朱潔 陸立國(guó) 顧靖超 王永平

摘要：黃河寧夏段因受特殊的自然地理?xiàng)l件影響，河勢(shì)擺動(dòng)頻繁，塌岸毀堤現(xiàn)象嚴(yán)重，威脅著兩岸人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。多年來(lái)，在岸坡防護(hù)工程中采用鉛絲石籠，存在鉛絲易銹蝕、斷裂等問(wèn)題。為改善傳統(tǒng)鉛絲石籠材料在工程應(yīng)用中的缺陷，采用土工格柵石籠替代傳統(tǒng)材料。以黃河中衛(wèi)段岸坡防護(hù)工程為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及變形監(jiān)測(cè)，分析土工格柵石籠在工程應(yīng)用中的防護(hù)效果，結(jié)果表明：變形絕對(duì)值小于40 mm的測(cè)點(diǎn)占測(cè)點(diǎn)數(shù)的94.4%，變形以微弱沉降為主，與傳統(tǒng)材料相比，土工格柵石籠具有抗沖能力強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鉛絲石籠；土工格柵；變形監(jiān)測(cè)；黃河

中圖分類號(hào)：TV871； TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.007

黃河寧夏段白中衛(wèi)市南長(zhǎng)灘翠柳溝入境，至石嘴山頭道坎麻黃溝出境，全長(zhǎng)397 km，屬?zèng)_積型河床。河槽橫向和縱向是多變與發(fā)展的，受其特殊的自然地理?xiàng)l件影響，大水漫灘、小水塌岸現(xiàn)象嚴(yán)重，威脅著兩岸人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。多年來(lái)，在岸坡護(hù)腳防護(hù)工程建設(shè)中采用鉛絲石籠材料，存在長(zhǎng)時(shí)間水中浸泡、鉛絲容易銹蝕斷裂，人工編制質(zhì)量難以保障等缺陷。土工格柵具有適應(yīng)性強(qiáng)、強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有大量工程采用了土工格柵新技術(shù)，且取得了良好的效果，如武都引水涪梓渠道選用土工格柵作為增強(qiáng)層材料，較大程度地減少了基礎(chǔ)沉降的差異，有效增強(qiáng)了渠堤表面邊坡的抗沖能力。鑒于此，結(jié)合黃河寧夏段特點(diǎn)，在防護(hù)工程中引進(jìn)了土工格柵替代傳統(tǒng)材料進(jìn)行工程施工。同時(shí)，土工格柵石籠在防護(hù)工程建設(shè)中應(yīng)用，也在一定程度上解決了黃河治理工程中的技術(shù)問(wèn)題。本文以黃河中衛(wèi)段岸坡防護(hù)工程為例，分析土工格柵石籠在工程應(yīng)用中的防護(hù)效果，為工程實(shí)踐提供技術(shù)支撐。

1 土工格柵石籠概況

1.1 土工格柵材質(zhì)

由規(guī)則的網(wǎng)狀抗拉條形帶加筋的土工合成材料稱為土工格柵，條形帶以高分子聚合物為主要原料，加入適量的防紫外線及抗老化助劑，先經(jīng)過(guò)熔融擠出而成塑料板材，然后經(jīng)過(guò)精密打孔、加熱、拉伸等一系列工序加工而成。

格柵石籠一般采用雙向格柵（見圖1），其是指在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)沿縱向（卷長(zhǎng)方向）、橫向（卷寬方向）兩個(gè)方向拉伸而成、由多個(gè)正方形網(wǎng)孔組成的整體網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。雙向格柵原料主要是聚丙烯（PP），整體幅寬一般為3m或4m，每卷長(zhǎng)50～100m。

1.2 土工格柵網(wǎng)目尺寸

土工格柵石籠是指在格柵網(wǎng)箱內(nèi)填充石料而成的結(jié)構(gòu)體。其填充材料應(yīng)根據(jù)工程所在地區(qū)建筑材料分布、工程造價(jià)、施工要求等選定，填充料常用卵礫石或塊石。填充料為卵礫石（含碎石）時(shí)，其最小粒徑應(yīng)≥6cm、最大粒徑不宜超過(guò)25cm，對(duì)有特殊要求的土工格柵石籠的卵礫石（含碎石）填料粒徑，經(jīng)論證后確定；填充料為塊石時(shí)，其最小粒徑應(yīng)≥12cm、最大粒徑不宜超過(guò)50cm，對(duì)有特殊要求的土工格柵石籠的塊石填料粒徑，經(jīng)論證后確定。從土工格柵石籠在寧夏水利工程中的應(yīng)用實(shí)踐看，填料粒徑≥12cm合理級(jí)配的卵礫石格柵石籠結(jié)構(gòu)體的平整度、密實(shí)度效果較好。

填充料級(jí)配應(yīng)結(jié)合料源、造價(jià)、施工等制定相應(yīng)方案，以滿足土工格柵石籠卵礫石填充率≥0.80、塊石填充率≥0.70的要求。同時(shí)，填充石料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬，軟化系數(shù)≥0.75，應(yīng)滿足卵礫石密度≥1.8L/m3、塊石密度≥2.2L/m3。在壩、垛基礎(chǔ)根石臺(tái)砌筑中，石籠體積一般為1.0m3或1.5m3，網(wǎng)目尺寸以40mmx40mm為主，常用的填充料與土工格柵網(wǎng)目尺寸關(guān)系見表1。

1.3 土工格柵性能

土工格柵具有較優(yōu)異的使用性能：變形模量大、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗老化、連鎖作用強(qiáng)，剛性大、長(zhǎng)期持續(xù)載荷作用下不變形，抗蠕變性能好。國(guó)內(nèi)常用雙向土工格柵的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。目前廣泛應(yīng)用于河道、溝道、渠道等水利工程中的護(hù)坡基礎(chǔ)、護(hù)基、軟基處理、坡面防護(hù)以及各種路基補(bǔ)強(qiáng)、邊坡防護(hù)、大型機(jī)場(chǎng)、停車場(chǎng)等永久性承載的地基補(bǔ)強(qiáng)。

1.4 土工格柵石籠加工工藝

土工格柵石籠加工采用裁剪搭接成籠方式，根據(jù)土工格柵的幅寬及設(shè)計(jì)石籠尺寸單獨(dú)形成石籠，針對(duì)不同部位格柵尺寸進(jìn)行下料加工。為保證石籠整體順直度，在便于安裝和節(jié)省材料的前提下沿長(zhǎng)度方向使用，將裁剪好的兩片格柵網(wǎng)縱橫搭接成工形，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度≥10cm：一般要求綁扎繩采用“之”字節(jié)點(diǎn)綁扎，穿繩間隔為2～3個(gè)網(wǎng)目，間距≤15cm；綁扎繩接頭扎成死扣，綁扎成格柵箱籠，籠體為三面綁扎成型，預(yù)留頂面為活面，石料裝填好后，將格柵頂蓋翻裹封頂，并將邊緣綁扎結(jié)實(shí)，綁扎的搭接長(zhǎng)度≥10cm。裝填后的土工格柵石籠應(yīng)基本達(dá)到填石飽滿，外形方正，扎口結(jié)實(shí)。

2 格柵石籠施工流程

本試驗(yàn)選址在仁存渡以上礫石河床，丁壩、人字垛、平順護(hù)岸的護(hù)腳傳統(tǒng)采用散拋塊石和混凝土四腳體混合，根石臺(tái)采用鉛絲石籠，坡面采用干砌塊石。本試驗(yàn)采用土工格柵石籠替代部分混凝土四腳體和鉛絲石籠進(jìn)行施工，并開展相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

2.1 壩垛護(hù)腳施工

土工格柵抗拉強(qiáng)度30kN/m、網(wǎng)目尺寸45mm×45mm，石籠規(guī)格有1.0mxl.0mxl.0m和1.0m×1.0mXl.5m兩種。施工流程：基礎(chǔ)處理一網(wǎng)片裁剪一網(wǎng)箱綁扎一石料裝填一格柵綁扎一拋投。

（1）基礎(chǔ)處理。對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行清理、整平、壓實(shí)，表面無(wú)樹枝、雜草、突出石塊等，以減少對(duì)格柵石籠的破壞。

（2）網(wǎng)片剪裁。常用的土工格柵整體網(wǎng)片寬度約為4.0m，網(wǎng)片剪裁除應(yīng)滿足網(wǎng)箱設(shè)計(jì)要求外，還要最大限度利用好土工格柵整體網(wǎng)片。常見的網(wǎng)片剪裁方案有二種：①多片剪裁。此種方式屬“量身定做”，制作網(wǎng)箱的格柵剪裁片數(shù)多、邊縫多、綁扎量大，但土工格柵整體網(wǎng)片利用率高，網(wǎng)箱外形平整。②少片剪裁。此種方式屬“包裹填料”，制作網(wǎng)箱的格柵剪裁片數(shù)少、邊縫少、綁扎量小，但土工格柵整體網(wǎng)片利用率低，網(wǎng)箱外形不平整、變形大。

（3）網(wǎng)箱綁扎。①綁扎間距。土工格柵網(wǎng)箱綁扎中，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度≥10cm：-般要求綁扎繩采用“之”字節(jié)點(diǎn)綁扎，穿繩間隔為2～3個(gè)網(wǎng)目，間距≤15cm；綁扎繩接頭扎成死扣。②低溫影響。冬季施工中，低溫環(huán)境下僵硬的土工格柵對(duì)網(wǎng)箱綁扎以及變形控制有一定的影響。

（4）石料裝填。①填料過(guò)程中，應(yīng)分批、均勻地向網(wǎng)箱內(nèi)填料，避免對(duì)單個(gè)網(wǎng)箱一次性填滿，特別是高度超過(guò)50cm的網(wǎng)箱。②填料過(guò)程中，不同粒徑的填料應(yīng)按照大石碼邊、小石填中、相互搭接、平穩(wěn)均勻的方式完成，以提高網(wǎng)箱填充率。③填料過(guò)程中，應(yīng)避免土工格柵網(wǎng)箱出現(xiàn)>15%的變形，同時(shí)避免土工格柵損傷。④填料過(guò)程中，需要機(jī)械與人工合理搭配，其中人工撐箱、裝填、碼放對(duì)土工格柵結(jié)構(gòu)體質(zhì)量更有保障。⑤對(duì)網(wǎng)箱平整度等外形有更高要求的，在填料過(guò)程中應(yīng)采取控制變形的側(cè)支撐措施。⑥填料完成后，土工格柵結(jié)構(gòu)體應(yīng)達(dá)到填石飽滿、外形平整、封口結(jié)實(shí)、不漏石的狀態(tài)。

（5）格柵綁扎。填料完成后進(jìn)行格柵的綁扎，綁扎搭接長(zhǎng)度≥10cm。綁扎完成的格柵石籠見圖2。

（6）拋投。拋投時(shí)由專人指揮，用機(jī)械將格柵石籠運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)面，平穩(wěn)拋投到指定位置。按照先壩垛網(wǎng)弧段、后直線段的順序進(jìn)行連續(xù)石籠拋投，拋投完一層再拋投第二層，使上、下籠頭互相錯(cuò)開，緊密壓茬，避免石籠損壞和斷裂。石籠拋完后，用探桿探摸，將籠間縫隙用塊石拋投填充，籠間散拋的塊石采用體積較大的塊石，單塊質(zhì)量不應(yīng)小于30kg。散拋塊石量約占土工格柵石籠體積的1/3。若施工過(guò)程中土工格柵石籠遭到破壞，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

2.2 根石臺(tái)施工

在黃河河道治理中，壩垛進(jìn)占完成后，通常采用鉛絲石籠根石臺(tái)進(jìn)行壩垛保護(hù)。在中衛(wèi)永豐五隊(duì)選擇兩座丁壩的根石臺(tái)，采用土工格柵石籠替代傳統(tǒng)鉛絲石籠。具體施工方法如下。

石籠拋投至施工水位時(shí)，用散塊石填充平整，水平鋪設(shè)2.5mx2.5m雙向土工格柵，分兩層采用亂石粗排的施工方法砌筑土工格柵石籠平臺(tái)，砌石厚度50cm，平臺(tái)寬度1.5～2.0m。砌石面要求上、下、前三個(gè)面基本平整，各塊石規(guī)格尺寸相近，厚度18～25cm、長(zhǎng)度30～80cm、寬度25～50cm。

砌筑時(shí)每個(gè)塊石應(yīng)先行試放，使上下、左有面結(jié)合平整；石料大面朝上，禁止采用薄片石砌面。上下兩層錯(cuò)縫壓茬，嚴(yán)禁出現(xiàn)通縫。塊石側(cè)面相互接觸，其邊角縫隙選用適當(dāng)石塊塞緊，然后再用碎石填滿。平臺(tái)面無(wú)凹凸不平，無(wú)浮石、活石，表面孔隙面積不超過(guò)20cm2，縱縫、橫縫寬不超過(guò)2cm。

下層石使用塊石，可適當(dāng)摻用部分小塊石，砌筑時(shí)大石排緊，小石塞嚴(yán)；較大塊石排放在迎水面，較小塊石放在平臺(tái)靠后部位，其間孔隙面積不超過(guò)30cm2。

砌筑完畢用2mx2m土工格柵網(wǎng)蓋上石籠頂蓋，邊緣肋條用綁扎繩牢固地綁扎在一起，籠與籠之間相互獨(dú)立，施工完成的格柵石籠根石臺(tái)見圖3。3格柵石籠根石臺(tái)變形觀測(cè)及分析

通過(guò)觀測(cè)丁壩根石臺(tái)測(cè)點(diǎn)表面變形和完好度，分析土工格柵石籠護(hù)坡、護(hù)腳效果。監(jiān)測(cè)樁使用Φ32螺紋鋼，基準(zhǔn)樁長(zhǎng)度為1.5m，觀測(cè)樁長(zhǎng)度為1.2m，現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)。通過(guò)全站儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備觀測(cè)運(yùn)行期壩體表面沉降變形，每月觀測(cè)一次，如遇高水位則加大觀測(cè)頻率：利用數(shù)碼攝像機(jī)等設(shè)備監(jiān)測(cè)壩體各部位完好度，監(jiān)測(cè)頻率與壩體表面變形監(jiān)測(cè)一致。測(cè)點(diǎn)分布及各測(cè)點(diǎn)變形見表3。

18#丁壩布設(shè)觀測(cè)斷面12個(gè)（斷面1-12）、測(cè)點(diǎn)24個(gè)，19#丁壩布設(shè)觀測(cè)斷面12個(gè)（斷面13-24）、測(cè)點(diǎn)12個(gè)。36個(gè)測(cè)點(diǎn)中：壩體迎水面測(cè)點(diǎn)共18個(gè)（18#丁壩12個(gè)、19#丁壩6個(gè)），壩體背水面測(cè)點(diǎn)共18個(gè)（18#丁壩12個(gè)、19#丁壩6個(gè)）。由表3可知，壩體根石臺(tái)迎水面最大沉降變形位于19#丁壩接近非裹護(hù)段位置（斷面23），最大沉降變形為13.7mm；背水面最大沉降變形位于18#丁壩背水面裹護(hù)段中部（斷面3），最大沉降變形為54.9mm。

從表3中可以看出，在36個(gè)測(cè)點(diǎn)中，22個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的沉降，最大累計(jì)沉降值為54.9mm，平均累計(jì)沉降值為10.79mm，月均累計(jì)沉降0.98mm；9個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)隆起，最大累計(jì)隆起值為31.4mm，平均累計(jì)隆起值為12.84mm，月均累計(jì)隆起1.17mm；5個(gè)測(cè)點(diǎn)未發(fā)生變形。其中變形絕對(duì)值小于40mm的測(cè)點(diǎn)占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的94.4%。從整個(gè)壩群來(lái)看，其變形以微弱沉降為主，其測(cè)點(diǎn)變形區(qū)間統(tǒng)計(jì)見表4。從表4中可以看出變形量在『0，10）mm的測(cè)點(diǎn)最多。

4 土工格柵石籠與鉛絲石籠材料對(duì)比分析

寧夏黃河治理工程中的護(hù)腳工程主要以鉛絲石籠和混凝土四腳體為主，白土工格柵材料引進(jìn)后，在部分工程建設(shè)中采用格柵石籠護(hù)腳，取得了一定的成效。

鉛絲石籠固腳護(hù)坡是寧夏黃河治理中應(yīng)用最多的一種技術(shù)，采用鍍鋅鉛絲人工編織成網(wǎng)狀箱體，填充石料，用于拋投護(hù)腳或根石臺(tái)。但從已建的工程調(diào)查結(jié)果看，鉛絲石籠長(zhǎng)期在水中浸泡，鉛絲會(huì)出現(xiàn)銹蝕、斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致石籠散架，失去固腳護(hù)坡的作用，甚至造成滑塌。而土工格柵材料是一種土工合成材料，具有耐腐蝕性和抗老化性，但其抗紫外線老化能力弱，壽命衰減較快，若采取有效措施，可以延緩老化過(guò)程。目前延緩老化措施主要有兩方面：一是在原材料中加人防老化劑，抑制光、氧、熱等外界因素對(duì)材料的作用，如摻適量的抗氧劑、光穩(wěn)定劑和深色炭黑等：二是在工程中采取防護(hù)措施，如盡量縮短材料在日光中的暴露時(shí)間，用巖土、植被覆蓋或深水覆蓋。國(guó)外學(xué)者也對(duì)格柵進(jìn)行了加速紫外線照射試驗(yàn)下的老化測(cè)試，結(jié)果表明格柵強(qiáng)度在20～50a可保持90%的起始強(qiáng)度，而相應(yīng)的試驗(yàn)表明采用埋體土工格柵，其壽命則大于120a，從現(xiàn)有技術(shù)上講，土工格柵抗老化能力能滿足護(hù)腳護(hù)坡要求，但不同廠商的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，易造成格柵使用壽命縮短。為此，在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)把土工格柵進(jìn)貨質(zhì)量關(guān)，要求格柵碳黑含量大于2%，以減少紫外線對(duì)格柵的傷害。

針對(duì)價(jià)格而言，鉛絲石籠的單價(jià)為226.74元/m3，格柵石籠的單價(jià)經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)測(cè)算為239.15元/m3，兩者價(jià)格相當(dāng)，但格柵石籠防腐耐久性能更好。

采用傳統(tǒng)混凝土四腳體護(hù)腳效果顯著，但存在以下缺點(diǎn)：材料耗用量大，單價(jià)高：混凝土預(yù)制需占用較大面積場(chǎng)地，預(yù)制受氣溫影響較大，氣溫較低時(shí)需采取保溫措施，增加了預(yù)制費(fèi)用：需用起重機(jī)拋投，施工速度慢：混凝土四腳體在冬季水位變幅區(qū)容易受凍融循環(huán)破壞而出現(xiàn)剝蝕。河道整治工程一般遠(yuǎn)離供電網(wǎng)，施工取電困難，致使預(yù)制場(chǎng)地遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)，增加了運(yùn)輸費(fèi)用。而土工格柵石籠護(hù)腳則克服了上述缺陷，且其體積大、質(zhì)量大，增加了抗沖能力，單價(jià)也比混凝土四腳體低31%，且相對(duì)于混凝土等構(gòu)筑物，在施工過(guò)程中不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染，是一種較為理想的護(hù)腳材料。但護(hù)坡外露部分的防火和防盜問(wèn)題目前還難以解決。如2012年寧夏苦水河整治工程中的格柵材料，部分出現(xiàn)了焚燒和被盜現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合寧夏黃河河道治理工程實(shí)際，以黃河中衛(wèi)段岸坡防護(hù)工程為例進(jìn)行分析，土工格柵石籠變形較小，以微弱沉降為主。與傳統(tǒng)鉛絲石籠、混凝土四腳體相比，其在工程應(yīng)用中具有抗沖能力強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)、施工便捷、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯，在寧夏水利工程建設(shè)中具有良好的推廣應(yīng)用前景。