土工格柵石籠在黃河中衛段治理工程中的應用

朱潔 陸立國 顧靖超 王永平

摘要：黃河寧夏段因受特殊的自然地理條件影響，河勢擺動頻繁，塌岸毀堤現象嚴重，威脅著兩岸人民生命和財產安全。多年來，在岸坡防護工程中采用鉛絲石籠，存在鉛絲易銹蝕、斷裂等問題。為改善傳統鉛絲石籠材料在工程應用中的缺陷，采用土工格柵石籠替代傳統材料。以黃河中衛段岸坡防護工程為例，進行現場試驗及變形監測，分析土工格柵石籠在工程應用中的防護效果，結果表明：變形絕對值小于40 mm的測點占測點數的94.4%，變形以微弱沉降為主，與傳統材料相比，土工格柵石籠具有抗沖能力強、抗腐蝕性強等優點，具有很好的應用前景。

關鍵詞：鉛絲石籠；土工格柵；變形監測；黃河

中圖分類號：TV871； TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.007

黃河寧夏段白中衛市南長灘翠柳溝入境，至石嘴山頭道坎麻黃溝出境，全長397 km，屬沖積型河床。河槽橫向和縱向是多變與發展的，受其特殊的自然地理條件影響，大水漫灘、小水塌岸現象嚴重，威脅著兩岸人民生命和財產安全。多年來，在岸坡護腳防護工程建設中采用鉛絲石籠材料，存在長時間水中浸泡、鉛絲容易銹蝕斷裂，人工編制質量難以保障等缺陷。土工格柵具有適應性強、強度高、工藝簡單及環保等優點，國內外已有大量工程采用了土工格柵新技術，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層材料，較大程度地減少了基礎沉降的差異，有效增強了渠堤表面邊坡的抗沖能力。鑒于此，結合黃河寧夏段特點，在防護工程中引進了土工格柵替代傳統材料進行工程施工。同時，土工格柵石籠在防護工程建設中應用，也在一定程度上解決了黃河治理工程中的技術問題。本文以黃河中衛段岸坡防護工程為例，分析土工格柵石籠在工程應用中的防護效果，為工程實踐提供技術支撐。

1 土工格柵石籠概況

1.1 土工格柵材質

由規則的網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，先經過熔融擠出而成塑料板材，然后經過精密打孔、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），其是指在生產過程中通過沿縱向（卷長方向）、橫向（卷寬方向）兩個方向拉伸而成、由多個正方形網孔組成的整體網片結構。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50～100m。

1.2 土工格柵網目尺寸

土工格柵石籠是指在格柵網箱內填充石料而成的結構體。其填充材料應根據工程所在地區建筑材料分布、工程造價、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，其最小粒徑應≥6cm、最大粒徑不宜超過25cm，對有特殊要求的土工格柵石籠的卵礫石（含碎石）填料粒徑，經論證后確定；填充料為塊石時，其最小粒徑應≥12cm、最大粒徑不宜超過50cm，對有特殊要求的土工格柵石籠的塊石填料粒徑，經論證后確定。從土工格柵石籠在寧夏水利工程中的應用實踐看，填料粒徑≥12cm合理級配的卵礫石格柵石籠結構體的平整度、密實度效果較好。

填充料級配應結合料源、造價、施工等制定相應方案，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，填充石料應質地堅硬，軟化系數≥0.75，應滿足卵礫石密度≥1.8L/m3、塊石密度≥2.2L/m3。在壩、垛基礎根石臺砌筑中，石籠體積一般為1.0m3或1.5m3，網目尺寸以40mmx40mm為主，常用的填充料與土工格柵網目尺寸關系見表1。

1.3 土工格柵性能

土工格柵具有較優異的使用性能：變形模量大、抗拉強度高、耐腐蝕、抗老化、連鎖作用強，剛性大、長期持續載荷作用下不變形，抗蠕變性能好。國內常用雙向土工格柵的力學性能指標見表2。目前廣泛應用于河道、溝道、渠道等水利工程中的護坡基礎、護基、軟基處理、坡面防護以及各種路基補強、邊坡防護、大型機場、停車場等永久性承載的地基補強。

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，根據土工格柵的幅寬及設計石籠尺寸單獨形成石籠，針對不同部位格柵尺寸進行下料加工。為保證石籠整體順直度，在便于安裝和節省材料的前提下沿長度方向使用，將裁剪好的兩片格柵網縱橫搭接成工形，網片搭接長度≥10cm：一般要求綁扎繩采用“之”字節點綁扎，穿繩間隔為2～3個網目，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，并將邊緣綁扎結實，綁扎的搭接長度≥10cm。裝填后的土工格柵石籠應基本達到填石飽滿，外形方正，扎口結實。

2 格柵石籠施工流程

本試驗選址在仁存渡以上礫石河床，丁壩、人字垛、平順護岸的護腳傳統采用散拋塊石和混凝土四腳體混合，根石臺采用鉛絲石籠，坡面采用干砌塊石。本試驗采用土工格柵石籠替代部分混凝土四腳體和鉛絲石籠進行施工，并開展相關現場試驗研究。

2.1 壩垛護腳施工

土工格柵抗拉強度30kN/m、網目尺寸45mm×45mm，石籠規格有1.0mxl.0mxl.0m和1.0m×1.0mXl.5m兩種。施工流程：基礎處理一網片裁剪一網箱綁扎一石料裝填一格柵綁扎一拋投。

（1）基礎處理。對基礎進行清理、整平、壓實，表面無樹枝、雜草、突出石塊等，以減少對格柵石籠的破壞。

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

（3）網箱綁扎。①綁扎間距。土工格柵網箱綁扎中，網片搭接長度≥10cm：-般要求綁扎繩采用“之”字節點綁扎，穿繩間隔為2～3個網目，間距≤15cm；綁扎繩接頭扎成死扣。②低溫影響。冬季施工中，低溫環境下僵硬的土工格柵對網箱綁扎以及變形控制有一定的影響。

（4）石料裝填。①填料過程中，應分批、均勻地向網箱內填料，避免對單個網箱一次性填滿，特別是高度超過50cm的網箱。②填料過程中，不同粒徑的填料應按照大石碼邊、小石填中、相互搭接、平穩均勻的方式完成，以提高網箱填充率。③填料過程中，應避免土工格柵網箱出現>15%的變形，同時避免土工格柵損傷。④填料過程中，需要機械與人工合理搭配，其中人工撐箱、裝填、碼放對土工格柵結構體質量更有保障。⑤對網箱平整度等外形有更高要求的，在填料過程中應采取控制變形的側支撐措施。⑥填料完成后，土工格柵結構體應達到填石飽滿、外形平整、封口結實、不漏石的狀態。

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

（6）拋投。拋投時由專人指揮，用機械將格柵石籠運輸到作業面，平穩拋投到指定位置。按照先壩垛網弧段、后直線段的順序進行連續石籠拋投，拋投完一層再拋投第二層，使上、下籠頭互相錯開，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，單塊質量不應小于30kg。散拋塊石量約占土工格柵石籠體積的1/3。若施工過程中土工格柵石籠遭到破壞，應及時修補。

2.2 根石臺施工

在黃河河道治理中，壩垛進占完成后，通常采用鉛絲石籠根石臺進行壩垛保護。在中衛永豐五隊選擇兩座丁壩的根石臺，采用土工格柵石籠替代傳統鉛絲石籠。具體施工方法如下。

石籠拋投至施工水位時，用散塊石填充平整，水平鋪設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，砌石厚度50cm，平臺寬度1.5～2.0m。砌石面要求上、下、前三個面基本平整，各塊石規格尺寸相近，厚度18～25cm、長度30～80cm、寬度25～50cm。

砌筑時每個塊石應先行試放，使上下、左有面結合平整；石料大面朝上，禁止采用薄片石砌面。上下兩層錯縫壓茬，嚴禁出現通縫。塊石側面相互接觸，其邊角縫隙選用適當石塊塞緊，然后再用碎石填滿。平臺面無凹凸不平，無浮石、活石，表面孔隙面積不超過20cm2，縱縫、橫縫寬不超過2cm。

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

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

通過觀測丁壩根石臺測點表面變形和完好度，分析土工格柵石籠護坡、護腳效果。監測樁使用Φ32螺紋鋼，基準樁長度為1.5m，觀測樁長度為1.2m，現場埋設。通過全站儀、水準儀等設備觀測運行期壩體表面沉降變形，每月觀測一次，如遇高水位則加大觀測頻率：利用數碼攝像機等設備監測壩體各部位完好度，監測頻率與壩體表面變形監測一致。測點分布及各測點變形見表3。

18#丁壩布設觀測斷面12個（斷面1-12）、測點24個，19#丁壩布設觀測斷面12個（斷面13-24）、測點12個。36個測點中：壩體迎水面測點共18個（18#丁壩12個、19#丁壩6個），壩體背水面測點共18個（18#丁壩12個、19#丁壩6個）。由表3可知，壩體根石臺迎水面最大沉降變形位于19#丁壩接近非裹護段位置（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個測點中，22個測點出現不同程度的沉降，最大累計沉降值為54.9mm，平均累計沉降值為10.79mm，月均累計沉降0.98mm；9個測點出現隆起，最大累計隆起值為31.4mm，平均累計隆起值為12.84mm，月均累計隆起1.17mm；5個測點未發生變形。其中變形絕對值小于40mm的測點占測點總數的94.4%。從整個壩群來看，其變形以微弱沉降為主，其測點變形區間統計見表4。從表4中可以看出變形量在『0，10）mm的測點最多。

4 土工格柵石籠與鉛絲石籠材料對比分析

寧夏黃河治理工程中的護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后，在部分工程建設中采用格柵石籠護腳，取得了一定的成效。

鉛絲石籠固腳護坡是寧夏黃河治理中應用最多的一種技術，采用鍍鋅鉛絲人工編織成網狀箱體，填充石料，用于拋投護腳或根石臺。但從已建的工程調查結果看，鉛絲石籠長期在水中浸泡，鉛絲會出現銹蝕、斷裂現象，導致石籠散架，失去固腳護坡的作用，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、熱等外界因素對材料的作用，如摻適量的抗氧劑、光穩定劑和深色炭黑等：二是在工程中采取防護措施，如盡量縮短材料在日光中的暴露時間，用巖土、植被覆蓋或深水覆蓋。國外學者也對格柵進行了加速紫外線照射試驗下的老化測試，結果表明格柵強度在20～50a可保持90%的起始強度，而相應的試驗表明采用埋體土工格柵，其壽命則大于120a，從現有技術上講，土工格柵抗老化能力能滿足護腳護坡要求，但不同廠商的產品質量參差不齊，易造成格柵使用壽命縮短。為此，在設計施工時應嚴把土工格柵進貨質量關，要求格柵碳黑含量大于2%，以減少紫外線對格柵的傷害。

針對價格而言，鉛絲石籠的單價為226.74元/m3，格柵石籠的單價經施工現場統計測算為239.15元/m3，兩者價格相當，但格柵石籠防腐耐久性能更好。

采用傳統混凝土四腳體護腳效果顯著，但存在以下缺點：材料耗用量大，單價高：混凝土預制需占用較大面積場地，預制受氣溫影響較大，氣溫較低時需采取保溫措施，增加了預制費用：需用起重機拋投，施工速度慢：混凝土四腳體在冬季水位變幅區容易受凍融循環破壞而出現剝蝕。河道整治工程一般遠離供電網，施工取電困難，致使預制場地遠離施工現場，增加了運輸費用。而土工格柵石籠護腳則克服了上述缺陷，且其體積大、質量大，增加了抗沖能力，單價也比混凝土四腳體低31%，且相對于混凝土等構筑物，在施工過程中不會對周圍環境造成污染，是一種較為理想的護腳材料。但護坡外露部分的防火和防盜問題目前還難以解決。如2012年寧夏苦水河整治工程中的格柵材料，部分出現了焚燒和被盜現象。

5 結語

結合寧夏黃河河道治理工程實際，以黃河中衛段岸坡防護工程為例進行分析，土工格柵石籠變形較小，以微弱沉降為主。與傳統鉛絲石籠、混凝土四腳體相比，其在工程應用中具有抗沖能力強、抗腐蝕性強、施工便捷、環保等優點，且經濟社會效益明顯，在寧夏水利工程建設中具有良好的推廣應用前景。