镀层钢丝的格网石笼在河湖治理工程中的适宜性研究

范惠生

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 前言

在河流、湖泊治理工程中，采用镀层钢丝编织的格网石笼──柔性防护材料替代传统的圬工硬质防护材料，已成为河流、湖泊生态治理工程中“睡堤唤醒”的重要手段。

格网石笼作为堤防或护岸的防护材料，具有多孔、柔性、透水的特点。可利用河（湖）水体在网箱上挂淤或人工覆土，孔状结构营造的环境，可形成生物多样性和外观自然生态的景观效果，同时利于河、湖水陆交错带生物的迁移。多孔特点：表面粗糙，利于破浪，可减小浪压力、真空吸力和波浪爬高；分散冰压力，缓解冰冻破坏；给水生动物提供了栖息、繁衍、避难的场所；给水生植物提供生根的空间；石块多孔，表面积大，利于微生物种群的生存，可改善水质。柔性特点：适应地基变形；地基处理简单；施工方便、工程造价低；网状结构整体性好，抗冲刷能力强；施工受气候的影响小，施工效率高、工期短。透水特点：墙后积水排泄通畅；水压力小，利于挡墙稳定。

理论分析、室内试验和工程实践表明，采用不同镀层钢丝编织的格网石笼的工程耐久性存在较大差异。

2 镀层钢丝耐久性的影响因素

格网石笼结构充分利用了钢丝网箱的强度、柔性和整体性，以及镀层钢丝耐久性的特点。其工程特性是建立在网箱安全基础上的，即基于束缚石材的网箱材料──镀层钢丝的耐久性（即防腐性能）。换言之，格网石笼结构的耐久性取决于网材镀层钢丝的耐久性。镀层钢丝的耐久性主要受3 类（5 种）因素的影响：镀层种类、镀层工艺（镀层重量、镀层均匀度(偏心)、镀层附着力(开裂)）和使用环境。

2.1 镀层的种类

目前，国内、外用于格网石笼网材钢丝的镀层主要包括三类：镀Zn 类、镀Zn-5%Al 合金类和镀Zn-10%Al 合金类。

有电化学实验表明：锌铝合金镀层钢丝的耐腐蚀性高于镀锌钢丝，镀层中的铝元素能明显提高镀层的耐腐蚀性能。钢铁研究总院通过盐雾试验，对比分析了镀锌钢丝与镀锌铝合金钢丝的防腐性能。试验条件为：氯化钠溶液为50g/L±5g/L；pH 值为6.5～7.2；温度为35℃±2℃；喷雾方法为连续喷雾；试验时间分别为240、480h，试验结果见表1、表2。

试验数据分析得出：

（1）不同种类的镀层钢丝的耐腐蚀性能有较大差异；

（2）镀Zn-10%Al 合金钢丝的耐腐蚀性能为镀Zn-5%Al 合金钢丝的2～3倍；

（3）镀Zn-10%Al 合金钢丝的耐腐蚀性能为镀Zn 钢丝的6～7倍。

通过以上对镀锌类和镀锌铝合金类钢丝的对比研究发现，镀锌铝合金类钢丝比镀锌类钢丝的防腐性能好。这是由于镀锌铝合金钢丝中Al元素能阻滞Fe-Zn 合金层的反应，防止界面产生裂纹，并在镀层表面形成Al2O3保护膜，以屏蔽、保护镀层和基体（钢丝），防止其腐蚀。

表1 镀层钢丝盐雾试验成果表（240h 盐雾试验）

表2 镀层钢丝盐雾试验成果表（480h 盐雾试验）

2.2 镀层的重量

镀层重量以钢丝单位表面积上所热镀的镀层重量（g/m2）表达。在忽略了钢丝镀层平均年腐蚀量的浮动等差异后，钢丝的使用年限可以简化为以下公式加以诠释：

由此看出，钢丝使用年限与镀层重量成正比。在假定钢丝镀层平均年腐蚀量相等的情况下，通过改善镀层工艺，增加钢丝镀层重量，可有效增加镀层钢丝的使用年限。表1、表2 的盐雾试验结果也说明了这一点。

2.3 镀层的均匀度

因镀层工艺的不同，钢丝镀层的不均匀性存在较大差异，镀层较薄弱部位见[图1（a）]的腐蚀速度较快，对钢丝的使用年限起到决定作用。镀层钢丝上、下、左、右四个剖面的镀层均匀性对比见图1。

从图1 可以看出，镀层工艺好的钢丝镀层较均匀，而镀层工艺差的钢丝镀层均匀性较差，成为其耐腐蚀性的薄弱部位。

2.4 镀层的附着力

镀层的附着力反映了钢丝镀层与钢丝本体接触面结合的牢固程度。由于工程中所用石笼网箱的钢丝在经过机械编织绞绕后，对钢丝镀层会有不同程度的损坏而影响石笼的耐久性，因此石笼网材钢丝对镀层的附着力有较高的要求。

不同镀层工艺的钢丝镀层在自身缠绕实验下的对比照片见图2。

从图2 可以看出，镀层工艺差的钢丝镀层附着力差，镀层表面已经出现开裂，而镀层工艺好的钢丝镀层附着力好，镀层表面完好。

图1 钢丝镀层剖面图

图2 钢丝镀层附着力实验

2.5 使用环境

根据美国材料试验协会（ASTM）和日本钢铁协会（ISIJ）的研究成果，镀Zn 金属件的镀层在大气中的腐蚀率为：海洋大气中为7.1～50g/（m2·年），城市大气中为14.3～50g/（m2·年），工业大气中为28.6～142.8g/（m2·年），在淡水中的腐蚀速率为33～100g/（m2·年）。

其实，在河流、湖泊水流中的腐蚀速度会比在大气中或淡水中的腐蚀速度更快，这主要是镀层会受到水质的ph 值、温度、流速、含砂量、波浪等因素的影响。可见，镀层钢丝的耐久性受其所处环境的影响也较大。

3 镀层钢丝使用年限预测

3.1 理论分析

（1）镀Zn 钢丝。以国内常用石笼网材钢丝镀层的镀Zn 量250g/m2为例。据上文对镀Zn金属件在不同环境中腐蚀率的分析，可推算出，镀Zn 钢丝镀层在海洋大气中、城市大气中、工业大气环境中和淡水中的使用年限分别为 5～35.2年、5～17.5年、1.8～8.7年和2.5～7.5年。

（2）镀Zn-10%Al 合金钢丝。由表1、表2盐雾试验的结果可知，在同一环境条件下，镀Zn-10%Al 合金钢丝的抗腐蚀性约为镀Zn 钢丝的7倍。另考虑到镀Zn-10%Al 合金钢丝的镀层重量可达 450g/m2以上。以此推算，镀层重量450g/m2的镀Zn-10%Al 合金钢丝的使用年限分别为：海洋大气中63～443年，城市大气中63～220年，工业大气环境中22～110年，淡水中31.5～95年。

从以上的理论分析可知，镀层重量大（450g/m2）的Zn-10%Al 合金钢丝的使用年限平均值大约在65年±30年，而镀层重量小（250g/m2）的镀Zn 钢丝的使用年限仅为5年±3年。

3.2 工程案例分析

（1）镀Zn-10%Al 合金钢丝。台湾新店溪格网石笼护岸工程，1989年4月完工。采用钢丝丝径φ3.2mm，设计镀层重量400g/m2。调研时间为1990年12月和2005年10月（见图3）。经过16.5年的工程运行，对现场钢丝取样量测，其镀层重量为314g/m2，镀层损失量为86g/m2，其镀层腐蚀速度约为5.21g/m2/年。据此推测，该镀层钢丝的使用年限可达70 余年。

图3 台湾新店溪格网石笼护岸工程

（2）镀Zn 钢丝A 案例。长江干堤某格网石笼护岸工程所用镀锌钢丝的设计镀层重量为250g/m2，施工期为2004年，完工一年后在自然植被恢复良好地段，钢丝发生锈蚀的程度很小，而在水位变动区钢丝的锈蚀程度明显，但未引起断裂。根据现场情况，初步估计网箱钢丝在水位变动区域的腐蚀速度约为45g/m2/年。由此推算，其使用寿命为5年左右。

（3）镀Zn 钢丝B 案例。浙江某河道格网石笼护岸工程镀锌钢丝的设计镀层重量为250g/m2，施工期集中在2006年度，至2010年已运行4年左右的时间。格网石笼在水位变动区及水下的钢丝锈蚀严重，部分镀层脱落、钢丝断裂，水位以上网垫的钢丝锈蚀程度轻微。根据现场情况估计，在水位变动区域钢丝的腐蚀速度约为60g/m2/年，其使用寿命为4年左右。

通过以上理论分析和工程案例分析可知，镀层钢丝的耐久性及格网石笼的工程可靠性除与石笼所处的环境条件有关外，受钢丝的镀层种类和镀层工艺的影响也很大。

首先，镀层工艺较好的镀Zn-10%Al 合金钢丝（镀层量高和Al 元素的抗腐蚀性）的耐久性比普通热镀Zn 钢丝的耐久性好。目前国内普遍使用的250g/m2镀层重量的镀Zn 钢丝的使用年限一般仅为5年左右，而镀层重量大（450g/m2）的Zn-10%Al 合金钢丝的使用年限一般可达65年左右；其次，镀层钢丝在水中的腐蚀率比空气中大，因而耐久性差；第三，镀层钢丝在水位变动区的腐蚀率比在水中或空气中大，耐久性也差；第四，水质较差、水沙条件不好的河流、湖泊中，镀层钢丝的耐久性较差；第五，石笼完工后，后期自然植被恢复良好时，镀层钢丝的耐久性好于裸露在大气中的镀层钢丝。

4 应用条件及适宜性建议

镀层钢丝的选择与石笼保护对象的工程重要性有关。本文通过对不同使用环境中，不同镀层钢丝的耐久性分析、研究，并结合工程造价、工程等级划分及作者多年从事河湖生态治理和对格网石笼的应用经验，提出了不同镀层钢丝编织的格网石笼的应用条件及适宜性建议，供工程设计参考。

（1）格网石笼的网材宜采用镀层工艺好、性价比高的高镀层钢丝，比如镀层重量为400g/m2以上的镀层钢丝。

（2）1、2 级堤防或3、4 级堤防水位变动区的石笼防护结构，宜选用镀Zn-10%Al 的合金钢丝；3、4 级堤防或5 级堤防水位变动区的石笼防护结构，宜选用镀Zn-5%Al 的合金钢丝；5级堤防可选用镀Zn 钢丝。

1 彭守良.格宾在城市河道整治工程中的应用[J].广东科技2008，（2）：108-109.

2 张杰，王秀通，侯保荣，李焰.几种热浸镀层钢丝在青岛 海水中腐蚀行为的对比研究.海洋科学，2005，29（7）：12-16.

3 GB/T10125—1997 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验.北京：标准出版社，1997.

4 JTGF71—2006 公路安全交通设施施工技术规范.北京：人民交通出版社，2006.

5 GB50286—98 堤防工程设计规范.北京：中国计划出版社，1998.