软基上格宾石笼挡土墙设计及其适用条件探析

王民侠

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

石笼技术具有“重而不陷、击而不反、硬而不刚、散而不乱”的优异性能，与砌石、素混凝土等不能承担拉应力的圬工工程比较，柔性的石笼结构具有只发生弯曲变形而不致脆性断裂的优点，可承受一定拉力并防止结构性失效失稳，越来越得到广泛应用。为使石笼具有抗腐、耐磨、高强的性能，几千年来人们不断研究和探索笼箱材质，先后采用了竹蔑、柳条、格宾网（包括低碳钢丝、镀锌低碳钢丝、5%或10%铝- 锌稀土合金镀层钢丝或同质包覆聚合物钢丝，镀锌覆膜、镀高尔凡覆塑的低碳钢丝）等，竹蔑、柳条使用寿命仅1 a～2 a，水下工程中已经很少使用，本文结合三原清河护岸工程设计探析格宾网石笼的适用条件。

1 研究背景

陕西省三原县清河护岸工程属城市河道防护工程，治理范围为古龙桥至池阳桥，护岸长度为3.61 km。治理区河道岸坎高出河床25 m 左右，护岸为5 级建筑物，挡墙高度6 m，防洪标准为10 a 一遇，相应洪峰流量375 m3/s[1]。

2 基本资料

工程区河谷呈“U”型，谷底宽度100 m～130 m，河道内遍布池塘湿地，岸线沿黄土斜坡下部前缘布设，两岸有多处泉水出露，泉水分布高程在395.0 m～405.0 m。挡土墙基础坐落在粉质壤土和淤积厚度8 m～10 m 的淤泥质壤土中，挡土墙墙顶高程为399.20 m～398.12 m，墙基高程为393.20 m～392.12 m，泉水出露高程位于墙后中上部，流量一般0.5 L/min～2.0 L/min。护岸沿线漫滩地下水位埋深0～1.0 m。石料场位于泾阳县安吴镇罗圈梁村，岩性为奥陶纪灰岩，运距12 km。

3 挡土墙设计

3.1 挡墙型式确定

根据本工程建筑材料及地形地质条件，选择格宾石笼挡土墙、M7.5 浆砌石挡土墙和自嵌式加筋土挡墙三种型式进行比选。选取左岸代表性的D10～D11 断面之间161.33 m 长度进行挡墙型式比选，比较结果见表1。

淤泥质壤土地基承载力低、变形量大、工程性能差、泉水及地下水出露较高、施工中存在水下施工均是制约本工程挡墙型式选择的不利因素。从表1 可以看出，格宾石笼挡土墙具有良好的透水性、软基适应性、方便水下施工及造价较低的优点，是适合本工程的较优型式。

挡墙高度6 m，墙底宽4 m，墙顶宽0.5 m，共布置六层石笼，高度均为1 m。第一层箱体宽度4 m，由2 个2 m×1 m 箱体组成，第二层由2 个1.5 m×2 m 箱体组成，第三层由2 个1.25 m×3 m 箱体组成，第四层由一个2 m×2 m 箱体组成，第五层由一个1.5 m×3 m 箱体组成，第六层由“L”型箱体组成，顶宽0.5 m，底宽1 m。横剖面设计见图1。

图1 三原县清河格宾石笼挡墙横剖面图

表1 挡墙型式比较表

3.2 软基处理

挡墙基础坐落在淤泥质壤土中，软塑，干密度ρd=1.4 g/cm3，压缩系数a1-2=0.65 MPa-1，压缩模量E1-2=3.5 MPa，是高压缩性土。饱和快剪抗剪指标为：C=20 kPa，φ=12°，渗透系数:Kv20=8.07×10-6cm/s，Kh20=2.8×10-6cm/s，允许水力坡降J允=0.35，承载力fk=80 kPa。常用的软基处理方法有开挖法和抛石挤淤法，本工程为线性工程且挡墙高度6 m，为节省工程投资，对厚度2.0 m 以内的淤泥质壤土，进行全部挖除，将基础置于下部粉质壤土中。厚度2.0 m 以上时，利用本工程临近县城，建筑垃圾较多的特点，采用抛填砖块、废弃建筑垃圾等进行挤淤碾压至挡墙基础高程，再进行格宾石笼墙体施工。

3.3 格宾材质选择

格宾网由于镀层或包覆材料及钢丝材质的不同导致使用寿命差异较大，一般为5 a～50 a。电镀锌低碳钢丝（也称铅丝，镀锌量10 g/m2），可用在使用年限要求0.5 a 以内的抢险等一次性工程中；防腐性能一般的普通热镀锌钢丝（镀锌量65 g/m2）可用在使用年限5 a 以下的围堰等临时工程中；防腐性能较强的高热镀锌钢丝（镀锌量245 g/m2）可用在使用寿命15 a 以下的工程中；防腐性好的5%或10%铝- 锌稀土合金镀层钢丝或同质包覆聚合物钢丝，可用在使用年限要求30 a～50 a 的工程中。格宾石笼的优点之一在于可以根据不同要求选用不同格宾材质。对于永久工程，严禁采用不具备防锈功能的Q195、Q215 低碳钢丝。

本工程5 级护岸，合理使用年限为20 a，格宾网箱采用10%铝- 锌稀土合金镀层钢丝。合金钢丝的选择关键在于合金钢母材，母材中加入0.3%～0.6%铬（Cr）可解决防锈问题；加入0.001%～0.003%的硼（B）可提高淬火后钢材截面内组织和性能的均匀性，节约大量贵重合金元素，节约成本；加入0.1%～0.4%硅（Si）元素可满足抗张力弹性、耐热性和耐腐蚀性、有效脱氧；合金钢丝表面镀锌，可解决稳固周期屏蔽，避免加工、运输及施工中破损。

3.4 填充石料要求

（1）孔隙率

重力式挡土墙要求较小的变形量，可借鉴以重力和变形控制稳定的堆石体要求。《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）第4.2.6 条规定，用孔隙率作为堆石料设计控制填筑指标，孔隙率宜为20%～28%[2]；《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228-2013）第4.2.2 条规定，堆石料孔隙率可采用20%～25%（干密度2.16 g/cm3～2.00 g/cm3）[3]。渗透系数一般在1×10-2cm/s～1×10-4cm/s 之间。大坝的堆石体需重型设备多次碾压才可达到要求的空隙率，笼箱装石没有碾压条件，仅靠合理级配充填孔隙，孔隙率要求一般要低于大坝工程，本工程孔隙率采用25%～30%，干密度采用2.0 g/cm3～1.9 g/cm3。

（2）石料原岩质量技术要求

对处于水下或潮湿环境的格宾石笼，装笼石料原岩饱和抗压强度＞30 MPa，软化系数＞0.75，冻融质量损失率＜1%，干密度＞2.4 g/cm3。

3.5 墙背填料设计

格宾石笼重力式挡墙墙背优先填筑抗剪强度较高的砂砾料[4]，在砂砾料缺乏地区，也可采用土料回填，墙背填料与石笼料之间须满足反滤要求。当墙背填料为粘性土时，在墙背铺设反滤土工布往往因破损较多而导致反滤失效，土料与格宾笼之间采用砂砾料反滤。

3.6 墙体沉降量控制

由于格宾石笼具有较大的孔隙率，设计中可根据计算确定墙体沉降量，也可按墙身高度的3%～5%估算沉降量，由于格宾网是由工厂按设计尺寸加工的，为了不增加工程投资，最好在基础开挖时考虑沉降因素。

3.7 墙体尺寸设计

为加工方便，格宾箱体一般做成规整尺寸断面，挡土墙基础按台阶状设计，不做斜坡式基础。在墙体分段中也适当考虑箱体尺寸，充分考虑施工和格宾箱体加工因素。

4 不宜采用格宾石笼挡土墙的情况

对于该新型材料结构，在适用范围上存在一定局限性，以下工程应慎选格宾石笼挡土墙：

（1）使用年限30 a 以上的重要部位或重要工程；

（2）冲刷严重、变形控制要求严格的工程；

（3）当地石料缺乏需远距离运输的工程；

（4）具有防渗要求的建筑物；

（5）高度大于6 m 的挡土墙采用该型式时应充分论证；

（6）上部为素混凝土或浆砌石等污工结构物时，基础不宜采用格宾石笼型式，其较大的变形量易导致上部刚性结构开裂变形；

（7）当厚度h≤0.3 m，流速v≥3.5 m/s～5.0 m/s 时，不宜采用格宾网垫护坡；当流速v≥6 m/s 时，不宜采用格宾笼石挡土墙。

5 结语

三原县清河防护工程中曾采用浆砌石挡土墙和连锁块护坡防护等多种型式，浆砌石挡土墙在软基上裂缝损毁严重，连锁块护坡在高地下水及大变形情况下剥离脱落。本工程格宾石笼挡土墙2016 年建成，至今已运行4 a，未发现破损失稳等，是适合于该地基的较优型式。作为一种新型材料，结合本工程应用提出以下三点建议：

（1）格宾网选材是决定工程质量及耐久性的关键环节。

（2）采用刚体极限平衡法进行抗滑稳定分析与实际受力与变形机理上存在较大差异，迫切需要统一的规范标准约束设计和施工。在相应规范颁布实施前，《广东省中小河流治理工程格宾石笼应用技术要求（试行）》本，可作为设计及施工验收的依据。

（3）格宾石笼孔隙率较大，易因淘刷变形导致墙体失稳，临河挡墙墙高大于6 m 时应慎重选择。