格賓生態護岸結構形式選擇及質量控制措施研究

陳正中

(江西省水利投資集團有限公司，江西 南昌 330029)

近年來，我國大力倡導綠色發展、生態發展，格賓石籠技術作為一種綠色無污染新技術，被逐漸推廣到河道治理中，并表現出了卓越的經濟效益與生態效益[1-2]。由于不同地區的氣候、地理、水文環境有著很大的區別，不同的格賓結構形式會產生不同的社會生態效益，如若形式和材料等選擇不善，反而會降低河道水質和工程效益。因此，需要針對不同地區的格賓生態治理護岸進行研究。

格賓石籠不僅可以有效治理河道，提高堤壩穩定性，還可以凈化水質、防止水土流失，保護周圍生態環境。李建杰，王國強，楊發業，袁朝中，吳曉明等分別對不同地區河道治理過程中的格賓石籠設計施工技術進行了研究，取得了一些有用的成果和結論[3-7]。北方地區由于冬季氣候寒冷，一年里有很長時間的冰雪天氣，對河道水質、護岸邊坡穩定等均會產生不同程度的影響[8]。我國大部分地區，其夏季和冬季氣溫、干濕度等相差較大，如何選擇格賓石籠結構形式，對河道治理的整體效益起著關鍵性作用[9]，同時，由于格賓石籠本身也具有一定的劣勢，如何避免和減小氣候環境等帶來的影響，合理的施工措施變成為主要控制手段之一，需引起各方注意[10-11]。

本文在總結前人研究理論和技術的前提下，對格賓石籠填料、結構形式的選擇進行了理論分析，同時針對江西獨特的地理氣候，進行了冬季寒冷環境下凍脹融沉分析，并提出了相應的施工質量控制措施，可為類似地區河道生態治理提供借鑒。

1 工程概況

贛江作為江西省境內最大河流、是長江的主要支流之一，流域面積83500km2。贛江流域夏季氣候溫和濕潤，冬季氣溫干燥寒冷，流域年平均氣溫為17.8℃，極端最低溫-12.5℃，年平均降雨量1660.9mm。

由于近年來開發管理中經常出現冬季蓄水不足，夏季容易害水澇的災害問題，最重要的是河岸邊坡水土不斷流失，影響周圍生態環境的有效維持與河道水資源的清潔，因此對該流域進行河道整治成為當前最主要的工作之一。贛江流域某支流整治工程，按100a一遇防洪標準治理，設計洪峰流量為186m/s，治理工程主要包括河道邊坡保護、河岸綠化、淤泥清理等工程，該區段河道平均寬度為9.7m，兩岸全長約4.7km，邊坡坡度較大，約1∶2.4，邊坡斜長3～7m。經過初步造價估算與設計，整個區段河道治理格賓石籠網護坡工程總量預計達到12315.17m3。

2 填料及結構形式選擇

2.1 試驗概況

填料主要考慮當地材料情況，充分利用建筑廢料原理，選擇粒徑在40～60 mm的花崗巖塊石、卵石以及廢建筑砌塊3種材料作為填料，其具體的物理力學參數見表1。同時設置U型河道模型，長×寬×高=6.08m×0.45m×0.15m，格賓網線直徑為1mm，網孔為3cm×3cm，模型裝置示意圖如圖1所示。采用連續動態運行為試驗方法，連續進行30d，分別在規定時間點采集模型中的水樣，然后進行水質檢測，包括N、P、TP以及微生物等分析；然后選取最佳填料，進行直立式、階梯式以及魚巢式3種結構形式下的水質影響分析，得出該河道格賓護岸的最佳填料結構形式。

表1 填料物理力學參數

圖1 試驗模型示意圖(單位：mm)

2.2 最佳填料分析

在連續30d運行試驗內，取水樣進行水質分析，結果如圖2所示。從圖2中可以看到：NO3-N的濃度隨時間呈“S”型曲線增長，當試驗時間進行至10～15d左右時，水中的NO3-N濃度大幅度增長，在試驗前期，卵石碎塊填料的NO3-N濃度與另外兩組填料濃度基本相等，但當試驗進行至25d后，NO3-N濃度明顯大于其它試驗組，表明在卵石填料作用下，微生物的硝化作用更強，反硝化生物難以大量繁殖，因此NO3-N濃度大大增加；對比TP去除率可以發現，3種填料下的去除率呈冪函數型增長，增長率在逐漸減小，且3種填料的去除率大致相當，由于格賓結構具有一定的孔隙，有利于水體流動，可為水生物生長創造條件，選擇對磷吸收能力強的植物可以在很大程度上保持對磷的高效去除；在TOC去除率上，3種填料基本呈線性關系增長，在前期，卵石的去除率略小于其他2組，當試驗進行至10d以后，卵石的去除率逐漸大于其他2組，這是因為卵石多微孔，具有較大的比表面積以及事宜的水分，可以為微生物的附著提供大量場所，從而使得TOC去除率更高。

綜合以上分析，認為選擇卵石作為格賓石籠網的填料，對于河道水質的凈化作用更好，更能發揮生態治理效益，故而卵石相比較而言為首選填料。

圖2 格賓填料對水質凈化效果影響

2.3 結構形式的選擇

基于上文分析結果，對直立式、臺階式和緩坡式卵石填料格賓護岸進行了水質的取樣分析，結果如圖3所示。從圖3中可以看到：在試驗進行30d后，NH3-N、TP、TOC 3種指標的去除率從大到小的排序為：魚巢式>階梯式>直立式，可見魚巢式結構在水質凈化方面的作用強于直立式和階梯式，這是因為直立式、階梯式和魚巢式的表面積分別為802、833、995cm2，相應的比表面積為0.8、0.83、0.99cm-1，由于魚巢式的比表面積最大，與水體的接觸面積也就越大，對水體中的N、P及微生物的清除效果也就越佳，故而魚巢式為最佳的格賓結構形式。

圖3 格賓結構形式對水質凈化影響

3 凍脹分析

圖4為現場試驗段的凍融深度的變化曲線，該試驗段的最大凍深為1.405m。同時對魚巢式卵石格賓進行了為期10個月的現場觀測(當年10月—次年8月)，觀測點設置在壩肩、渠坡上1/4處、渠坡1/2處以及渠坡下1/4處。從圖4中可知：凍脹量曲線隨時間呈先增后減的趨勢，最大凍脹量在次年1—2月，這時的溫度最低，因此凍脹量最大；對比不同位置處的凍脹量可以發現，格賓網墊護坡(格賓網墊護腳)的最大凍脹量在渠坡1/2處，為327mm，凍脹量為22.8%，格賓網墊護坡(格賓網箱固腳)的最大凍脹量也在渠坡1/2處，為314mm，凍脹量為22.1%；格賓網結構的最大殘余變形在渠坡1/2處，在渠坡上部會發生一定的融沉變形，表明格賓網具有很好的治愈功能，在凍融過程中，會自動調整自身的結構，尋找下一次的平衡點來適應凍融沉變形，能夠較好地適應凍脹損傷。

圖4 現場試驗段凍融深度的變化曲線

4 質量控制措施探討

在格賓網實際施工和運行過程中，對該河段格賓網缺陷進行了檢查和統計，總體而言存在通縫、厚度不夠、表面平整度不標準等，見表2。出現上述情況的主要原因在于：①由于格賓石籠網護坡技術是一項新技術，很多工人在工藝流程和質量上把控不嚴，導致人為的缺陷；②采集使用的石料沒有大致的平行面；③石塊粒徑過小，底部鋪砌不足；④施工環境影響，如雨天造成的嵌固松動、粘結度不夠等問題。這些問題或多或少影響了格賓網在河道治理過程中的生態治理效益。

表2 缺陷調查結果統計表

為了全面提高工程的生態治理效益，作者總結分析了工程中的一些實際經驗，同時在前人研究基礎上得出以下幾點格賓網質量控制措施[12-15]：

(1)現場管理。在實施工程前應積極組織單位進行研討會議，確定本次工程的現場管理人員，同時必須派遣2～3名工程管理經驗豐富、專業知識能力過關的專業人士前往管理。此外，通過不斷討論研究，制定嚴格有效的現場管理規章制度，以求現場管理工作等夠得到高效有序的執行。

(2)工藝措施。要對施工人員進行一定時間的崗前培訓，同時在施工前有必要參照其他區域格賓石籠技術施工經驗，制定合格有效的現場操作標準與技術交底書，施工前對現場工作人員集中進行書面技術交底，明確格賓石籠網技術護坡關鍵工序及施工工藝，并要求嚴格按技術交底書標準進行施工。

(3)材料進購管理。向材料供貨商明確質量標準，并派出專業的管理人員進行全程跟蹤，經試驗檢驗合格后方可使用。

(4)監督措施。強化監理監督機制，對現場施工不規范，如未掛線施工等問題應進行全面的管控和整治，建設管理方應加強現場的巡視工作。

5 結論

經試驗分析認為：采用卵石填料、魚巢式結構的格賓網護岸結構形式能夠發揮河道最大的生態治理效益，且能很好適應凍融沉變形，減小凍脹損傷破壞；綜合前人研究成果，結合現場工程經驗，認為應從現場管理、工藝措施、材料進購管理以及監督措施等途徑提升格賓網的質量和效益，研究成果可為類似地區的河道治理工作提供借鑒。