure forms， the damage causes are analyzed， and the preventive and reinforcement measures are put forward， which can be used as a reference for relevant work.

Keywords： high and cold area; stone cage revetment; damage

引言

石籠護(hù)砌結(jié)構(gòu)最早起源于2000多年前的竹籠，李冰父子在都江堰工程中首次應(yīng)用，16世紀(jì)歐洲工程師采用意大利石籠（柳條籃）加強(qiáng)軍事炮臺和加固河堤，鋼筋材料廣泛應(yīng)用后，鋼筋石籠被應(yīng)用在工程中，隨著現(xiàn)在化工業(yè)技術(shù)發(fā)展，新工藝、新技術(shù)、新材料取代竹子、柳條和鋼筋，發(fā)展成為新型生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要有鉛絲石籠、格賓石籠。20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，我國南方地區(qū)江河堤防和水庫護(hù)坡、護(hù)岸工程開始使用，并逐步推廣。近年來，鉛絲石籠、格賓石籠作為生態(tài)型材料，逐漸應(yīng)用于北方高寒地區(qū)的護(hù)坡、護(hù)岸工程，并在黑龍江三江治理工程、界河護(hù)岸工程中得到廣泛應(yīng)用。

1 石籠結(jié)構(gòu)型式

石籠結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)箱和填充石料兩部分，網(wǎng)箱為格網(wǎng)綁扎組成的箱型結(jié)構(gòu)，格網(wǎng)為金屬線材采用機(jī)械編織成六絞狀、六邊形網(wǎng)孔的片狀結(jié)構(gòu)。金屬線材為抗腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度的低碳熱鍍鋅鋼絲、鋁鋅混合稀土合金鍍層鋼絲，包覆PVC或經(jīng)高抗腐處理的以上同質(zhì)鋼絲。填充石料就地取材，常見的有鵝卵石，碎石等，填充石料要滿足一定強(qiáng)度，同時(shí)保證填充密實(shí)度。石籠鋪設(shè)完成后，可在石籠表面覆蓋一層土壤或者待自然沉積形成土壤，就可以生長草等綠色植物，這樣不僅達(dá)到防護(hù)功效，而且綠化環(huán)境。

2 主要破壞形式

對黑龍江現(xiàn)狀護(hù)岸工程調(diào)查，總結(jié)發(fā)現(xiàn)石籠護(hù)岸破壞形式主要有3種。

2.1 護(hù)岸基礎(chǔ)破壞，石籠移位，整體穩(wěn)定破壞

護(hù)岸基礎(chǔ)破壞形式主要為凍脹破壞，護(hù)岸基礎(chǔ)破壞后，岸坡產(chǎn)生坍塌和滑坡，導(dǎo)致石籠整體塌陷或向河道方向滑動，整體受力平衡狀態(tài)被破壞，石籠結(jié)構(gòu)隨著岸坡變形、坍塌。

2.2 石籠網(wǎng)箱破壞，填充石料被水流沖散

石籠網(wǎng)箱破壞主要為格網(wǎng)本身破壞和格網(wǎng)連接破壞，高寒地區(qū)，冬季河道表面形成深厚的冰蓋，冰蓋形成過程中，對石籠護(hù)岸產(chǎn)生冰推作用，當(dāng)溫度連續(xù)升高時(shí)，冰蓋膨脹，擠壓石籠結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較大或壞應(yīng)力。

石籠護(hù)岸與冰蓋凍結(jié)在一起形成一定凍結(jié)強(qiáng)度后，氣溫驟降或河道水位上升或下降時(shí)，冰體收縮，冰蓋上移或下沉，對護(hù)岸產(chǎn)生強(qiáng)大的冰拔力，解凍期，由于河道中心水流流速大，河道中心處冰蓋較岸坡處冰蓋先融化，岸坡處冰蓋有隨水流流動的趨勢，同樣會產(chǎn)生強(qiáng)大的冰拔力。

待冰蓋融化一定程度后，石籠護(hù)岸與冰蓋分離，但冰蓋由于風(fēng)浪作用，會破碎形成冰凌塊，冰塊隨風(fēng)浪飄動，直接撞擊護(hù)岸，造成撞擊切割破壞。

在各種破壞應(yīng)力的作用下，石籠網(wǎng)箱箱體金屬絲或綁扎金屬絲斷裂，石籠網(wǎng)箱解體，填充石料被水流沖散，整個(gè)石籠護(hù)砌結(jié)構(gòu)破壞。

2.3 填充石料流失

石籠結(jié)構(gòu)在外力長期的作用下，雖然格網(wǎng)金屬線材沒有產(chǎn)生斷裂破斷，但石籠格網(wǎng)發(fā)生變形，部分網(wǎng)孔變大，同時(shí)填充石料在水流沖刷和冰凍的作用下逐漸崩解、塊徑變小，經(jīng)風(fēng)浪淘刷部分填充石料鉆出格網(wǎng)，被水流帶走，石籠內(nèi)填充石料體積逐漸減少，石籠塌陷，進(jìn)而破壞。

3 破壞機(jī)理

針對以上提出的三種破壞形式，分別分析其破壞機(jī)理，總結(jié)如下：

3.1 護(hù)岸基礎(chǔ)破壞機(jī)理

護(hù)岸岸坡土體含水率達(dá)到一定比例時(shí)，在負(fù)氣溫作用下，土體中水分變成冰的過程中，體積膨脹而使土體產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，經(jīng)反復(fù)凍融，部分岸坡土體出現(xiàn)隆起塌陷，甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，整個(gè)岸坡出現(xiàn)滑動、坍塌。

3.2 石籠網(wǎng)箱破壞機(jī)理

石籠網(wǎng)箱破壞機(jī)理主要為石籠護(hù)岸在冰蓋及流冰的作用下，受到冰蓋的擠壓力、冰拔力及冰塊的切割力。前兩種破壞力主要對石籠結(jié)構(gòu)的整體性，石籠在冰蓋的擠壓力和冰拔力作用下，局部石籠發(fā)生相對基礎(chǔ)面的滑動，出現(xiàn)局部隆起或塌陷。加大網(wǎng)箱之間的作用力，當(dāng)網(wǎng)箱之間的連接結(jié)構(gòu)損壞后，整個(gè)石籠結(jié)構(gòu)解體。

當(dāng)作用在鋼絲上的切應(yīng)力大于其抗沖剪強(qiáng)度時(shí)，鋼絲被切壞，網(wǎng)箱損壞，填充石料流失，護(hù)岸結(jié)構(gòu)破壞。

3.3 填充石料流失破壞機(jī)理

填充石料流失一方面是因?yàn)槭\結(jié)構(gòu)在外力長期的作用下，雖然格網(wǎng)金屬線材沒有產(chǎn)生斷裂破斷，但部分石籠格網(wǎng)發(fā)生變形，致使部分網(wǎng)孔變大。同時(shí)填充石料質(zhì)地不夠堅(jiān)硬或體積較小，在高速水流沖刷和冰凍的作用下，塊石之間不斷摩擦，水流不斷沖蝕，石料體積不斷減小，經(jīng)風(fēng)浪淘刷部分填充石料鉆出格網(wǎng)，被水流帶走，石籠內(nèi)填充石料體積逐漸減少，石籠塌陷，進(jìn)而破壞。

4 結(jié)束語

（1）石籠結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形能力強(qiáng)，可冬季施工，可采用沉排方式對水下岸坡進(jìn)行護(hù)砌，其上可以覆土長草，具有綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于北方高寒地區(qū)的護(hù)岸工程。

（2）石籠護(hù)岸雖然會產(chǎn)生各種形式的破壞，但可以通過采用相應(yīng)措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

a.護(hù)岸基礎(chǔ)破壞補(bǔ)強(qiáng)措施

采取適當(dāng)?shù)呐潘胧档桶镀峦馏w含水量，使其在進(jìn)入凍結(jié)期前，土體中含水率低于起始凍脹含水濾。在護(hù)岸基礎(chǔ)和石籠護(hù)岸之間設(shè)置過渡層，避免岸坡土體流失。

b.石籠網(wǎng)箱破壞補(bǔ)強(qiáng)措施

通過一定錨固措施，增加石籠護(hù)岸和岸坡基礎(chǔ)的整體，削弱冰蓋擠壓及冰拔力引起的局部石籠發(fā)生相對基礎(chǔ)面的滑動，降低網(wǎng)箱之間的作用力。適當(dāng)增加網(wǎng)箱網(wǎng)面鋼絲、邊絲及綁扎鋼絲直徑，增加石籠網(wǎng)箱之間的連接力和格網(wǎng)抗剪切破壞強(qiáng)度。

c.填充石料流失補(bǔ)強(qiáng)措施

一方面可以通過嚴(yán)格控制填充石料質(zhì)地及體積，增加其抗沖蝕和冰凍強(qiáng)度，一方面可以在石籠上覆土，待其形成植被，避免水流直接沖刷。

（3）綜上所述，石籠結(jié)構(gòu)是一種實(shí)用的護(hù)砌形式，通過采取一定措施補(bǔ)強(qiáng)后，可以防止各種冰凍荷載，適合高寒地區(qū)護(hù)岸工程。

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