格宾石笼在泄洪河道护岸加固中的应用

李大银

(安徽省淠史杭灌区管理总局，安徽 六安 237005)

格宾石笼具有低成本、高施工效率、整体加固稳定、渗透力强，以及适应任何工程的特点，广泛应用于加固工程中。在路面加固过程中，可以就地取材，利用支护技术将路面加固[1]。因此，本文将格宾石笼应用于泄洪河道护岸中，利用其低成本、高效施工、稳定性强的特点，加固河道护岸的稳定性。根据力学特性可知，格宾石笼的单轴压缩峰值较高，因此稳定系数相对较高，稳定性也随之提高。同时，格宾石笼的加固效果并不会受到河道坡度的影响，因此安全性更高。石笼本身的设计价格较低，并且可以适应各种强度的河岸受力，变形回弹力较好，将格宾石笼应用到河道护岸的加固中，可以提高河道护岸的稳定性，实现加固的目的。

1 基于格宾石笼的泄洪河道护岸加固方法设计

1.1 比选河道堤身加固形式

根据格宾石笼的不同用途，材料也不同。一般情况下，格宾石笼的材料选择热镀锌的低碳钢丝，外部利用树脂保护，具有强度高、韧性大，防腐蚀的特点，可以增强加固效果[2]。本文将格宾石笼应用在河道护岸的加固中，选取的材料相对不同。本文使用PVC材料，利用钢丝的锌处理，延缓河道护岸的腐蚀性，提高其使用时间。同时，在格宾石笼的运输过程中，可以随意折叠，便于打包，到达河道护岸处再打开，将相邻的石笼相互组装，互相绑紧，加固石笼的耐用程度，进一步提高其稳定性。本文在河道护岸加固工程设计中，首先选取洪水道右路堤作为河道护岸的加固对象。河道水位堤坝具有双向入渗的条件，当河内水位高，而无溢流通道时，河道堤身形成稳定入渗的状态[3]。从主河道到溢流河道，河道堤身的加固，相当于河道护岸竖向阻隔作用的防水墙，提高渗透点，降低水流坡度。同时，河道护岸周围设置逃生坡、泄洪道，均采用砂土设计，使地下水位升高，降低坡基处修筑挡土墙的难度，成本也就随之减少。另外，本文设计的河道堤身加固形式，应用较为灵活的可渗透石笼网，也就是格宾石笼。该石笼的应用，既能解决堤岸边坡、坡脚的透水问题，又能保证堤坝坡面的安全稳定性。同时保证加固中带有保护路堤边坡的效果，既可以解决路堤边坡保护和河岸透水问题，又能更好地适应路堤边坡局部变形回弹问题。进一步降低工程的成本，提高加固效果[4]。

本文将传统的混凝土加固护岸、浆砌石加固护岸，以及格宾石笼加固护岸的施工难易程度、加固效果、护岸效果、护岸性质，以及成本作出比较，根据实际情况比较本文设计格宾石笼加固的优势。具体情况见表1。

表1 三种护岸加固比较

表1中，混凝土加固护岸施工程度较难，加固效果却一般，护岸效果也不理想，护岸性质属于刚性，是典型的以刚制刚，加固效果较差，成本较高，并不适用于河道护岸的加固[5]；浆砌石加固护岸的施工程度属于中等水平，加固效果同样不理想，护岸效果也一般，护岸性质同属于刚性，加固效果差，成本较高，同样不适用于河道护岸的加固；而本文设计的格宾石笼的加固护岸，施工程度更容易，运输更便捷，携带更方便，成本也更低，因其适应形变回弹能力高，加固效果较好，护岸效果较优质，护岸性质属于刚柔并济，因此加固效果更佳。河道属于地质沉降区，经常发生不均匀沉降的情况，因此护岸加固就需要刚柔并济的性质，可以适应变形回弹的现象，防止护岸结构遭到破坏，因此本文选用的格宾石笼更具有实际应用价值。

1.2 绘制格宾石笼加固护岸形式图

通过比选河道堤身的加固形式，得出格宾石笼的加固效果更佳的结论，本文将依此绘制格宾石笼加固护岸形式图。选用现有泄洪护岸的右侧河道，将河床与海平面之间的坡度以1∶3的陡坡比布置，然后铺设格宾石笼。为保证格宾石笼的稳定性，本文覆盖两层400g/m2的无纺布，厚度约1.5m，沿下游方向每15m宽处，安装宽0.5m、深1.5m的C20混凝土密封。期间，保持石笼尺寸为4.5m(4.0m/3.5m/3.0m)×1.5m×1.0m，石笼网孔直径为8.5cm×12.5cm，格宾网孔直径约3.2mm，包边钢丝直径约3.9mm，钢丝上镀铝含量为5.5%的Al、Zn合金与珍稀土质，其中Al的含量大于4.7%，利用双分区布置机制六边形双面胶网[6]。格宾石笼的钢丝热镀锌设计中，Zn含量需要≥260g/m2，表面涂刷PVC材质。石笼的网面抗拉强度、钢丝抗拉强度，以及石笼形变率务必符合国家标准的要求。现场设计过程中，需要工人在现场使用机器将网状钢丝缠绕在石笼的边缘线上，缠绕次数至少为3圈，其作用是加强网状钢丝的强度，同时降低边缘磨损度，确保加固效果。在石笼加固中需要将网状钢丝相互扭绞，石笼线所用的钢丝与网状钢丝的材质相同，使连接强度增大，并利用单双绞交替的扭绞形式，使其间隔在100～150mm左右。此外，在格宾石笼中，填充料的最大容重应达到18～19kN/m3，并满足MU30以上的硬岩或砾石的强度，适宜的粒度为100～250mm。具体加固形式图如图1所示。

图1 格宾石笼加固护岸形式图

如图1所示，本文设计的格宾石笼加固护岸形式中，采用人工与机械交替承载的方式，先利用人工，将大石块放在格宾石笼的周围，然后用大型挖掘机装载石块，最后再利用人工放置石块，确保表面平整并密封。与传统河道护岸加固模式相比，本文设计的格宾石笼施工简单，不需要复杂的技术，对笼边的适应性强，回弹能力较高。此外，石笼的笼缝具有高渗透性，有助于吸附少量水源，避免上层建筑受潮。并且格宾石笼可折叠运输，并在工地组装，节省运输成本[7]。

1.3 制定格宾网箱加固流程

绘制出格宾石笼的加固护岸形式图后，格宾网箱的加固也就随之设计。在宽敞、平坦的河道护岸，选择格宾石笼扩大路面后，会有三个验收方验收，然后进行加固过程。石笼网箱的加固为保证质量要求，供方应提供符合设计要求的检测报告[8]。同时在河道加固中，必须按照设计要求进行加固，保证河道平整、致密、无杂物。加固过程中发现与地质调查报告不一致的情况，要及时通知相关部门，对河道进行调查。使用土工布缝制土工布包裹并搭接接头，搭接长度至少为1.0m。在格宾石笼的加固过程中，设置默认保护位置，并根据平面布置的X、Y坐标，使用定位装置确定坐标位置。然后根据横截面图，确定河道加固的高程和宽度，并放桩通过放样线，以挖掘机预留河道加固条件，通过手动调平护岸基础；并将挖掘机挖出的河道泥土就近堆放，作为格宾石笼加固的填充料，多余的泥土直接回填入河岸。在加固过程中，实时监测土壤质量，如有变化及时通知监理人员。此外，在加固底槽时，需要手动调平底槽，由于基槽底部不得有尖锐物体、突起和凹痕，会影响河道护岸的护岸效果，因此手动调平底槽很重要。或者在基槽内铺设土工布，可以避免破坏河道护岸效果，形成滤体过滤掉杂质，提高加固效果[9]。

在填满油隙的河道上，进行手工铺装格宾石笼，将隔板与前后板成直角形式，并绑好隔板。绑扎隔板线与背板、面板的材料相同，将背板、面板和端板的连接处绑在一起，提高压力，进而降低水压强度。本文在每层石笼网箱的外侧均设计加强筋，四根石笼网均匀在面板的正中间隔。格宾石笼按照设计要求组装到位。此时，将组装好的石笼网置于钢板制成的框架内，钢板的强度不会因石头的挤压而变形。并且，石笼网的中间隔板用钢棒均匀固定，防止变形，待石块填充到钢棒的位置后，将钢棒拆除。此石料具有硬度高、风化程度低、水解效果差的特点，并且粒度在150～300mm范围内。因此达到设计粒度的要求则会投入使用，不符合设计要求的不得填入。使碎石速度同时满足手动和挖掘机装载的速度。

1.4 计算格宾石笼加固的河道护岸稳定系数

通过上文中对格宾网箱加固流程的制定，本文将依此计算加固后的河道护岸稳定系数。由于早期关于河道护岸的稳定性研究大多在河道上，对河道土质、水质进行定性分析，得出的结果可能略有不同[10]。在当今技术不断革新的环境下，河道护岸的稳定性研究也在逐步改革。本文计算稳定系数，主要采用材料力学和地球动力学的原理，并结合许多工程实践得出的经验，利用虚拟方法做出一些假设，即用途广泛的刚体极限平衡法。根据地质灾害记录资料，本文对具体工程的护岸稳定性进行分析与研究。采用圆弧法，其原理是通过多次计算找到圆弧面的位置，从而得到最危险滑动面位置。用于河道护岸的加固设计中，即为通过多次计算，找到河道护岸薄弱位置，进而集中加固该位置。当河道附近土壤受到破坏时，滑动面非常接近对数螺旋的形状，并且弧形滑动面的理论计算量不算大，可以很好地反映滑动面的特性。因此可以广泛应用于实际工程。

一般情况下，格宾石笼的高度有200cm与150cm的两种规格，本文采用200cm高格宾石笼计算，计算三层石笼结构，第一层的宽乘高为100cm×100cm；第二层的宽乘高为150cm×100cm；第三层的宽乘高为200cm×100cm。由于格宾石笼的顶层为生态土堤，因此河道比例为1∶1.5，其计算简图如图2所示。

图2 格宾石笼计算简图

河道附近土质压力系数，本文根据库伦土压力公式计算，得出护岸断面形式，公式如下：

(1)

式中，Ka—河岸附近土质压力系数；φ—河道与土质交叉角，(°)；α—护岸墙背与河道间夹角，(°)；β—护岸墙后填土面与河道间的倾角，(°)；δ—护岸墙背与河道之间的夹角，(°)。此时，利用滑动稳定安全系数计算公式，得出格宾石笼的加固安全稳定系数，公式如下。

(2)

式中，Sa—格宾石笼加固河道护岸的稳定系数；γ—河道土壤最大容重， kN/m3；H—格宾石笼墙高度，m。

2 实例分析

2.1 工程概况

泄洪通道右岸堤防，从冲砂闸出口开始至横排头枢纽管理段分界线处，全长约800m左右，也是淠河总干渠的左岸堤防。堤顶高程在51.5～54.1m，堤顶上游最窄处为15m，下游宽约200m，堤防坡脚底部河槽高程在40.3～43.0m，原滩地高程在45.50～46.0m。临泄洪通道侧，堤防堤顶至滩地间的坡比为1∶3，滩地至堤防坡脚间的坡比为1∶2。冲砂闸出口下游约100m长的堤防，由于堤身断面单薄，堤身填筑质量差，在2002年加固时，设置了高压摆喷截渗墙，该截渗墙与横排头枢纽溢流坝、土坝的截渗墙连成一体，堤防临河侧和临渠道侧两边的岸坡都进行了防护，2002年加固后安全运行至今。

2.2 应用效果

由上文分析了解到不同的河道坡度，安全稳定系数也不同，根据国家标准河道稳定系数1.20，计算本文设计的方法在任意坡度的稳定系数。根据公式(1)，取河道与土质交叉角φ为18°；护岸墙背与河道间夹角α为0°；护岸墙后填土面与河道间的倾角β为0°；护岸墙背与河道之间的夹角δ为23°；经计算得出：Ka=0.528。并根据稳定安全系数公式(2)，取河道土壤最大容重γ为18kN/m3；格宾石笼墙高度H为2.0m；则格宾石笼加固河道护岸的稳定系数Sa=1.48>1.20。

此外，根据以上公式计算坡度分别在25°、30°、35°、40°、45°、55°、60°、65°、70°时，传统的混凝土护岸稳定系数，与本文设计的格宾石笼加固护岸的稳定系数，结果见表2。

表2 不同坡度的安全稳定系数

如表2所示，传统的浆砌石加固护岸安全稳定系数在≤40°时，稳定系数相对较高，超过国家标准的1.20，河道护岸的稳定性较强，>40°后，稳定系数相对较低，均低于1.20，此时河道护岸的稳定性较差，不能有效抵御洪水。而本文设计的格宾石笼加固护岸安全稳定系数，从25°～70°，均在国家标准的1.20以上，并且按照这个趋势，在坡度更高的情况，安全稳定系数也会在1.20以上，属于稳定性较强的河道护岸，可以有效地抵御洪水，符合本文研究目的。

3 结语

传统的河道护岸加固方法使用混凝土或浆砌块的形式，在原始环境下，基本满足安全稳定性的需求，但是随着社会的进步，环境的改变，传统的加固方法不再适用于现今的环境。由于混凝土施工困难，成本较高，成为河道护岸加固的负担；浆砌块的加固方法同样不能满足泄洪的加固要求。此时，格宾石笼施工简单、成本低廉，加固效果更佳的特点，进入研究者的视野。本文将格宾石笼的加固方法应用到泄洪的河道护岸加固上，将河道护岸的加固施工过程变得更加容易，降低了一定的成本，提高了安全稳定系数。