范惠生

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

1 前言

在河流、湖泊治理工程中，采用鍍層鋼絲編織的格網(wǎng)石籠──柔性防護材料替代傳統(tǒng)的圬工硬質防護材料，已成為河流、湖泊生態(tài)治理工程中“睡堤喚醒”的重要手段。

格網(wǎng)石籠作為堤防或護岸的防護材料，具有多孔、柔性、透水的特點?？衫煤樱ê┧w在網(wǎng)箱上掛淤或人工覆土，孔狀結構營造的環(huán)境，可形成生物多樣性和外觀自然生態(tài)的景觀效果，同時利于河、湖水陸交錯帶生物的遷移。多孔特點：表面粗糙，利于破浪，可減小浪壓力、真空吸力和波浪爬高；分散冰壓力，緩解冰凍破壞；給水生動物提供了棲息、繁衍、避難的場所；給水生植物提供生根的空間；石塊多孔，表面積大，利于微生物種群的生存，可改善水質。柔性特點：適應地基變形；地基處理簡單；施工方便、工程造價低；網(wǎng)狀結構整體性好，抗沖刷能力強；施工受氣候的影響小，施工效率高、工期短。透水特點：墻后積水排泄通暢；水壓力小，利于擋墻穩(wěn)定。

理論分析、室內試驗和工程實踐表明，采用不同鍍層鋼絲編織的格網(wǎng)石籠的工程耐久性存在較大差異。

2 鍍層鋼絲耐久性的影響因素

格網(wǎng)石籠結構充分利用了鋼絲網(wǎng)箱的強度、柔性和整體性，以及鍍層鋼絲耐久性的特點。其工程特性是建立在網(wǎng)箱安全基礎上的，即基于束縛石材的網(wǎng)箱材料──鍍層鋼絲的耐久性（即防腐性能）。換言之，格網(wǎng)石籠結構的耐久性取決于網(wǎng)材鍍層鋼絲的耐久性。鍍層鋼絲的耐久性主要受3 類（5 種）因素的影響：鍍層種類、鍍層工藝（鍍層重量、鍍層均勻度(偏心)、鍍層附著力(開裂)）和使用環(huán)境。

2.1 鍍層的種類

目前，國內、外用于格網(wǎng)石籠網(wǎng)材鋼絲的鍍層主要包括三類：鍍Zn 類、鍍Zn-5%Al 合金類和鍍Zn-10%Al 合金類。

有電化學實驗表明：鋅鋁合金鍍層鋼絲的耐腐蝕性高于鍍鋅鋼絲，鍍層中的鋁元素能明顯提高鍍層的耐腐蝕性能。鋼鐵研究總院通過鹽霧試驗，對比分析了鍍鋅鋼絲與鍍鋅鋁合金鋼絲的防腐性能。試驗條件為：氯化鈉溶液為50g/L±5g/L；pH 值為6.5～7.2；溫度為35℃±2℃；噴霧方法為連續(xù)噴霧；試驗時間分別為240、480h，試驗結果見表1、表2。

試驗數(shù)據(jù)分析得出：

（1）不同種類的鍍層鋼絲的耐腐蝕性能有較大差異；

（2）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的耐腐蝕性能為鍍Zn-5%Al 合金鋼絲的2～3倍；

（3）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的耐腐蝕性能為鍍Zn 鋼絲的6～7倍。

通過以上對鍍鋅類和鍍鋅鋁合金類鋼絲的對比研究發(fā)現(xiàn)，鍍鋅鋁合金類鋼絲比鍍鋅類鋼絲的防腐性能好。這是由于鍍鋅鋁合金鋼絲中Al元素能阻滯Fe-Zn 合金層的反應，防止界面產(chǎn)生裂紋，并在鍍層表面形成Al2O3保護膜，以屏蔽、保護鍍層和基體（鋼絲），防止其腐蝕。

表1 鍍層鋼絲鹽霧試驗成果表（240h 鹽霧試驗）

表2 鍍層鋼絲鹽霧試驗成果表（480h 鹽霧試驗）

2.2 鍍層的重量

鍍層重量以鋼絲單位表面積上所熱鍍的鍍層重量（g/m2）表達。在忽略了鋼絲鍍層平均年腐蝕量的浮動等差異后，鋼絲的使用年限可以簡化為以下公式加以詮釋：

由此看出，鋼絲使用年限與鍍層重量成正比。在假定鋼絲鍍層平均年腐蝕量相等的情況下，通過改善鍍層工藝，增加鋼絲鍍層重量，可有效增加鍍層鋼絲的使用年限。表1、表2 的鹽霧試驗結果也說明了這一點。

2.3 鍍層的均勻度

因鍍層工藝的不同，鋼絲鍍層的不均勻性存在較大差異，鍍層較薄弱部位見[圖1（a）]的腐蝕速度較快，對鋼絲的使用年限起到?jīng)Q定作用。鍍層鋼絲上、下、左、右四個剖面的鍍層均勻性對比見圖1。

從圖1 可以看出，鍍層工藝好的鋼絲鍍層較均勻，而鍍層工藝差的鋼絲鍍層均勻性較差，成為其耐腐蝕性的薄弱部位。

2.4 鍍層的附著力

鍍層的附著力反映了鋼絲鍍層與鋼絲本體接觸面結合的牢固程度。由于工程中所用石籠網(wǎng)箱的鋼絲在經(jīng)過機械編織絞繞后，對鋼絲鍍層會有不同程度的損壞而影響石籠的耐久性，因此石籠網(wǎng)材鋼絲對鍍層的附著力有較高的要求。

不同鍍層工藝的鋼絲鍍層在自身纏繞實驗下的對比照片見圖2。

從圖2 可以看出，鍍層工藝差的鋼絲鍍層附著力差，鍍層表面已經(jīng)出現(xiàn)開裂，而鍍層工藝好的鋼絲鍍層附著力好，鍍層表面完好。

圖1 鋼絲鍍層剖面圖

圖2 鋼絲鍍層附著力實驗

2.5 使用環(huán)境

根據(jù)美國材料試驗協(xié)會（ASTM）和日本鋼鐵協(xié)會（ISIJ）的研究成果，鍍Zn 金屬件的鍍層在大氣中的腐蝕率為：海洋大氣中為7.1～50g/（m2·年），城市大氣中為14.3～50g/（m2·年），工業(yè)大氣中為28.6～142.8g/（m2·年），在淡水中的腐蝕速率為33～100g/（m2·年）。

其實，在河流、湖泊水流中的腐蝕速度會比在大氣中或淡水中的腐蝕速度更快，這主要是鍍層會受到水質的ph 值、溫度、流速、含砂量、波浪等因素的影響?？梢姡儗愉摻z的耐久性受其所處環(huán)境的影響也較大。

3 鍍層鋼絲使用年限預測

3.1 理論分析

（1）鍍Zn 鋼絲。以國內常用石籠網(wǎng)材鋼絲鍍層的鍍Zn 量250g/m2為例。據(jù)上文對鍍Zn金屬件在不同環(huán)境中腐蝕率的分析，可推算出，鍍Zn 鋼絲鍍層在海洋大氣中、城市大氣中、工業(yè)大氣環(huán)境中和淡水中的使用年限分別為 5～35.2年、5～17.5年、1.8～8.7年和2.5～7.5年。

（2）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲。由表1、表2鹽霧試驗的結果可知，在同一環(huán)境條件下，鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的抗腐蝕性約為鍍Zn 鋼絲的7倍。另考慮到鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的鍍層重量可達 450g/m2以上。以此推算，鍍層重量450g/m2的鍍Zn-10%Al 合金鋼絲的使用年限分別為：海洋大氣中63～443年，城市大氣中63～220年，工業(yè)大氣環(huán)境中22～110年，淡水中31.5～95年。

從以上的理論分析可知，鍍層重量大（450g/m2）的Zn-10%Al 合金鋼絲的使用年限平均值大約在65年±30年，而鍍層重量?。?50g/m2）的鍍Zn 鋼絲的使用年限僅為5年±3年。

3.2 工程案例分析

（1）鍍Zn-10%Al 合金鋼絲。臺灣新店溪格網(wǎng)石籠護岸工程，1989年4月完工。采用鋼絲絲徑φ3.2mm，設計鍍層重量400g/m2。調研時間為1990年12月和2005年10月（見圖3）。經(jīng)過16.5年的工程運行，對現(xiàn)場鋼絲取樣量測，其鍍層重量為314g/m2，鍍層損失量為86g/m2，其鍍層腐蝕速度約為5.21g/m2/年。據(jù)此推測，該鍍層鋼絲的使用年限可達70 余年。

圖3 臺灣新店溪格網(wǎng)石籠護岸工程

（2）鍍Zn 鋼絲A 案例。長江干堤某格網(wǎng)石籠護岸工程所用鍍鋅鋼絲的設計鍍層重量為250g/m2，施工期為2004年，完工一年后在自然植被恢復良好地段，鋼絲發(fā)生銹蝕的程度很小，而在水位變動區(qū)鋼絲的銹蝕程度明顯，但未引起斷裂。根據(jù)現(xiàn)場情況，初步估計網(wǎng)箱鋼絲在水位變動區(qū)域的腐蝕速度約為45g/m2/年。由此推算，其使用壽命為5年左右。

（3）鍍Zn 鋼絲B 案例。浙江某河道格網(wǎng)石籠護岸工程鍍鋅鋼絲的設計鍍層重量為250g/m2，施工期集中在2006年度，至2010年已運行4年左右的時間。格網(wǎng)石籠在水位變動區(qū)及水下的鋼絲銹蝕嚴重，部分鍍層脫落、鋼絲斷裂，水位以上網(wǎng)墊的鋼絲銹蝕程度輕微。根據(jù)現(xiàn)場情況估計，在水位變動區(qū)域鋼絲的腐蝕速度約為60g/m2/年，其使用壽命為4年左右。

通過以上理論分析和工程案例分析可知，鍍層鋼絲的耐久性及格網(wǎng)石籠的工程可靠性除與石籠所處的環(huán)境條件有關外，受鋼絲的鍍層種類和鍍層工藝的影響也很大。

首先，鍍層工藝較好的鍍Zn-10%Al 合金鋼絲（鍍層量高和Al 元素的抗腐蝕性）的耐久性比普通熱鍍Zn 鋼絲的耐久性好。目前國內普遍使用的250g/m2鍍層重量的鍍Zn 鋼絲的使用年限一般僅為5年左右，而鍍層重量大（450g/m2）的Zn-10%Al 合金鋼絲的使用年限一般可達65年左右；其次，鍍層鋼絲在水中的腐蝕率比空氣中大，因而耐久性差；第三，鍍層鋼絲在水位變動區(qū)的腐蝕率比在水中或空氣中大，耐久性也差；第四，水質較差、水沙條件不好的河流、湖泊中，鍍層鋼絲的耐久性較差；第五，石籠完工后，后期自然植被恢復良好時，鍍層鋼絲的耐久性好于裸露在大氣中的鍍層鋼絲。

4 應用條件及適宜性建議

鍍層鋼絲的選擇與石籠保護對象的工程重要性有關。本文通過對不同使用環(huán)境中，不同鍍層鋼絲的耐久性分析、研究，并結合工程造價、工程等級劃分及作者多年從事河湖生態(tài)治理和對格網(wǎng)石籠的應用經(jīng)驗，提出了不同鍍層鋼絲編織的格網(wǎng)石籠的應用條件及適宜性建議，供工程設計參考。

（1）格網(wǎng)石籠的網(wǎng)材宜采用鍍層工藝好、性價比高的高鍍層鋼絲，比如鍍層重量為400g/m2以上的鍍層鋼絲。

（2）1、2 級堤防或3、4 級堤防水位變動區(qū)的石籠防護結構，宜選用鍍Zn-10%Al 的合金鋼絲；3、4 級堤防或5 級堤防水位變動區(qū)的石籠防護結構，宜選用鍍Zn-5%Al 的合金鋼絲；5級堤防可選用鍍Zn 鋼絲。

1 彭守良.格賓在城市河道整治工程中的應用[J].廣東科技2008，（2）：108-109.

2 張杰，王秀通，侯保榮，李焰.幾種熱浸鍍層鋼絲在青島 海水中腐蝕行為的對比研究.海洋科學，2005，29（7）：12-16.

3 GB/T10125—1997 人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗.北京：標準出版社，1997.

4 JTGF71—2006 公路安全交通設施施工技術規(guī)范.北京：人民交通出版社，2006.

5 GB50286—98 堤防工程設計規(guī)范.北京：中國計劃出版社，1998.