格宾石笼性能测试及在河道护岸中的应用

闫武宏

(忻州水利建设投资有限公司，山西 忻州 034000)

河流是生命之源，而河道是一个城市防洪排涝，水力发电的关键所在。目前一些现状河道受到河流侵蚀冲刷的影响难以满足防洪和岸坡稳定性的需求。传统护岸治理一般利用混凝土、砌块等硬质材料对岸坡进行护砌，提高岸坡稳定性，但是破坏了岸边的生态环境和水土保持。近年来，为建设美丽中国，全新的生态治理护岸结构进入大众视线[1-2]。常根朋[3]等利用双排桩实现了护岸防冲刷保护，保持岸坡稳定性；李旭[4]分析了生态袋对河道护岸工程治理的影响；李芳[5]研究了格宾网石笼护岸在塔里木河河道治理中的应用等。由于国内关于格宾石笼的研究刚刚起步，而且偏重于施工工艺方面，其性能、工程上的技术要求还没完善，不利于格宾石笼的进一步推广和应用。本文以乌马河太谷县河道治理工程为依托，对格宾石笼的结构性能及施工应用进行研究，验证河道治理适用性。

1 格宾石笼护岸工程

1.1 河道护岸技术

河道护岸工程能满足防洪和岸坡稳定性需求。通过试验和工程实践，一些常见的护岸技术有各自优势和不足以及适用条件，见表1。

表1 常见护岸技术

1.2 格宾石笼护岸技术

格宾石笼又称格宾网或石笼网，它是由类似蜂巢状的铅丝或镀锌网片组装而成，并填充石块或卵石等块状材料[7]，如图1所示。

图1 格宾石笼示意图

实际工程中，格宾石笼同时具有格宾的柔性和石笼的刚性，抗变形能力较强。附近填土环境发生变化时，能够根据自身的柔韧性和耐磨性随之进行调整，适应新的基础状态而不坍塌[8]。格宾石笼结构稳定，整体性强，即使在使用过程中有一两根钢丝断裂，笼内的块体也不会外漏，不会破坏整体性以及减少使用寿命。另外格宾石笼的外围是网状结构，且填充材料石块之间具有一定的间隙，有利于水自发地从空隙中排出，透水性强；也能为生物提供生存条件，增加生物多样性。在施工方面此技术工艺简单，无需大型设备和特殊技术，不仅加快了施工进度，也节省了造价成本[9]。

1.3 工程概况

乌马河是汾河的二级支流，河道全长83.0km，流域面积1730km2，主槽宽约300m，水深约0.5m。目前，河道存在主要问题之一为无防护工程，防洪能力不足，生态环境被破坏。

因此为积极响应水生态文明建设，同时根据乌马河的实际情况，如占地面积、地基条件、施工技术、成本管控等因素，乌马河河道治理护岸工程选择了格宾石笼结构来解决河流侵蚀冲刷的影响，保护河道生态环境。主要建设内容为大白村南至沙沟村南(桩号8+800～11+650)，总长427.38m。

2 格宾石笼结构性能测试

格宾石笼由镀锌网片组装而成，网片及网箱的材料选择是提高护岸工程质量的关键，也是格宾网护岸施工及验收的依据。因此有必要对结构性能进行测试研究，建立网片和网箱的测试方法。

2.1 格宾网片性能测试

2.2.1网片规格

本项目使用格宾网的厂家通过双绞方式将强度高的钢丝或铅丝编织成网片状，因此对网片材料要求较高，格宾网片的规格及其性能要求见表2。

表2 格宾网片规格及性能要求 单位：mm

2.2.2抗拉试验

从不同规格的网片上剪下1m×1m尺寸的试件，将网片试件放入试验机中，机器夹紧钢丝网，使其仍然能够保持初始几何特征，记录网片的初始尺寸；接着装置以每秒相同的增量(50mm/s)速度依次施加荷载，直到试件中的单根钢丝出现首次断裂，并记录此时伸长率、断裂方式、抗拉强度等有关信息。试验结果见表3。

试验一式三份，由表3可知，随着网目尺寸和网丝直径的增加，网片的抗拉强度也增强；各类型伸长率类似，范围在9%～14%。

表3 格宾网片试验结果

2.3 格宾网箱性能测试

2.3.1网箱规格

格宾网箱是由网片绑扎拼接成蜂巢状的箱体，数个格宾网箱再通过相同材质进行紧密绑扎，连续拼装成一个整体，此外现场还利用隔片将网箱分成间隔1m的格室，长宽高规格见表4。

2.3.2抗压试验

选择表4规格的网箱试件，一式三份。利用万能试验机对网箱进行压力测试，试验施加荷载的速率为5mm/min，当网箱承载力达到最大，出现破坏现象时试验机停止加载。测试过程考虑了试验机不断施加荷载导致网箱逐渐变形的过程以及网箱试件的承载力峰值及峰值强度，压后压前的周长比，试验后最大裂口长度等。

由表4可知，各类型网箱的承载力峰值强度基本满足河道护岸所需承载力。网箱承受压力时形状也出现明显的变形，起初网箱承受压力时，会对填石进行略微调整，同时网片出现变形；接着网片抵抗力产生作用，网箱整体结构变得坚硬，最后抵抗力达到峰值后填石内部出现破坏，并逐步扩大区域，同时单根网丝破裂；最后直至整个网片断裂，石块散落，试件不能承受进一步荷载而最终破坏。

表4 格宾网箱规格及试验结果

3 格宾石笼施工技术

国外将格宾石笼用于支挡防护或者护岸工程已经相当普遍，近年来国内也开始应用。由于在此施工和设计方面没有相应的完整规范，因此制约了格宾石笼在我国河道治理中的大量推广。为此结合乌马河河道治理工程项目，针对格宾石笼施工进行进一步探讨并提出施工指南。

3.1 施工准备

施工单位开工前应做好施工准备，如图2所示。

图2 施工准备示意图

3.2 格宾石笼选材

3.2.1格宾网箱

本工程根据乌马河实际情况以及网片和网箱不同规格的结构测试结果(见表3—4)，采用2种规格的格宾石笼网箱，其中规格一为2m×1m×0.3m(长×宽×高)，网目80mm×100mm；规格二为2m×1m×0.5m(长×宽×高)，网目100mm×120mm；网箱由厚度为0.3或0.5m的镀锌铅丝制成，镀锌量不小于245g/m。铅丝石笼的边丝直径3.4mm，网丝直径2.7mm，扎丝直径2.2mm。护岸底高出主槽顶0.5m，主槽深度为0.8m。断面设计如图3所示。

图3 铅丝石笼护岸标准断面图

3.2.2格宾石笼石块

格宾石笼的耐久性部分取决于装入的石料质量。填石的一般要求有：石块的表面干净，质地坚硬，没有风化现象，比重大于2.4t/m3。填石级配均匀且填石后的空隙率小于30%。为防止石块从网箱中散落，填石尺寸应在1.5D～2.0D(D为网目中心间距)。

本工程石笼的填充材料采用MU40块石，其强度高且耐久性好，杂质含量少，符合质量要求。它的粒径为100～150mm，施工中大于网目大小的块石超过了80%，质量不小于30kg，其余用良好的细碎石填充，孔隙率小于30%。

3.3 施工要求

3.3.1基面处理

格宾石笼施工前应该按照设计图纸和相应的施工规范对基面严格进行压实处理，保证其平整密实，达到工程质量验收标准后再进行后续施工。

3.3.2土工布铺设

在基面处理完成后进行土工布的施工。土工布规格300g/m2，铺设应与土面密切接触，面层不紧绷，搭接时保证缝线整洁规则、无杂物，且在坡面的搭接宽度大于0.3m。铺设工序满足设计及《堤防工程施工规范》要求，经验收合格后进行格宾石笼施工。

3.3.3格宾石笼施工

根据设计图纸和相应的施工规范向厂家定制合适的格宾网，折叠运输至施工现场后将各个构件如前后网片和隔片进行拼装。间隔网片与网身应呈90°后再组装绑扎成矩形状网箱。每隔15～20cm用同质双股以上的镀锌铅丝将组合好的相邻格宾网箱连接形成一个整体。

在格宾网安装完成后进行石块填充。用挖掘机将密实、坚硬、抗风化的石料投放到格宾网中，再由机械或人工整理压实。各个格宾网箱每次须同时均匀地填筑厚度为20～30cm的石块，逐层填充。再用细碎石充塞网箱中有缝隙的地方，外部袒露部位的石料应该保证整齐美观[10]。

为了格宾石笼整体的稳定性，每平方米内设置4处水平拉筋，呈正反八字形。具体沿高度方向每25～30cm设置一道向内拉筋，且每一拉筋以两网目为间距并绞紧。

3.4 实施效果

乌马河太谷县段河道治理护岸工程中使用的格宾石笼综合成本(310元/m3)较其他工程护岸技术(400元/m3)节省了22.5%，施工工期减少了8d。目前格宾石笼已经投入使用约半年的时间，其效果较好，整体稳定性强，岸坡基本保持完好状态。格宾石笼护岸技术的实施不仅实现了岸坡的抗冲刷能力，也实现了河道的生态要求和美观要求，当地政府和人民给与了较高的评价。

4 结语

(1)比选了常见的护岸技术、测试了格宾石笼结构性能，与传统混凝土等硬质结构相比，格宾石笼能很好适应河流环境变化，从结构性能来看抗变形能力较强。

(2)在乌马河太谷县段河道治理中应用格宾石笼技术能有效解决成本高、生态环境差等问题，实现河流系统和生态系统的能量交换，不仅提高了工程质量，加快了工程进度，而且增加了河流的生物多样性。

(3)但在实际施工中需要通过工艺措施、材料选购的质量以及施工技术等来充分发挥格宾石笼的价值。