格賓石籠性能測試及在河道護岸中的應用

閆武宏

(忻州水利建設投資有限公司，山西 忻州 034000)

河流是生命之源，而河道是一個城市防洪排澇，水力發電的關鍵所在。目前一些現狀河道受到河流侵蝕沖刷的影響難以滿足防洪和岸坡穩定性的需求。傳統護岸治理一般利用混凝土、砌塊等硬質材料對岸坡進行護砌，提高岸坡穩定性，但是破壞了岸邊的生態環境和水土保持。近年來，為建設美麗中國，全新的生態治理護岸結構進入大眾視線[1-2]。常根朋[3]等利用雙排樁實現了護岸防沖刷保護，保持岸坡穩定性；李旭[4]分析了生態袋對河道護岸工程治理的影響；李芳[5]研究了格賓網石籠護岸在塔里木河河道治理中的應用等。由于國內關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、工程上的技術要求還沒完善，不利于格賓石籠的進一步推廣和應用。本文以烏馬河太谷縣河道治理工程為依托，對格賓石籠的結構性能及施工應用進行研究，驗證河道治理適用性。

1 格賓石籠護岸工程

1.1 河道護岸技術

河道護岸工程能滿足防洪和岸坡穩定性需求。通過試驗和工程實踐，一些常見的護岸技術有各自優勢和不足以及適用條件，見表1。

表1 常見護岸技術

1.2 格賓石籠護岸技術

格賓石籠又稱格賓網或石籠網，它是由類似蜂巢狀的鉛絲或鍍鋅網片組裝而成，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

實際工程中，格賓石籠同時具有格賓的柔性和石籠的剛性，抗變形能力較強。附近填土環境發生變化時，能夠根據自身的柔韌性和耐磨性隨之進行調整，適應新的基礎狀態而不坍塌[8]。格賓石籠結構穩定，整體性強，即使在使用過程中有一兩根鋼絲斷裂，籠內的塊體也不會外漏，不會破壞整體性以及減少使用壽命。另外格賓石籠的外圍是網狀結構，且填充材料石塊之間具有一定的間隙，有利于水自發地從空隙中排出，透水性強；也能為生物提供生存條件，增加生物多樣性。在施工方面此技術工藝簡單，無需大型設備和特殊技術，不僅加快了施工進度，也節省了造價成本[9]。

1.3 工程概況

烏馬河是汾河的二級支流，河道全長83.0km，流域面積1730km2，主槽寬約300m，水深約0.5m。目前，河道存在主要問題之一為無防護工程，防洪能力不足，生態環境被破壞。

因此為積極響應水生態文明建設，同時根據烏馬河的實際情況，如占地面積、地基條件、施工技術、成本管控等因素，烏馬河河道治理護岸工程選擇了格賓石籠結構來解決河流侵蝕沖刷的影響，保護河道生態環境。主要建設內容為大白村南至沙溝村南(樁號8+800～11+650)，總長427.38m。

2 格賓石籠結構性能測試

格賓石籠由鍍鋅網片組裝而成，網片及網箱的材料選擇是提高護岸工程質量的關鍵，也是格賓網護岸施工及驗收的依據。因此有必要對結構性能進行測試研究，建立網片和網箱的測試方法。

2.1 格賓網片性能測試

2.2.1網片規格

本項目使用格賓網的廠家通過雙絞方式將強度高的鋼絲或鉛絲編織成網片狀，因此對網片材料要求較高，格賓網片的規格及其性能要求見表2。

表2 格賓網片規格及性能要求 單位：mm

2.2.2抗拉試驗

從不同規格的網片上剪下1m×1m尺寸的試件，將網片試件放入試驗機中，機器夾緊鋼絲網，使其仍然能夠保持初始幾何特征，記錄網片的初始尺寸；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首次斷裂，并記錄此時伸長率、斷裂方式、抗拉強度等有關信息。試驗結果見表3。

試驗一式三份，由表3可知，隨著網目尺寸和網絲直徑的增加，網片的抗拉強度也增強；各類型伸長率類似，范圍在9%～14%。

表3 格賓網片試驗結果

2.3 格賓網箱性能測試

2.3.1網箱規格

格賓網箱是由網片綁扎拼接成蜂巢狀的箱體，數個格賓網箱再通過相同材質進行緊密綁扎，連續拼裝成一個整體，此外現場還利用隔片將網箱分成間隔1m的格室，長寬高規格見表4。

2.3.2抗壓試驗

選擇表4規格的網箱試件，一式三份。利用萬能試驗機對網箱進行壓力測試，試驗施加荷載的速率為5mm/min，當網箱承載力達到最大，出現破壞現象時試驗機停止加載。測試過程考慮了試驗機不斷施加荷載導致網箱逐漸變形的過程以及網箱試件的承載力峰值及峰值強度，壓后壓前的周長比，試驗后最大裂口長度等。

由表4可知，各類型網箱的承載力峰值強度基本滿足河道護岸所需承載力。網箱承受壓力時形狀也出現明顯的變形，起初網箱承受壓力時，會對填石進行略微調整，同時網片出現變形；接著網片抵抗力產生作用，網箱整體結構變得堅硬，最后抵抗力達到峰值后填石內部出現破壞，并逐步擴大區域，同時單根網絲破裂；最后直至整個網片斷裂，石塊散落，試件不能承受進一步荷載而最終破壞。

表4 格賓網箱規格及試驗結果

3 格賓石籠施工技術

國外將格賓石籠用于支擋防護或者護岸工程已經相當普遍，近年來國內也開始應用。由于在此施工和設計方面沒有相應的完整規范，因此制約了格賓石籠在我國河道治理中的大量推廣。為此結合烏馬河河道治理工程項目，針對格賓石籠施工進行進一步探討并提出施工指南。

3.1 施工準備

施工單位開工前應做好施工準備，如圖2所示。

圖2 施工準備示意圖

3.2 格賓石籠選材

3.2.1格賓網箱

本工程根據烏馬河實際情況以及網片和網箱不同規格的結構測試結果(見表3—4)，采用2種規格的格賓石籠網箱，其中規格一為2m×1m×0.3m(長×寬×高)，網目80mm×100mm；規格二為2m×1m×0.5m(長×寬×高)，網目100mm×120mm；網箱由厚度為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，網絲直徑2.7mm，扎絲直徑2.2mm。護岸底高出主槽頂0.5m，主槽深度為0.8m。斷面設計如圖3所示。

圖3 鉛絲石籠護岸標準斷面圖

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量。填石的一般要求有：石塊的表面干凈，質地堅硬，沒有風化現象，比重大于2.4t/m3。填石級配均勻且填石后的空隙率小于30%。為防止石塊從網箱中散落，填石尺寸應在1.5D～2.0D(D為網目中心間距)。

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

3.3 施工要求

3.3.1基面處理

格賓石籠施工前應該按照設計圖紙和相應的施工規范對基面嚴格進行壓實處理，保證其平整密實，達到工程質量驗收標準后再進行后續施工。

3.3.2土工布鋪設

在基面處理完成后進行土工布的施工。土工布規格300g/m2，鋪設應與土面密切接觸，面層不緊繃，搭接時保證縫線整潔規則、無雜物，且在坡面的搭接寬度大于0.3m。鋪設工序滿足設計及《堤防工程施工規范》要求，經驗收合格后進行格賓石籠施工。

3.3.3格賓石籠施工

根據設計圖紙和相應的施工規范向廠家定制合適的格賓網，折疊運輸至施工現場后將各個構件如前后網片和隔片進行拼裝。間隔網片與網身應呈90°后再組裝綁扎成矩形狀網箱。每隔15～20cm用同質雙股以上的鍍鋅鉛絲將組合好的相鄰格賓網箱連接形成一個整體。

在格賓網安裝完成后進行石塊填充。用挖掘機將密實、堅硬、抗風化的石料投放到格賓網中，再由機械或人工整理壓實。各個格賓網箱每次須同時均勻地填筑厚度為20～30cm的石塊，逐層填充。再用細碎石充塞網箱中有縫隙的地方，外部袒露部位的石料應該保證整齊美觀[10]。

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

3.4 實施效果

烏馬河太谷縣段河道治理護岸工程中使用的格賓石籠綜合成本(310元/m3)較其他工程護岸技術(400元/m3)節省了22.5%，施工工期減少了8d。目前格賓石籠已經投入使用約半年的時間，其效果較好，整體穩定性強，岸坡基本保持完好狀態。格賓石籠護岸技術的實施不僅實現了岸坡的抗沖刷能力，也實現了河道的生態要求和美觀要求，當地政府和人民給與了較高的評價。

4 結語

(1)比選了常見的護岸技術、測試了格賓石籠結構性能，與傳統混凝土等硬質結構相比，格賓石籠能很好適應河流環境變化，從結構性能來看抗變形能力較強。

(2)在烏馬河太谷縣段河道治理中應用格賓石籠技術能有效解決成本高、生態環境差等問題，實現河流系統和生態系統的能量交換，不僅提高了工程質量，加快了工程進度，而且增加了河流的生物多樣性。

(3)但在實際施工中需要通過工藝措施、材料選購的質量以及施工技術等來充分發揮格賓石籠的價值。