鍍層鋼絲的格網石籠在河湖治理工程中的適宜性研究

范惠生

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

1 前言

在河流、湖泊治理工程中，采用鍍層鋼絲編織的格網石籠──柔性防護材料替代傳統的圬工硬質防護材料，已成為河流、湖泊生態治理工程中“睡堤喚醒”的重要手段。

格網石籠作為堤防或護岸的防護材料，具有多孔、柔性、透水的特點。可利用河（湖）水體在網箱上掛淤或人工覆土，孔狀結構營造的環境，可形成生物多樣性和外觀自然生態的景觀效果，同時利于河、湖水陸交錯帶生物的遷移。多孔特點：表面粗糙，利于破浪，可減小浪壓力、真空吸力和波浪爬高；分散冰壓力，緩解冰凍破壞；給水生動物提供了棲息、繁衍、避難的場所；給水生植物提供生根的空間；石塊多孔，表面積大，利于微生物種群的生存，可改善水質。柔性特點：適應地基變形；地基處理簡單；施工方便、工程造價低；網狀結構整體性好，抗沖刷能力強；施工受氣候的影響小，施工效率高、工期短。透水特點：墻后積水排泄通暢；水壓力小，利于擋墻穩定。

理論分析、室內試驗和工程實踐表明，采用不同鍍層鋼絲編織的格網石籠的工程耐久性存在較大差異。

2 鍍層鋼絲耐久性的影響因素

格網石籠結構充分利用了鋼絲網箱的強度、柔性和整體性，以及鍍層鋼絲耐久性的特點。其工程特性是建立在網箱安全基礎上的，即基于束縛石材的網箱材料──鍍層鋼絲的耐久性（即防腐性能）。換言之，格網石籠結構的耐久性取決于網材鍍層鋼絲的耐久性。鍍層鋼絲的耐久性主要受3 類（5 種）因素的影響：鍍層種類、鍍層工藝（鍍層重量、鍍層均勻度(偏心)、鍍層附著力(開裂)）和使用環境。

2.1 鍍層的種類

目前，國內、外用于格網石籠網材鋼絲的鍍層主要包括三類：鍍Zn 類、鍍Zn-5%Al 合金類和鍍Zn-10%Al 合金類。

有電化學實驗表明：鋅鋁合金鍍層鋼絲的耐腐蝕性高于鍍鋅鋼絲，鍍層中的鋁元素能明顯提高鍍層的耐腐蝕性能。鋼鐵研究總院通過鹽霧試驗，對比分析了鍍鋅鋼絲與鍍鋅鋁合金鋼絲的防腐性能。試驗條件為：氯化鈉溶液為50g/L±5g/L；pH 值為6.5～7.2；溫度為35℃±2℃；噴霧方法為連續噴霧；試驗時間分別為240、480h，試驗結果見表1、表2。

試驗數據分析得出：

（1）不同種類的鍍層鋼絲的耐腐蝕性能有較大差異；

（2）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的耐腐蝕性能為鍍Zn-5%Al 合金鋼絲的2～3倍；

（3）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的耐腐蝕性能為鍍Zn 鋼絲的6～7倍。

通過以上對鍍鋅類和鍍鋅鋁合金類鋼絲的對比研究發現，鍍鋅鋁合金類鋼絲比鍍鋅類鋼絲的防腐性能好。這是由于鍍鋅鋁合金鋼絲中Al元素能阻滯Fe-Zn 合金層的反應，防止界面產生裂紋，并在鍍層表面形成Al2O3保護膜，以屏蔽、保護鍍層和基體（鋼絲），防止其腐蝕。

表1 鍍層鋼絲鹽霧試驗成果表（240h 鹽霧試驗）

表2 鍍層鋼絲鹽霧試驗成果表（480h 鹽霧試驗）

2.2 鍍層的重量

鍍層重量以鋼絲單位表面積上所熱鍍的鍍層重量（g/m2）表達。在忽略了鋼絲鍍層平均年腐蝕量的浮動等差異后，鋼絲的使用年限可以簡化為以下公式加以詮釋：

由此看出，鋼絲使用年限與鍍層重量成正比。在假定鋼絲鍍層平均年腐蝕量相等的情況下，通過改善鍍層工藝，增加鋼絲鍍層重量，可有效增加鍍層鋼絲的使用年限。表1、表2 的鹽霧試驗結果也說明了這一點。

2.3 鍍層的均勻度

因鍍層工藝的不同，鋼絲鍍層的不均勻性存在較大差異，鍍層較薄弱部位見[圖1（a）]的腐蝕速度較快，對鋼絲的使用年限起到決定作用。鍍層鋼絲上、下、左、右四個剖面的鍍層均勻性對比見圖1。

從圖1 可以看出，鍍層工藝好的鋼絲鍍層較均勻，而鍍層工藝差的鋼絲鍍層均勻性較差，成為其耐腐蝕性的薄弱部位。

2.4 鍍層的附著力

鍍層的附著力反映了鋼絲鍍層與鋼絲本體接觸面結合的牢固程度。由于工程中所用石籠網箱的鋼絲在經過機械編織絞繞后，對鋼絲鍍層會有不同程度的損壞而影響石籠的耐久性，因此石籠網材鋼絲對鍍層的附著力有較高的要求。

不同鍍層工藝的鋼絲鍍層在自身纏繞實驗下的對比照片見圖2。

從圖2 可以看出，鍍層工藝差的鋼絲鍍層附著力差，鍍層表面已經出現開裂，而鍍層工藝好的鋼絲鍍層附著力好，鍍層表面完好。

圖1 鋼絲鍍層剖面圖

圖2 鋼絲鍍層附著力實驗

2.5 使用環境

根據美國材料試驗協會（ASTM）和日本鋼鐵協會（ISIJ）的研究成果，鍍Zn 金屬件的鍍層在大氣中的腐蝕率為：海洋大氣中為7.1～50g/（m2·年），城市大氣中為14.3～50g/（m2·年），工業大氣中為28.6～142.8g/（m2·年），在淡水中的腐蝕速率為33～100g/（m2·年）。

其實，在河流、湖泊水流中的腐蝕速度會比在大氣中或淡水中的腐蝕速度更快，這主要是鍍層會受到水質的ph 值、溫度、流速、含砂量、波浪等因素的影響。可見，鍍層鋼絲的耐久性受其所處環境的影響也較大。

3 鍍層鋼絲使用年限預測

3.1 理論分析

（1）鍍Zn 鋼絲。以國內常用石籠網材鋼絲鍍層的鍍Zn 量250g/m2為例。據上文對鍍Zn金屬件在不同環境中腐蝕率的分析，可推算出，鍍Zn 鋼絲鍍層在海洋大氣中、城市大氣中、工業大氣環境中和淡水中的使用年限分別為 5～35.2年、5～17.5年、1.8～8.7年和2.5～7.5年。

（2）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲。由表1、表2鹽霧試驗的結果可知，在同一環境條件下，鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的抗腐蝕性約為鍍Zn 鋼絲的7倍。另考慮到鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的鍍層重量可達 450g/m2以上。以此推算，鍍層重量450g/m2的鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的使用年限分別為：海洋大氣中63～443年，城市大氣中63～220年，工業大氣環境中22～110年，淡水中31.5～95年。

從以上的理論分析可知，鍍層重量大（450g/m2）的Zn-10%Al 合金鋼絲的使用年限平均值大約在65年±30年，而鍍層重量小（250g/m2）的鍍Zn 鋼絲的使用年限僅為5年±3年。

3.2 工程案例分析

（1）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲。臺灣新店溪格網石籠護岸工程，1989年4月完工。采用鋼絲絲徑φ3.2mm，設計鍍層重量400g/m2。調研時間為1990年12月和2005年10月（見圖3）。經過16.5年的工程運行，對現場鋼絲取樣量測，其鍍層重量為314g/m2，鍍層損失量為86g/m2，其鍍層腐蝕速度約為5.21g/m2/年。據此推測，該鍍層鋼絲的使用年限可達70 余年。

圖3 臺灣新店溪格網石籠護岸工程

（2）鍍Zn 鋼絲A 案例。長江干堤某格網石籠護岸工程所用鍍鋅鋼絲的設計鍍層重量為250g/m2，施工期為2004年，完工一年后在自然植被恢復良好地段，鋼絲發生銹蝕的程度很小，而在水位變動區鋼絲的銹蝕程度明顯，但未引起斷裂。根據現場情況，初步估計網箱鋼絲在水位變動區域的腐蝕速度約為45g/m2/年。由此推算，其使用壽命為5年左右。

（3）鍍Zn 鋼絲B 案例。浙江某河道格網石籠護岸工程鍍鋅鋼絲的設計鍍層重量為250g/m2，施工期集中在2006年度，至2010年已運行4年左右的時間。格網石籠在水位變動區及水下的鋼絲銹蝕嚴重，部分鍍層脫落、鋼絲斷裂，水位以上網墊的鋼絲銹蝕程度輕微。根據現場情況估計，在水位變動區域鋼絲的腐蝕速度約為60g/m2/年，其使用壽命為4年左右。

通過以上理論分析和工程案例分析可知，鍍層鋼絲的耐久性及格網石籠的工程可靠性除與石籠所處的環境條件有關外，受鋼絲的鍍層種類和鍍層工藝的影響也很大。

首先，鍍層工藝較好的鍍Zn-10%Al 合金鋼絲（鍍層量高和Al 元素的抗腐蝕性）的耐久性比普通熱鍍Zn 鋼絲的耐久性好。目前國內普遍使用的250g/m2鍍層重量的鍍Zn 鋼絲的使用年限一般僅為5年左右，而鍍層重量大（450g/m2）的Zn-10%Al 合金鋼絲的使用年限一般可達65年左右；其次，鍍層鋼絲在水中的腐蝕率比空氣中大，因而耐久性差；第三，鍍層鋼絲在水位變動區的腐蝕率比在水中或空氣中大，耐久性也差；第四，水質較差、水沙條件不好的河流、湖泊中，鍍層鋼絲的耐久性較差；第五，石籠完工后，后期自然植被恢復良好時，鍍層鋼絲的耐久性好于裸露在大氣中的鍍層鋼絲。

4 應用條件及適宜性建議

鍍層鋼絲的選擇與石籠保護對象的工程重要性有關。本文通過對不同使用環境中，不同鍍層鋼絲的耐久性分析、研究，并結合工程造價、工程等級劃分及作者多年從事河湖生態治理和對格網石籠的應用經驗，提出了不同鍍層鋼絲編織的格網石籠的應用條件及適宜性建議，供工程設計參考。

（1）格網石籠的網材宜采用鍍層工藝好、性價比高的高鍍層鋼絲，比如鍍層重量為400g/m2以上的鍍層鋼絲。

（2）1、2 級堤防或3、4 級堤防水位變動區的石籠防護結構，宜選用鍍Zn-10%Al 的合金鋼絲；3、4 級堤防或5 級堤防水位變動區的石籠防護結構，宜選用鍍Zn-5%Al 的合金鋼絲；5級堤防可選用鍍Zn 鋼絲。

1 彭守良.格賓在城市河道整治工程中的應用[J].廣東科技2008，（2）：108-109.

2 張杰，王秀通，侯保榮，李焰.幾種熱浸鍍層鋼絲在青島 海水中腐蝕行為的對比研究.海洋科學，2005，29（7）：12-16.

3 GB/T10125—1997 人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗.北京：標準出版社，1997.

4 JTGF71—2006 公路安全交通設施施工技術規范.北京：人民交通出版社，2006.

5 GB50286—98 堤防工程設計規范.北京：中國計劃出版社，1998.