格賓石籠性能測(cè)試及在河道護(hù)岸中的應(yīng)用

閆武宏

(忻州水利建設(shè)投資有限公司，山西 忻州 034000)

河流是生命之源，而河道是一個(gè)城市防洪排澇，水力發(fā)電的關(guān)鍵所在。目前一些現(xiàn)狀河道受到河流侵蝕沖刷的影響難以滿足防洪和岸坡穩(wěn)定性的需求。傳統(tǒng)護(hù)岸治理一般利用混凝土、砌塊等硬質(zhì)材料對(duì)岸坡進(jìn)行護(hù)砌，提高岸坡穩(wěn)定性，但是破壞了岸邊的生態(tài)環(huán)境和水土保持。近年來(lái)，為建設(shè)美麗中國(guó)，全新的生態(tài)治理護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)入大眾視線[1-2]。常根朋[3]等利用雙排樁實(shí)現(xiàn)了護(hù)岸防沖刷保護(hù)，保持岸坡穩(wěn)定性；李旭[4]分析了生態(tài)袋對(duì)河道護(hù)岸工程治理的影響；李芳[5]研究了格賓網(wǎng)石籠護(hù)岸在塔里木河河道治理中的應(yīng)用等。由于國(guó)內(nèi)關(guān)于格賓石籠的研究剛剛起步，而且偏重于施工工藝方面，其性能、工程上的技術(shù)要求還沒(méi)完善，不利于格賓石籠的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。本文以烏馬河太谷縣河道治理工程為依托，對(duì)格賓石籠的結(jié)構(gòu)性能及施工應(yīng)用進(jìn)行研究，驗(yàn)證河道治理適用性。

1 格賓石籠護(hù)岸工程

1.1 河道護(hù)岸技術(shù)

河道護(hù)岸工程能滿足防洪和岸坡穩(wěn)定性需求。通過(guò)試驗(yàn)和工程實(shí)踐，一些常見(jiàn)的護(hù)岸技術(shù)有各自優(yōu)勢(shì)和不足以及適用條件，見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)護(hù)岸技術(shù)

1.2 格賓石籠護(hù)岸技術(shù)

格賓石籠又稱格賓網(wǎng)或石籠網(wǎng)，它是由類似蜂巢狀的鉛絲或鍍鋅網(wǎng)片組裝而成，并填充石塊或卵石等塊狀材料[7]，如圖1所示。

圖1 格賓石籠示意圖

實(shí)際工程中，格賓石籠同時(shí)具有格賓的柔性和石籠的剛性，抗變形能力較強(qiáng)。附近填土環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，能夠根據(jù)自身的柔韌性和耐磨性隨之進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)新的基礎(chǔ)狀態(tài)而不坍塌[8]。格賓石籠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，整體性強(qiáng)，即使在使用過(guò)程中有一兩根鋼絲斷裂，籠內(nèi)的塊體也不會(huì)外漏，不會(huì)破壞整體性以及減少使用壽命。另外格賓石籠的外圍是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且填充材料石塊之間具有一定的間隙，有利于水自發(fā)地從空隙中排出，透水性強(qiáng)；也能為生物提供生存條件，增加生物多樣性。在施工方面此技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需大型設(shè)備和特殊技術(shù)，不僅加快了施工進(jìn)度，也節(jié)省了造價(jià)成本[9]。

1.3 工程概況

烏馬河是汾河的二級(jí)支流，河道全長(zhǎng)83.0km，流域面積1730km2，主槽寬約300m，水深約0.5m。目前，河道存在主要問(wèn)題之一為無(wú)防護(hù)工程，防洪能力不足，生態(tài)環(huán)境被破壞。

因此為積極響應(yīng)水生態(tài)文明建設(shè)，同時(shí)根據(jù)烏馬河的實(shí)際情況，如占地面積、地基條件、施工技術(shù)、成本管控等因素，烏馬河河道治理護(hù)岸工程選擇了格賓石籠結(jié)構(gòu)來(lái)解決河流侵蝕沖刷的影響，保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境。主要建設(shè)內(nèi)容為大白村南至沙溝村南(樁號(hào)8+800～11+650)，總長(zhǎng)427.38m。

2 格賓石籠結(jié)構(gòu)性能測(cè)試

格賓石籠由鍍鋅網(wǎng)片組裝而成，網(wǎng)片及網(wǎng)箱的材料選擇是提高護(hù)岸工程質(zhì)量的關(guān)鍵，也是格賓網(wǎng)護(hù)岸施工及驗(yàn)收的依據(jù)。因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行測(cè)試研究，建立網(wǎng)片和網(wǎng)箱的測(cè)試方法。

2.1 格賓網(wǎng)片性能測(cè)試

2.2.1網(wǎng)片規(guī)格

本項(xiàng)目使用格賓網(wǎng)的廠家通過(guò)雙絞方式將強(qiáng)度高的鋼絲或鉛絲編織成網(wǎng)片狀，因此對(duì)網(wǎng)片材料要求較高，格賓網(wǎng)片的規(guī)格及其性能要求見(jiàn)表2。

表2 格賓網(wǎng)片規(guī)格及性能要求 單位：mm

2.2.2抗拉試驗(yàn)

從不同規(guī)格的網(wǎng)片上剪下1m×1m尺寸的試件，將網(wǎng)片試件放入試驗(yàn)機(jī)中，機(jī)器夾緊鋼絲網(wǎng)，使其仍然能夠保持初始幾何特征，記錄網(wǎng)片的初始尺寸；接著裝置以每秒相同的增量(50mm/s)速度依次施加荷載，直到試件中的單根鋼絲出現(xiàn)首次斷裂，并記錄此時(shí)伸長(zhǎng)率、斷裂方式、抗拉強(qiáng)度等有關(guān)信息。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)一式三份，由表3可知，隨著網(wǎng)目尺寸和網(wǎng)絲直徑的增加，網(wǎng)片的抗拉強(qiáng)度也增強(qiáng)；各類型伸長(zhǎng)率類似，范圍在9%～14%。

表3 格賓網(wǎng)片試驗(yàn)結(jié)果

2.3 格賓網(wǎng)箱性能測(cè)試

2.3.1網(wǎng)箱規(guī)格

格賓網(wǎng)箱是由網(wǎng)片綁扎拼接成蜂巢狀的箱體，數(shù)個(gè)格賓網(wǎng)箱再通過(guò)相同材質(zhì)進(jìn)行緊密綁扎，連續(xù)拼裝成一個(gè)整體，此外現(xiàn)場(chǎng)還利用隔片將網(wǎng)箱分成間隔1m的格室，長(zhǎng)寬高規(guī)格見(jiàn)表4。

2.3.2抗壓試驗(yàn)

選擇表4規(guī)格的網(wǎng)箱試件，一式三份。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)網(wǎng)箱進(jìn)行壓力測(cè)試，試驗(yàn)施加荷載的速率為5mm/min，當(dāng)網(wǎng)箱承載力達(dá)到最大，出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時(shí)試驗(yàn)機(jī)停止加載。測(cè)試過(guò)程考慮了試驗(yàn)機(jī)不斷施加荷載導(dǎo)致網(wǎng)箱逐漸變形的過(guò)程以及網(wǎng)箱試件的承載力峰值及峰值強(qiáng)度，壓后壓前的周長(zhǎng)比，試驗(yàn)后最大裂口長(zhǎng)度等。

由表4可知，各類型網(wǎng)箱的承載力峰值強(qiáng)度基本滿足河道護(hù)岸所需承載力。網(wǎng)箱承受壓力時(shí)形狀也出現(xiàn)明顯的變形，起初網(wǎng)箱承受壓力時(shí)，會(huì)對(duì)填石進(jìn)行略微調(diào)整，同時(shí)網(wǎng)片出現(xiàn)變形；接著網(wǎng)片抵抗力產(chǎn)生作用，網(wǎng)箱整體結(jié)構(gòu)變得堅(jiān)硬，最后抵抗力達(dá)到峰值后填石內(nèi)部出現(xiàn)破壞，并逐步擴(kuò)大區(qū)域，同時(shí)單根網(wǎng)絲破裂；最后直至整個(gè)網(wǎng)片斷裂，石塊散落，試件不能承受進(jìn)一步荷載而最終破壞。

表4 格賓網(wǎng)箱規(guī)格及試驗(yàn)結(jié)果

3 格賓石籠施工技術(shù)

國(guó)外將格賓石籠用于支擋防護(hù)或者護(hù)岸工程已經(jīng)相當(dāng)普遍，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也開(kāi)始應(yīng)用。由于在此施工和設(shè)計(jì)方面沒(méi)有相應(yīng)的完整規(guī)范，因此制約了格賓石籠在我國(guó)河道治理中的大量推廣。為此結(jié)合烏馬河河道治理工程項(xiàng)目，針對(duì)格賓石籠施工進(jìn)行進(jìn)一步探討并提出施工指南。

3.1 施工準(zhǔn)備

施工單位開(kāi)工前應(yīng)做好施工準(zhǔn)備，如圖2所示。

圖2 施工準(zhǔn)備示意圖

3.2 格賓石籠選材

3.2.1格賓網(wǎng)箱

本工程根據(jù)烏馬河實(shí)際情況以及網(wǎng)片和網(wǎng)箱不同規(guī)格的結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表3—4)，采用2種規(guī)格的格賓石籠網(wǎng)箱，其中規(guī)格一為2m×1m×0.3m(長(zhǎng)×寬×高)，網(wǎng)目80mm×100mm；規(guī)格二為2m×1m×0.5m(長(zhǎng)×寬×高)，網(wǎng)目100mm×120mm；網(wǎng)箱由厚度為0.3或0.5m的鍍鋅鉛絲制成，鍍鋅量不小于245g/m。鉛絲石籠的邊絲直徑3.4mm，網(wǎng)絲直徑2.7mm，扎絲直徑2.2mm。護(hù)岸底高出主槽頂0.5m，主槽深度為0.8m。斷面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 鉛絲石籠護(hù)岸標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

3.2.2格賓石籠石塊

格賓石籠的耐久性部分取決于裝入的石料質(zhì)量。填石的一般要求有：石塊的表面干凈，質(zhì)地堅(jiān)硬，沒(méi)有風(fēng)化現(xiàn)象，比重大于2.4t/m3。填石級(jí)配均勻且填石后的空隙率小于30%。為防止石塊從網(wǎng)箱中散落，填石尺寸應(yīng)在1.5D～2.0D(D為網(wǎng)目中心間距)。

本工程石籠的填充材料采用MU40塊石，其強(qiáng)度高且耐久性好，雜質(zhì)含量少，符合質(zhì)量要求。它的粒徑為100～150mm，施工中大于網(wǎng)目大小的塊石超過(guò)了80%，質(zhì)量不小于30kg，其余用良好的細(xì)碎石填充，孔隙率小于30%。

3.3 施工要求

3.3.1基面處理

格賓石籠施工前應(yīng)該按照設(shè)計(jì)圖紙和相應(yīng)的施工規(guī)范對(duì)基面嚴(yán)格進(jìn)行壓實(shí)處理，保證其平整密實(shí)，達(dá)到工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行后續(xù)施工。

3.3.2土工布鋪設(shè)

在基面處理完成后進(jìn)行土工布的施工。土工布規(guī)格300g/m2，鋪設(shè)應(yīng)與土面密切接觸，面層不緊繃，搭接時(shí)保證縫線整潔規(guī)則、無(wú)雜物，且在坡面的搭接寬度大于0.3m。鋪設(shè)工序滿足設(shè)計(jì)及《堤防工程施工規(guī)范》要求，經(jīng)驗(yàn)收合格后進(jìn)行格賓石籠施工。

3.3.3格賓石籠施工

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和相應(yīng)的施工規(guī)范向廠家定制合適的格賓網(wǎng)，折疊運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后將各個(gè)構(gòu)件如前后網(wǎng)片和隔片進(jìn)行拼裝。間隔網(wǎng)片與網(wǎng)身應(yīng)呈90°后再組裝綁扎成矩形狀網(wǎng)箱。每隔15～20cm用同質(zhì)雙股以上的鍍鋅鉛絲將組合好的相鄰格賓網(wǎng)箱連接形成一個(gè)整體。

在格賓網(wǎng)安裝完成后進(jìn)行石塊填充。用挖掘機(jī)將密實(shí)、堅(jiān)硬、抗風(fēng)化的石料投放到格賓網(wǎng)中，再由機(jī)械或人工整理壓實(shí)。各個(gè)格賓網(wǎng)箱每次須同時(shí)均勻地填筑厚度為20～30cm的石塊，逐層填充。再用細(xì)碎石充塞網(wǎng)箱中有縫隙的地方，外部袒露部位的石料應(yīng)該保證整齊美觀[10]。

為了格賓石籠整體的穩(wěn)定性，每平方米內(nèi)設(shè)置4處水平拉筋，呈正反八字形。具體沿高度方向每25～30cm設(shè)置一道向內(nèi)拉筋，且每一拉筋以兩網(wǎng)目為間距并絞緊。

3.4 實(shí)施效果

烏馬河太谷縣段河道治理護(hù)岸工程中使用的格賓石籠綜合成本(310元/m3)較其他工程護(hù)岸技術(shù)(400元/m3)節(jié)省了22.5%，施工工期減少了8d。目前格賓石籠已經(jīng)投入使用約半年的時(shí)間，其效果較好，整體穩(wěn)定性強(qiáng)，岸坡基本保持完好狀態(tài)。格賓石籠護(hù)岸技術(shù)的實(shí)施不僅實(shí)現(xiàn)了岸坡的抗沖刷能力，也實(shí)現(xiàn)了河道的生態(tài)要求和美觀要求，當(dāng)?shù)卣腿嗣窠o與了較高的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)比選了常見(jiàn)的護(hù)岸技術(shù)、測(cè)試了格賓石籠結(jié)構(gòu)性能，與傳統(tǒng)混凝土等硬質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，格賓石籠能很好適應(yīng)河流環(huán)境變化，從結(jié)構(gòu)性能來(lái)看抗變形能力較強(qiáng)。

(2)在烏馬河太谷縣段河道治理中應(yīng)用格賓石籠技術(shù)能有效解決成本高、生態(tài)環(huán)境差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)河流系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的能量交換，不僅提高了工程質(zhì)量，加快了工程進(jìn)度，而且增加了河流的生物多樣性。

(3)但在實(shí)際施工中需要通過(guò)工藝措施、材料選購(gòu)的質(zhì)量以及施工技術(shù)等來(lái)充分發(fā)揮格賓石籠的價(jià)值。