格賓石籠在某泄洪河道治理中的應(yīng)用

潘玉坤

（清遠(yuǎn)市清新區(qū)城區(qū)防汛工程管理所，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

0 引言

格賓石籠護(hù)坡工程是一種新技術(shù)應(yīng)用蜂窩狀石籠網(wǎng)形成箱形籠，加入石料等填充物后，可作為護(hù)岸的新技術(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的特點(diǎn)，格賓石籠的雙向收縮最大值較高，因此穩(wěn)定性指標(biāo)較高，可靠性也有顯著增強(qiáng)。與此同時(shí)，石籠所具有的結(jié)構(gòu)加固效果，不會受到河岸傾斜度所帶來的影響，所以，有著較高的安全系數(shù)。石籠自身的設(shè)計(jì)方案價(jià)格較低，可以充分滿足硬度不同的路堤承載力，而且有著良好的變形回彈性。石籠應(yīng)用于河岸護(hù)坡的結(jié)構(gòu)加固，可以提高河岸護(hù)坡可靠性，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的重要目的。

1 工程概況

泄洪安全通道的左岸堤防，是從洗沙閘出入口至水平頭核心區(qū)管網(wǎng)段交界處長約800 m，也是淠河干渠左岸的大堤。堤頂標(biāo)高是51.50～54.10 m，堤頂?shù)纳舷掠巫顪\處15 m，中下游寬度在200 m 左右。堤防坡的底部河槽的高程為40.32～43 m，原灘地的高程是在45.50～46 m。在一側(cè)的泄洪安全通道，堤頂與沙灘坡度比為1：3，沙灘與河岸坡角坡度比為1：2。由于路堤體斷面薄弱，路堤體回填質(zhì)量差，在閘門出入口中下游的路堤長度約100 m，但是較為薄，質(zhì)量也不行。但2002 年結(jié)構(gòu)加固后，壩頭核心區(qū)溢流壩與壩體防滲墻連成一體。堤岸兩側(cè)、臨河邊的壩坡進(jìn)行相應(yīng)的安全防護(hù)，始終在安全的運(yùn)行當(dāng)中。

2 格賓石籠護(hù)岸在泄洪河道治理中的設(shè)計(jì)分析

2.1 對比河道堤身的加固形式

按照石籠的用途進(jìn)行分類，所用的原材料也各不相同。通常情況下，石籠原材料均選用熱鍍鋅鋼絲，使用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行保養(yǎng)，具有超耐磨、高塑性、耐腐蝕等特點(diǎn)，可提高結(jié)構(gòu)加固的預(yù)期目標(biāo)。文章采用石籠結(jié)構(gòu)對壩基的護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，選擇使用的材料是高壓聚乙烯材料、鋅和鋼絲來緩解壩基護(hù)坡的侵蝕，延長其使用壽命。此外，文章設(shè)計(jì)的路堤體結(jié)構(gòu)加固方法為較為柔韌的格賓石籠。石籠的應(yīng)用，不僅可以應(yīng)對河岸護(hù)坡的透水性和坡度，還可以保證河岸邊坡的安全可靠。同時(shí)保證結(jié)構(gòu)加固包括維護(hù)壩基護(hù)坡的實(shí)際效果，既能應(yīng)對壩基護(hù)坡的維護(hù)和路堤的透水性，又能更好地結(jié)合壩基護(hù)坡的變形與回彈。進(jìn)一步降低工程項(xiàng)目造價(jià)，提高結(jié)構(gòu)加固效果。此研究從施工的難易度、加固效果、護(hù)坡特點(diǎn)、傳統(tǒng)混凝土加筋護(hù)坡、砌體結(jié)構(gòu)加筋護(hù)坡、石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固護(hù)坡等方面進(jìn)行了比較。根據(jù)具體情況，對比了文章設(shè)計(jì)方案中石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固的優(yōu)勢。詳見表1。

表1 三種護(hù)岸加固比較表

2.2 繪制格賓石籠加固護(hù)岸形式圖

根據(jù)河岸堤體的結(jié)構(gòu)加固方法，石籠結(jié)構(gòu)加固的實(shí)際效果較好。采用當(dāng)前護(hù)坡的右河堤，壩基與水平面間的坡度系數(shù)比為1：3，之后對石籠進(jìn)行鋪設(shè)。為確保石籠可靠性，此研究應(yīng)用的是雙層400 g/m2無紡?fù)凉げ几采w，厚度約1.50 m。沿上游方向每隔15 m安裝C20混凝土密封膠條，總寬0.50 m，深1.50 m。期間，石籠尺寸控制在4.50 m（4.00 m/3.50 m/3 m）×1.50 m×1 m，直徑：8.50 cm×12.50 cm。鋼絲的直徑約3.90 mm，其上面的鋁型材是由5.50%的鋁鋅合金材料和稀土層制成，其中鋁含量超過4.70%。石籠絲熱鍍鋅設(shè)計(jì)方案中鋅含量必須高于或等于260 g/m2，表層采用高壓聚乙烯原料拉絲。石籠與鋼絲的抗拉強(qiáng)度以及石籠變形率使與國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)相符。在現(xiàn)場的設(shè)計(jì)中，施工人員務(wù)必使用設(shè)備把鋼絲繞于石籠的四周，且纏繞的頻率在3 次以上，其作用是使鋼絲抗拉強(qiáng)度提高，損傷程度降低，確保取得良好的結(jié)構(gòu)加固效果。在石籠結(jié)構(gòu)加固中，網(wǎng)片中間應(yīng)無縫拼接，石籠的一般采用與鋼絲相同的材料制成，提高了連接的阻力，采用雙單絞置換的無接縫方式，使上下距離在100～150 mm 之間。另外，在石籠中，填料的最大密度應(yīng)為18～19 kN/m3，硬巖或是礫石的抗壓強(qiáng)度超過MU30，最佳的粒度分布是100～250 mm，結(jié)構(gòu)加固法如圖1。

圖1 格賓石籠加固護(hù)岸形式圖

如圖1 所示，在制定加固石籠結(jié)構(gòu)的護(hù)坡方法時(shí)，選擇用工業(yè)設(shè)備代替荷載的方法。先用人力在石籠的周圍擺放石塊，之后再使用挖掘機(jī)，石材使用人工進(jìn)行搬運(yùn)及放置，確保表面的平整與密封，相比于傳統(tǒng)的壩基護(hù)坡結(jié)構(gòu)加固法，此次設(shè)計(jì)的石籠施工箱簡單簡便，無復(fù)雜的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此外，石籠的高吸水率有利于少量水分的消化吸收，從而避免潮汐和洪水的褪色，有利于人類發(fā)展歷史的全面發(fā)展。此外，石籠在施工現(xiàn)場折疊運(yùn)輸組裝，節(jié)省運(yùn)輸成本。

2.3 制定格賓網(wǎng)箱加固流程

在寬平壩基邊坡防護(hù)中，選擇石籠擴(kuò)地之后，有3 個竣工驗(yàn)收方對工程進(jìn)行驗(yàn)收，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。結(jié)構(gòu)加固應(yīng)該保證質(zhì)量，同時(shí)出具與設(shè)計(jì)要求相符的檢驗(yàn)報(bào)告。此外，在加固壩基結(jié)構(gòu)中，需要按照設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固，確保壩基的平整、密實(shí)且無廢料。在結(jié)構(gòu)加固全過程中，如發(fā)現(xiàn)不符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)調(diào)查研究報(bào)告的，應(yīng)立即通知有關(guān)部門對河流進(jìn)行科學(xué)研究。用無紡?fù)凉げ己徒ㄖ摬目p制的土工布覆蓋鋼筋連接處，建筑鋼材的長度多為1 m。在對石籠網(wǎng)進(jìn)行加固的整個過程當(dāng)中，設(shè)置出默認(rèn)及需要維護(hù)的位置，并使用定位設(shè)備根據(jù)室內(nèi)空間總平面圖的X、Y坐標(biāo)建立坐標(biāo)的位置。 之后按照剖面圖，對壩基結(jié)構(gòu)加固的建筑標(biāo)高與總的寬度進(jìn)行明確，并按照工程施工勘察線進(jìn)行樁身鋪裝。一般情況下，壩基中的碎石可以就近進(jìn)行堆放；作為石籠加固的填充物，未使用的礫石需要回填到壩基當(dāng)中。在加固的全過程中，對土層的質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，若是發(fā)生變動，需及時(shí)通知相關(guān)的監(jiān)理人員。另外，當(dāng)?shù)锥税疾塾媒Y(jié)構(gòu)加固時(shí)，必須手動調(diào)整底槽的厚度，如果基礎(chǔ)墊的底部有尖銳的物體、突起和凹坑，將直接影響實(shí)際效果，且路堤邊坡的護(hù)岸加厚底部凹槽非常關(guān)鍵；或是在基墊層鋪設(shè)無紡?fù)凉げ?，以免破壞河岸護(hù)坡的效果，其在生成濾體的同時(shí)，也會將殘?jiān)鼮V除，提高結(jié)構(gòu)加固的實(shí)際效果。

2.4 計(jì)算格賓石籠加固的河道護(hù)岸穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)文章制定的石籠結(jié)構(gòu)加固處理工藝，將計(jì)算結(jié)構(gòu)加固后岸坡護(hù)坡的可靠性指標(biāo)值。由于河岸護(hù)坡可靠性的初步科學(xué)研究大多是在河岸上進(jìn)行的，因此對河道土層和水體的定量分析會導(dǎo)致結(jié)果略有不同。文章基于洪澇災(zāi)害的相關(guān)資料，深入研究工程項(xiàng)目當(dāng)中的邊坡防護(hù)可靠性，并采用圓弧法，其基本的原理是通過多次精確測量，找到圓弧面的最佳位置，進(jìn)而得到風(fēng)險(xiǎn)較大的旋轉(zhuǎn)面位置。在大壩基礎(chǔ)護(hù)坡加固改造中，經(jīng)過多次計(jì)算，發(fā)現(xiàn)有部分大壩基礎(chǔ)護(hù)坡缺失，對集中結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加固。當(dāng)壩基周圍的土層被破壞時(shí)，旋轉(zhuǎn)表面非常接近大多數(shù)螺旋，弧形回轉(zhuǎn)面的基本理論可能不大，但能有效地反映出回轉(zhuǎn)面的特征。所以，其能夠在具體的項(xiàng)目建設(shè)當(dāng)中得到應(yīng)用。

通常情況下，石籠有兩種尺寸，200 cm和150 cm。文章采用200 cm高的石籠對三層的石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測算。第一層寬高：100 cm×100 cm；第二層：150 cm×150 cm；第三層：150 cm×100 cm。因?yàn)槭\的上層是綠色生態(tài)土堤，河堤的比例為1：1.5。其計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2 格賓石籠計(jì)算簡圖

文中根據(jù)庫侖土壓力的計(jì)算公式，得到路堤周圍土層的工作壓力指標(biāo)，如公式（1）為護(hù)坡斷面計(jì)算方式：

式中：Ka—代表的是河岸附近的土質(zhì)壓力的系數(shù)；φ—代表的是土質(zhì)的交叉角（°）；α—代表的是護(hù)岸的墻背和河道之間的夾角（°）；β—代表的是護(hù)岸墻之后的填土面與河道之間的傾角（°）；δ—代表的是護(hù)岸墻背與河道間存在的夾角（°）。這個時(shí)候，運(yùn)用滑動穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式，可以計(jì)算出石籠的加固安全穩(wěn)定系數(shù)，如下。

式中：Sa—代表河道護(hù)岸的穩(wěn)定系數(shù)；γ代表的是河道土壤的最大容重（kN/m3）；H—代表室的是石籠墻的高度（單位：m）。

2.5 應(yīng)用效果

根據(jù)上述分析可以知道，不同的河坡，其所具有的安全穩(wěn)定系數(shù)，也各不相同。按照國家的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，河流的穩(wěn)定系數(shù)為1.20，此方法設(shè)計(jì)的系數(shù)，是在隨機(jī)坡度上計(jì)算的。根據(jù)式（1），河道與土層的夾角φ取18°；護(hù)岸的墻背面和河道夾角α取值0°；護(hù)岸的墻后所回填的土面和河道之間的傾角β是0°；背面與河道中間的夾角δ是23°；通過計(jì)算得出：Ka=0.52。而按照公式（2），河流土層的最大密度γ為18 kN/m3；石籠墻的相對高度H為2 m；則石籠網(wǎng)加固河岸防護(hù)的石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)Sa=1.48＞1.20。此外，按照以上公式，當(dāng)坡度分別是：25°、30°、35°、40°、45°、55°、60°、65°、70°的時(shí)候，傳統(tǒng)混凝土所具有的穩(wěn)定系數(shù)與此研究設(shè)計(jì)的系數(shù)比較，見表2。

如表2 所示，傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)加筋護(hù)岸穩(wěn)定性系數(shù)不大于40°時(shí)，分辨率指標(biāo)值高，超過國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1.20，壩基護(hù)坡穩(wěn)定性強(qiáng)。大于40°后，可靠性指標(biāo)值較低，均在1.20 以下。此時(shí)，大壩基礎(chǔ)安全防護(hù)的穩(wěn)定性相對較弱，不能合理抵御抗洪救災(zāi)和抗震救災(zāi)。但文中設(shè)計(jì)的石籠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加固邊坡防護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)值，從25°～70°，均高于國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1.20。根據(jù)這一發(fā)展趨勢，在安全穩(wěn)定的情況下，安全性是穩(wěn)定的。而且系數(shù)也會在1.20以上，屬于高度穩(wěn)定的河岸護(hù)岸，可以合理抗洪，符合文章的目的。

表2 不同坡度的安全穩(wěn)定系表

3 結(jié)語

綜上所述，石籠在泄洪治河工程當(dāng)中的有效應(yīng)用，不但充分地保留了河流原有的綠色生態(tài)結(jié)構(gòu)，又將生態(tài)廊道的功能充分地發(fā)揮出來。與傳統(tǒng)河堤護(hù)岸相比，施工簡單，造價(jià)低，加固的實(shí)際效果更好。經(jīng)測試，石籠護(hù)岸的穩(wěn)定性指標(biāo)長期保持在1.20 以上，證實(shí)了石籠加固護(hù)岸的安全系數(shù)和可靠性，主要表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展和環(huán)境效益。