軟基上格賓石籠擋土墻設計及其適用條件探析

王民俠

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

石籠技術具有“重而不陷、擊而不反、硬而不剛、散而不亂”的優異性能，與砌石、素混凝土等不能承擔拉應力的圬工工程比較，柔性的石籠結構具有只發生彎曲變形而不致脆性斷裂的優點，可承受一定拉力并防止結構性失效失穩，越來越得到廣泛應用。為使石籠具有抗腐、耐磨、高強的性能，幾千年來人們不斷研究和探索籠箱材質，先后采用了竹蔑、柳條、格賓網（包括低碳鋼絲、鍍鋅低碳鋼絲、5%或10%鋁- 鋅稀土合金鍍層鋼絲或同質包覆聚合物鋼絲，鍍鋅覆膜、鍍高爾凡覆塑的低碳鋼絲）等，竹蔑、柳條使用壽命僅1 a～2 a，水下工程中已經很少使用，本文結合三原清河護岸工程設計探析格賓網石籠的適用條件。

1 研究背景

陜西省三原縣清河護岸工程屬城市河道防護工程，治理范圍為古龍橋至池陽橋，護岸長度為3.61 km。治理區河道岸坎高出河床25 m 左右，護岸為5 級建筑物，擋墻高度6 m，防洪標準為10 a 一遇，相應洪峰流量375 m3/s[1]。

2 基本資料

工程區河谷呈“U”型，谷底寬度100 m～130 m，河道內遍布池塘濕地，岸線沿黃土斜坡下部前緣布設，兩岸有多處泉水出露，泉水分布高程在395.0 m～405.0 m。擋土墻基礎坐落在粉質壤土和淤積厚度8 m～10 m 的淤泥質壤土中，擋土墻墻頂高程為399.20 m～398.12 m，墻基高程為393.20 m～392.12 m，泉水出露高程位于墻后中上部，流量一般0.5 L/min～2.0 L/min。護岸沿線漫灘地下水位埋深0～1.0 m。石料場位于涇陽縣安吳鎮羅圈梁村，巖性為奧陶紀灰巖，運距12 km。

3 擋土墻設計

3.1 擋墻型式確定

根據本工程建筑材料及地形地質條件，選擇格賓石籠擋土墻、M7.5 漿砌石擋土墻和自嵌式加筋土擋墻三種型式進行比選。選取左岸代表性的D10～D11 斷面之間161.33 m 長度進行擋墻型式比選，比較結果見表1。

淤泥質壤土地基承載力低、變形量大、工程性能差、泉水及地下水出露較高、施工中存在水下施工均是制約本工程擋墻型式選擇的不利因素。從表1 可以看出，格賓石籠擋土墻具有良好的透水性、軟基適應性、方便水下施工及造價較低的優點，是適合本工程的較優型式。

擋墻高度6 m，墻底寬4 m，墻頂寬0.5 m，共布置六層石籠，高度均為1 m。第一層箱體寬度4 m，由2 個2 m×1 m 箱體組成，第二層由2 個1.5 m×2 m 箱體組成，第三層由2 個1.25 m×3 m 箱體組成，第四層由一個2 m×2 m 箱體組成，第五層由一個1.5 m×3 m 箱體組成，第六層由“L”型箱體組成，頂寬0.5 m，底寬1 m。橫剖面設計見圖1。

圖1 三原縣清河格賓石籠擋墻橫剖面圖

表1 擋墻型式比較表

3.2 軟基處理

擋墻基礎坐落在淤泥質壤土中，軟塑，干密度ρd=1.4 g/cm3，壓縮系數a1-2=0.65 MPa-1，壓縮模量E1-2=3.5 MPa，是高壓縮性土。飽和快剪抗剪指標為：C=20 kPa，φ=12°，滲透系數:Kv20=8.07×10-6cm/s，Kh20=2.8×10-6cm/s，允許水力坡降J允=0.35，承載力fk=80 kPa。常用的軟基處理方法有開挖法和拋石擠淤法，本工程為線性工程且擋墻高度6 m，為節省工程投資，對厚度2.0 m 以內的淤泥質壤土，進行全部挖除，將基礎置于下部粉質壤土中。厚度2.0 m 以上時，利用本工程臨近縣城，建筑垃圾較多的特點，采用拋填磚塊、廢棄建筑垃圾等進行擠淤碾壓至擋墻基礎高程，再進行格賓石籠墻體施工。

3.3 格賓材質選擇

格賓網由于鍍層或包覆材料及鋼絲材質的不同導致使用壽命差異較大，一般為5 a～50 a。電鍍鋅低碳鋼絲（也稱鉛絲，鍍鋅量10 g/m2），可用在使用年限要求0.5 a 以內的搶險等一次性工程中；防腐性能一般的普通熱鍍鋅鋼絲（鍍鋅量65 g/m2）可用在使用年限5 a 以下的圍堰等臨時工程中；防腐性能較強的高熱鍍鋅鋼絲（鍍鋅量245 g/m2）可用在使用壽命15 a 以下的工程中；防腐性好的5%或10%鋁- 鋅稀土合金鍍層鋼絲或同質包覆聚合物鋼絲，可用在使用年限要求30 a～50 a 的工程中。格賓石籠的優點之一在于可以根據不同要求選用不同格賓材質。對于永久工程，嚴禁采用不具備防銹功能的Q195、Q215 低碳鋼絲。

本工程5 級護岸，合理使用年限為20 a，格賓網箱采用10%鋁- 鋅稀土合金鍍層鋼絲。合金鋼絲的選擇關鍵在于合金鋼母材，母材中加入0.3%～0.6%鉻（Cr）可解決防銹問題；加入0.001%～0.003%的硼（B）可提高淬火后鋼材截面內組織和性能的均勻性，節約大量貴重合金元素，節約成本；加入0.1%～0.4%硅（Si）元素可滿足抗張力彈性、耐熱性和耐腐蝕性、有效脫氧；合金鋼絲表面鍍鋅，可解決穩固周期屏蔽，避免加工、運輸及施工中破損。

3.4 填充石料要求

（1）孔隙率

重力式擋土墻要求較小的變形量，可借鑒以重力和變形控制穩定的堆石體要求。《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）第4.2.6 條規定，用孔隙率作為堆石料設計控制填筑指標，孔隙率宜為20%～28%[2]；《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL 228-2013）第4.2.2 條規定，堆石料孔隙率可采用20%～25%（干密度2.16 g/cm3～2.00 g/cm3）[3]。滲透系數一般在1×10-2cm/s～1×10-4cm/s 之間。大壩的堆石體需重型設備多次碾壓才可達到要求的空隙率，籠箱裝石沒有碾壓條件，僅靠合理級配充填孔隙，孔隙率要求一般要低于大壩工程，本工程孔隙率采用25%～30%，干密度采用2.0 g/cm3～1.9 g/cm3。

（2）石料原巖質量技術要求

對處于水下或潮濕環境的格賓石籠，裝籠石料原巖飽和抗壓強度＞30 MPa，軟化系數＞0.75，凍融質量損失率＜1%，干密度＞2.4 g/cm3。

3.5 墻背填料設計

格賓石籠重力式擋墻墻背優先填筑抗剪強度較高的砂礫料[4]，在砂礫料缺乏地區，也可采用土料回填，墻背填料與石籠料之間須滿足反濾要求。當墻背填料為粘性土時，在墻背鋪設反濾土工布往往因破損較多而導致反濾失效，土料與格賓籠之間采用砂礫料反濾。

3.6 墻體沉降量控制

由于格賓石籠具有較大的孔隙率，設計中可根據計算確定墻體沉降量，也可按墻身高度的3%～5%估算沉降量，由于格賓網是由工廠按設計尺寸加工的，為了不增加工程投資，最好在基礎開挖時考慮沉降因素。

3.7 墻體尺寸設計

為加工方便，格賓箱體一般做成規整尺寸斷面，擋土墻基礎按臺階狀設計，不做斜坡式基礎。在墻體分段中也適當考慮箱體尺寸，充分考慮施工和格賓箱體加工因素。

4 不宜采用格賓石籠擋土墻的情況

對于該新型材料結構，在適用范圍上存在一定局限性，以下工程應慎選格賓石籠擋土墻：

（1）使用年限30 a 以上的重要部位或重要工程；

（2）沖刷嚴重、變形控制要求嚴格的工程；

（3）當地石料缺乏需遠距離運輸的工程；

（4）具有防滲要求的建筑物；

（5）高度大于6 m 的擋土墻采用該型式時應充分論證；

（6）上部為素混凝土或漿砌石等污工結構物時，基礎不宜采用格賓石籠型式，其較大的變形量易導致上部剛性結構開裂變形；

（7）當厚度h≤0.3 m，流速v≥3.5 m/s～5.0 m/s 時，不宜采用格賓網墊護坡；當流速v≥6 m/s 時，不宜采用格賓籠石擋土墻。

5 結語

三原縣清河防護工程中曾采用漿砌石擋土墻和連鎖塊護坡防護等多種型式，漿砌石擋土墻在軟基上裂縫損毀嚴重，連鎖塊護坡在高地下水及大變形情況下剝離脫落。本工程格賓石籠擋土墻2016 年建成，至今已運行4 a，未發現破損失穩等，是適合于該地基的較優型式。作為一種新型材料，結合本工程應用提出以下三點建議：

（1）格賓網選材是決定工程質量及耐久性的關鍵環節。

（2）采用剛體極限平衡法進行抗滑穩定分析與實際受力與變形機理上存在較大差異，迫切需要統一的規范標準約束設計和施工。在相應規范頒布實施前，《廣東省中小河流治理工程格賓石籠應用技術要求（試行）》本，可作為設計及施工驗收的依據。

（3）格賓石籠孔隙率較大，易因淘刷變形導致墻體失穩，臨河擋墻墻高大于6 m 時應慎重選擇。