土工格栅石笼在黄河中卫段治理工程中的应用

朱洁 陆立国 顾靖超 王永平

摘要：黄河宁夏段因受特殊的自然地理条件影响，河势摆动频繁，塌岸毁堤现象严重，威胁着两岸人民生命和财产安全。多年来，在岸坡防护工程中采用铅丝石笼，存在铅丝易锈蚀、断裂等问题。為改善传统铅丝石笼材料在工程应用中的缺陷，采用土工格栅石笼替代传统材料。以黄河中卫段岸坡防护工程为例，进行现场试验及变形监测，分析土工格栅石笼在工程应用中的防护效果，结果表明：变形绝对值小于40 mm的测点占测点数的94.4%，变形以微弱沉降为主，与传统材料相比，土工格栅石笼具有抗冲能力强、抗腐蚀性强等优点，具有很好的应用前景。

关键词：铅丝石笼；土工格栅；变形监测；黄河

中图分类号：TV871； TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.007

黄河宁夏段白中卫市南长滩翠柳沟入境，至石嘴山头道坎麻黄沟出境，全长397 km，属冲积型河床。河槽横向和纵向是多变与发展的，受其特殊的自然地理条件影响，大水漫滩、小水塌岸现象严重，威胁着两岸人民生命和财产安全。多年来，在岸坡护脚防护工程建设中采用铅丝石笼材料，存在长时间水中浸泡、铅丝容易锈蚀断裂，人工编制质量难以保障等缺陷。土工格栅具有适应性强、强度高、工艺简单及环保等优点，国内外已有大量工程采用了土工格栅新技术，且取得了良好的效果，如武都引水涪梓渠道选用土工格栅作为增强层材料，较大程度地减少了基础沉降的差异，有效增强了渠堤表面边坡的抗冲能力。鉴于此，结合黄河宁夏段特点，在防护工程中引进了土工格栅替代传统材料进行工程施工。同时，土工格栅石笼在防护工程建设中应用，也在一定程度上解决了黄河治理工程中的技术问题。本文以黄河中卫段岸坡防护工程为例，分析土工格栅石笼在工程应用中的防护效果，为工程实践提供技术支撑。

1 土工格栅石笼概况

1.1 土工格栅材质

由规则的网状抗拉条形带加筋的土工合成材料称为土工格栅，条形带以高分子聚合物为主要原料，加入适量的防紫外线及抗老化助剂，先经过熔融挤出而成塑料板材，然后经过精密打孔、加热、拉伸等一系列工序加工而成。

格栅石笼一般采用双向格栅（见图1），其是指在生产过程中通过沿纵向（卷长方向）、横向（卷宽方向）两个方向拉伸而成、由多个正方形网孔组成的整体网片结构。双向格栅原料主要是聚丙烯（PP），整体幅宽一般为3m或4m，每卷长50～100m。

1.2 土工格栅网目尺寸

土工格栅石笼是指在格栅网箱内填充石料而成的结构体。其填充材料应根据工程所在地区建筑材料分布、工程造价、施工要求等选定，填充料常用卵砾石或块石。填充料为卵砾石（含碎石）时，其最小粒径应≥6cm、最大粒径不宜超过25cm，对有特殊要求的土工格栅石笼的卵砾石（含碎石）填料粒径，经论证后确定；填充料为块石时，其最小粒径应≥12cm、最大粒径不宜超过50cm，对有特殊要求的土工格栅石笼的块石填料粒径，经论证后确定。从土工格栅石笼在宁夏水利工程中的应用实践看，填料粒径≥12cm合理级配的卵砾石格栅石笼结构体的平整度、密实度效果较好。

填充料级配应结合料源、造价、施工等制定相应方案，以满足土工格栅石笼卵砾石填充率≥0.80、块石填充率≥0.70的要求。同时，填充石料应质地坚硬，软化系数≥0.75，应满足卵砾石密度≥1.8L/m3、块石密度≥2.2L/m3。在坝、垛基础根石台砌筑中，石笼体积一般为1.0m3或1.5m3，网目尺寸以40mmx40mm为主，常用的填充料与土工格栅网目尺寸关系见表1。

1.3 土工格栅性能

土工格栅具有较优异的使用性能：变形模量大、抗拉强度高、耐腐蚀、抗老化、连锁作用强，刚性大、长期持续载荷作用下不变形，抗蠕变性能好。国内常用双向土工格栅的力学性能指标见表2。目前广泛应用于河道、沟道、渠道等水利工程中的护坡基础、护基、软基处理、坡面防护以及各种路基补强、边坡防护、大型机场、停车场等永久性承载的地基补强。

1.4 土工格栅石笼加工工艺

土工格栅石笼加工采用裁剪搭接成笼方式，根据土工格栅的幅宽及设计石笼尺寸单独形成石笼，针对不同部位格栅尺寸进行下料加工。为保证石笼整体顺直度，在便于安装和节省材料的前提下沿长度方向使用，将裁剪好的两片格栅网纵横搭接成工形，网片搭接长度≥10cm：一般要求绑扎绳采用“之”字节点绑扎，穿绳间隔为2～3个网目，间距≤15cm；绑扎绳接头扎成死扣，绑扎成格栅箱笼，笼体为三面绑扎成型，预留顶面为活面，石料装填好后，将格栅顶盖翻裹封顶，并将边缘绑扎结实，绑扎的搭接长度≥10cm。装填后的土工格栅石笼应基本达到填石饱满，外形方正，扎口结实。

2 格栅石笼施工流程

本试验选址在仁存渡以上砾石河床，丁坝、人字垛、平顺护岸的护脚传统采用散抛块石和混凝土四脚体混合，根石台采用铅丝石笼，坡面采用干砌块石。本试验采用土工格栅石笼替代部分混凝土四脚体和铅丝石笼进行施工，并开展相关现场试验研究。

2.1 坝垛护脚施工

土工格栅抗拉强度30kN/m、网目尺寸45mm×45mm，石笼规格有1.0mxl.0mxl.0m和1.0m×1.0mXl.5m两种。施工流程：基础处理一网片裁剪一网箱绑扎一石料装填一格栅绑扎一抛投。

（1）基础处理。对基础进行清理、整平、压实，表面无树枝、杂草、突出石块等，以减少对格栅石笼的破坏。

（2）网片剪裁。常用的土工格栅整体网片宽度约为4.0m，网片剪裁除应满足网箱设计要求外，还要最大限度利用好土工格栅整体网片。常见的网片剪裁方案有二种：①多片剪裁。此种方式属“量身定做”，制作网箱的格栅剪裁片数多、边缝多、绑扎量大，但土工格栅整体网片利用率高，网箱外形平整。②少片剪裁。此种方式属“包裹填料”，制作网箱的格栅剪裁片数少、边缝少、绑扎量小，但土工格栅整体网片利用率低，网箱外形不平整、变形大。

（3）网箱绑扎。①绑扎间距。土工格栅网箱绑扎中，网片搭接长度≥10cm：-般要求绑扎绳采用“之”字节点绑扎，穿绳间隔为2～3个网目，间距≤15cm；绑扎绳接头扎成死扣。②低温影响。冬季施工中，低温环境下僵硬的土工格柵对网箱绑扎以及变形控制有一定的影响。

（4）石料装填。①填料过程中，应分批、均匀地向网箱内填料，避免对单个网箱一次性填满，特别是高度超过50cm的网箱。②填料过程中，不同粒径的填料应按照大石码边、小石填中、相互搭接、平稳均匀的方式完成，以提高网箱填充率。③填料过程中，应避免土工格栅网箱出现>15%的变形，同时避免土工格栅损伤。④填料过程中，需要机械与人工合理搭配，其中人工撑箱、装填、码放对土工格栅结构体质量更有保障。⑤对网箱平整度等外形有更高要求的，在填料过程中应采取控制变形的侧支撑措施。⑥填料完成后，土工格栅结构体应达到填石饱满、外形平整、封口结实、不漏石的状态。

（5）格栅绑扎。填料完成后进行格栅的绑扎，绑扎搭接长度≥10cm。绑扎完成的格栅石笼见图2。

（6）抛投。抛投时由专人指挥，用机械将格栅石笼运输到作业面，平稳抛投到指定位置。按照先坝垛网弧段、后直线段的顺序进行连续石笼抛投，抛投完一层再抛投第二层，使上、下笼头互相错开，紧密压茬，避免石笼损坏和断裂。石笼抛完后，用探杆探摸，将笼间缝隙用块石抛投填充，笼间散抛的块石采用体积较大的块石，单块质量不应小于30kg。散抛块石量约占土工格栅石笼体积的1/3。若施工过程中土工格栅石笼遭到破坏，应及时修补。

2.2 根石台施工

在黄河河道治理中，坝垛进占完成后，通常采用铅丝石笼根石台进行坝垛保护。在中卫永丰五队选择两座丁坝的根石台，采用土工格栅石笼替代传统铅丝石笼。具体施工方法如下。

石笼抛投至施工水位时，用散块石填充平整，水平铺设2.5mx2.5m双向土工格栅，分两层采用乱石粗排的施工方法砌筑土工格栅石笼平台，砌石厚度50cm，平台宽度1.5～2.0m。砌石面要求上、下、前三个面基本平整，各块石规格尺寸相近，厚度18～25cm、长度30～80cm、宽度25～50cm。

砌筑时每个块石应先行试放，使上下、左有面结合平整；石料大面朝上，禁止采用薄片石砌面。上下两层错缝压茬，严禁出现通缝。块石侧面相互接触，其边角缝隙选用适当石块塞紧，然后再用碎石填满。平台面无凹凸不平，无浮石、活石，表面孔隙面积不超过20cm2，纵缝、横缝宽不超过2cm。

下层石使用块石，可适当掺用部分小块石，砌筑时大石排紧，小石塞严；较大块石排放在迎水面，较小块石放在平台靠后部位，其间孔隙面积不超过30cm2。

砌筑完毕用2mx2m土工格栅网盖上石笼顶盖，边缘肋条用绑扎绳牢固地绑扎在一起，笼与笼之间相互独立，施工完成的格栅石笼根石台见图3。3格栅石笼根石台变形观测及分析

通过观测丁坝根石台测点表面变形和完好度，分析土工格栅石笼护坡、护脚效果。监测桩使用Φ32螺纹钢，基准桩长度为1.5m，观测桩长度为1.2m，现场埋设。通过全站仪、水准仪等设备观测运行期坝体表面沉降变形，每月观测一次，如遇高水位则加大观测频率：利用数码摄像机等设备监测坝体各部位完好度，监测频率与坝体表面变形监测一致。测点分布及各测点变形见表3。

18#丁坝布设观测断面12个（断面1-12）、测点24个，19#丁坝布设观测断面12个（断面13-24）、测点12个。36个测点中：坝体迎水面测点共18个（18#丁坝12个、19#丁坝6个），坝体背水面测点共18个（18#丁坝12个、19#丁坝6个）。由表3可知，坝体根石台迎水面最大沉降变形位于19#丁坝接近非裹护段位置（断面23），最大沉降变形为13.7mm；背水面最大沉降变形位于18#丁坝背水面裹护段中部（断面3），最大沉降变形为54.9mm。

从表3中可以看出，在36个测点中，22个测点出现不同程度的沉降，最大累计沉降值为54.9mm，平均累计沉降值为10.79mm，月均累计沉降0.98mm；9个测点出现隆起，最大累计隆起值为31.4mm，平均累计隆起值为12.84mm，月均累计隆起1.17mm；5个测点未发生变形。其中变形绝对值小于40mm的测点占测点总数的94.4%。从整个坝群来看，其变形以微弱沉降为主，其测点变形区间统计见表4。从表4中可以看出变形量在『0，10）mm的测点最多。

4 土工格栅石笼与铅丝石笼材料对比分析

宁夏黄河治理工程中的护脚工程主要以铅丝石笼和混凝土四脚体为主，白土工格栅材料引进后，在部分工程建设中采用格栅石笼护脚，取得了一定的成效。

铅丝石笼固脚护坡是宁夏黄河治理中应用最多的一种技术，采用镀锌铅丝人工编织成网状箱体，填充石料，用于抛投护脚或根石台。但从已建的工程调查结果看，铅丝石笼长期在水中浸泡，铅丝会出现锈蚀、断裂现象，导致石笼散架，失去固脚护坡的作用，甚至造成滑塌。而土工格栅材料是一种土工合成材料，具有耐腐蚀性和抗老化性，但其抗紫外线老化能力弱，寿命衰减较快，若采取有效措施，可以延缓老化过程。目前延缓老化措施主要有两方面：一是在原材料中加人防老化剂，抑制光、氧、热等外界因素对材料的作用，如掺适量的抗氧剂、光稳定剂和深色炭黑等：二是在工程中采取防护措施，如尽量缩短材料在日光中的暴露时间，用岩土、植被覆盖或深水覆盖。国外学者也对格栅进行了加速紫外线照射试验下的老化测试，结果表明格栅强度在20～50a可保持90%的起始强度，而相应的试验表明采用埋体土工格栅，其寿命则大于120a，从现有技术上讲，土工格栅抗老化能力能满足护脚护坡要求，但不同厂商的产品质量参差不齐，易造成格栅使用寿命缩短。为此，在设计施工时应严把土工格栅进货质量关，要求格栅碳黑含量大于2%，以减少紫外线对格栅的伤害。

针对价格而言，铅丝石笼的单价为226.74元/m3，格栅石笼的单价经施工现场统计测算为239.15元/m3，两者价格相当，但格栅石笼防腐耐久性能更好。

采用传统混凝土四脚体护脚效果显著，但存在以下缺点：材料耗用量大，单价高：混凝土预制需占用较大面积场地，预制受气温影响较大，气温较低时需采取保温措施，增加了预制费用：需用起重机抛投，施工速度慢：混凝土四脚体在冬季水位变幅区容易受冻融循环破坏而出现剥蚀。河道整治工程一般远离供电网，施工取电困难，致使预制场地远离施工现场，增加了运输费用。而土工格栅石笼护脚则克服了上述缺陷，且其体积大、质量大，增加了抗冲能力，单价也比混凝土四脚体低31%，且相对于混凝土等构筑物，在施工过程中不会对周围环境造成污染，是一种较为理想的护脚材料。但护坡外露部分的防火和防盗问题目前还难以解决。如2012年宁夏苦水河整治工程中的格栅材料，部分出现了焚烧和被盗现象。

5 结语

结合宁夏黄河河道治理工程实际，以黄河中卫段岸坡防护工程为例进行分析，土工格栅石笼变形较小，以微弱沉降为主。与传统铅丝石笼、混凝土四脚体相比，其在工程应用中具有抗冲能力强、抗腐蚀性强、施工便捷、环保等优点，且经济社会效益明显，在宁夏水利工程建设中具有良好的推广应用前景。