高寒地区石笼护岸破坏形式及机理

马玉军 张勇 李俊 李鹏飞

摘  要：近年来，铅丝石笼、格宾石笼作为生态型材料，因其适应变形能力强、可冬季施工、可采用沉排方式对水下岸坡进行护砌、绿色环保等优点，已广泛应用于北方高寒地区的护岸工程。但因高寒地区护岸基础冻融、石笼受冰推、冰拔、冰切、水流冲刷等原因，产生不同形式的破坏，根据其破坏形式分析破坏原因，提出预防补强措施，以供类似工作参考。

关键词：高寒地区;石笼护岸;破坏

中图分类号：TV49 文献标志码：A         文章編号：2095-2945（2020）02-0041-02

Abstract： In recent years， as ecological materials， lead wire stone cage and Gebin stone cage have been widely used in bank revetment projects in northern alpine areas because of their strong ability to adapt to deformation， construction in winter， protection of underwater bank slope by sunk row， green environmental protection and so on. However， due to the freezing and thawing of the revetment foundation in the alpine area， the stone cage is pushed by ice， ice pull-out， ice cutting， water erosion and other reasons， there are different forms of damage. According to the failure forms， the damage causes are analyzed， and the preventive and reinforcement measures are put forward， which can be used as a reference for relevant work.

Keywords： high and cold area; stone cage revetment; damage

引言

石笼护砌结构最早起源于2000多年前的竹笼，李冰父子在都江堰工程中首次应用，16世纪欧洲工程师采用意大利石笼（柳条篮）加强军事炮台和加固河堤，钢筋材料广泛应用后，钢筋石笼被应用在工程中，随着现在化工业技术发展，新工艺、新技术、新材料取代竹子、柳条和钢筋，发展成为新型生态格网结构，主要有铅丝石笼、格宾石笼。20世纪90年代末至21世纪初，我国南方地区江河堤防和水库护坡、护岸工程开始使用，并逐步推广。近年来，铅丝石笼、格宾石笼作为生态型材料，逐渐应用于北方高寒地区的护坡、护岸工程，并在黑龙江三江治理工程、界河护岸工程中得到广泛应用。

1 石笼结构型式

石笼结构主要包括网箱和填充石料两部分，网箱为格网绑扎组成的箱型结构，格网为金属线材采用机械编织成六绞状、六边形网孔的片状结构。金属线材为抗腐蚀、耐磨损、高强度的低碳热镀锌钢丝、铝锌混合稀土合金镀层钢丝，包覆PVC或经高抗腐处理的以上同质钢丝。填充石料就地取材，常见的有鹅卵石，碎石等，填充石料要满足一定强度，同时保证填充密实度。石笼铺设完成后，可在石笼表面覆盖一层土壤或者待自然沉积形成土壤，就可以生长草等绿色植物，这样不仅达到防护功效，而且绿化环境。

2 主要破坏形式

对黑龙江现状护岸工程调查，总结发现石笼护岸破坏形式主要有3种。

2.1 护岸基础破坏，石笼移位，整体稳定破坏

护岸基础破坏形式主要为冻胀破坏，护岸基础破坏后，岸坡产生坍塌和滑坡，导致石笼整体塌陷或向河道方向滑动，整体受力平衡状态被破坏，石笼结构随着岸坡变形、坍塌。

2.2 石笼网箱破坏，填充石料被水流冲散

石笼网箱破坏主要为格网本身破坏和格网连接破坏，高寒地区，冬季河道表面形成深厚的冰盖，冰盖形成过程中，对石笼护岸产生冰推作用，当温度连续升高时，冰盖膨胀，挤压石笼结构，产生较大或坏应力。

石笼护岸与冰盖冻结在一起形成一定冻结强度后，气温骤降或河道水位上升或下降时，冰体收缩，冰盖上移或下沉，对护岸产生强大的冰拔力，解冻期，由于河道中心水流流速大，河道中心处冰盖较岸坡处冰盖先融化，岸坡处冰盖有随水流流动的趋势，同样会产生强大的冰拔力。

待冰盖融化一定程度后，石笼护岸与冰盖分离，但冰盖由于风浪作用，会破碎形成冰凌块，冰块随风浪飘动，直接撞击护岸，造成撞击切割破坏。

在各种破坏应力的作用下，石笼网箱箱体金属丝或绑扎金属丝断裂，石笼网箱解体，填充石料被水流冲散，整个石笼护砌结构破坏。

2.3 填充石料流失

石笼结构在外力长期的作用下，虽然格网金属线材没有产生断裂破断，但石笼格网发生变形，部分网孔变大，同时填充石料在水流冲刷和冰冻的作用下逐渐崩解、块径变小，经风浪淘刷部分填充石料钻出格网，被水流带走，石笼内填充石料体积逐渐减少，石笼塌陷，进而破坏。

3 破坏机理

针对以上提出的三种破坏形式，分别分析其破坏机理，总结如下：

3.1 护岸基础破坏机理

护岸岸坡土体含水率达到一定比例时，在负气温作用下，土体中水分变成冰的过程中，体积膨胀而使土体产生冻胀现象，经反复冻融，部分岸坡土体出现隆起塌陷，甚至内部结构破坏，整个岸坡出现滑动、坍塌。

3.2 石笼网箱破坏机理

石笼网箱破坏机理主要为石笼护岸在冰盖及流冰的作用下，受到冰盖的挤压力、冰拔力及冰块的切割力。前两种破坏力主要对石笼结构的整体性，石笼在冰盖的挤压力和冰拔力作用下，局部石笼发生相对基础面的滑动，出现局部隆起或塌陷。加大网箱之间的作用力，当网箱之间的连接结构损坏后，整个石笼结构解体。

当作用在钢丝上的切应力大于其抗冲剪强度时，钢丝被切坏，网箱损坏，填充石料流失，护岸结构破坏。

3.3 填充石料流失破坏机理

填充石料流失一方面是因为石笼结构在外力长期的作用下，虽然格网金属线材没有产生断裂破断，但部分石笼格网发生变形，致使部分网孔变大。同时填充石料质地不够坚硬或体积较小，在高速水流冲刷和冰冻的作用下，块石之间不断摩擦，水流不断冲蚀，石料体积不断减小，经风浪淘刷部分填充石料钻出格网，被水流带走，石笼内填充石料体积逐渐减少，石笼塌陷，进而破坏。

4 结束语

（1）石笼结构适应变形能力强，可冬季施工，可采用沉排方式对水下岸坡进行护砌，其上可以覆土长草，具有绿色环保等优点，适合应用于北方高寒地区的护岸工程。

（2）石笼护岸虽然会产生各种形式的破坏，但可以通过采用相应措施进行补强。

a.护岸基础破坏补强措施

采取适当的排水措施，降低岸坡土体含水量，使其在进入冻结期前，土体中含水率低于起始冻胀含水滤。在护岸基础和石笼护岸之间设置过渡层，避免岸坡土体流失。

b.石笼网箱破坏补强措施

通过一定锚固措施，增加石笼护岸和岸坡基础的整体，削弱冰盖挤压及冰拔力引起的局部石笼发生相对基础面的滑动，降低网箱之间的作用力。适当增加网箱网面钢丝、边丝及绑扎钢丝直径，增加石笼网箱之间的连接力和格网抗剪切破坏强度。

c.填充石料流失补强措施

一方面可以通過严格控制填充石料质地及体积，增加其抗冲蚀和冰冻强度，一方面可以在石笼上覆土，待其形成植被，避免水流直接冲刷。

（3）综上所述，石笼结构是一种实用的护砌形式，通过采取一定措施补强后，可以防止各种冰冻荷载，适合高寒地区护岸工程。

参考文献：

[1]生态格宾结构技术规程[M].中国工程建设标准化协会，2013.

[2]徐恒，谷彤江.格宾柔性防护材料结构综述[J].黑龙江水利科技，2006（04）：191-192.

[3]李宇，陈尧隆.格宾石笼结构的劣性及其补强措施[J].水土保持通报，2018（01）：42-45.