李大銀

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局，安徽 六安 237005)

格賓石籠具有低成本、高施工效率、整體加固穩(wěn)定、滲透力強(qiáng)，以及適應(yīng)任何工程的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于加固工程中。在路面加固過(guò)程中，可以就地取材，利用支護(hù)技術(shù)將路面加固[1]。因此，本文將格賓石籠應(yīng)用于泄洪河道護(hù)岸中，利用其低成本、高效施工、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，加固河道護(hù)岸的穩(wěn)定性。根據(jù)力學(xué)特性可知，格賓石籠的單軸壓縮峰值較高，因此穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較高，穩(wěn)定性也隨之提高。同時(shí)，格賓石籠的加固效果并不會(huì)受到河道坡度的影響，因此安全性更高。石籠本身的設(shè)計(jì)價(jià)格較低，并且可以適應(yīng)各種強(qiáng)度的河岸受力，變形回彈力較好，將格賓石籠應(yīng)用到河道護(hù)岸的加固中，可以提高河道護(hù)岸的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)加固的目的。

1 基于格賓石籠的泄洪河道護(hù)岸加固方法設(shè)計(jì)

1.1 比選河道堤身加固形式

根據(jù)格賓石籠的不同用途，材料也不同。一般情況下，格賓石籠的材料選擇熱鍍鋅的低碳鋼絲，外部利用樹(shù)脂保護(hù)，具有強(qiáng)度高、韌性大，防腐蝕的特點(diǎn)，可以增強(qiáng)加固效果[2]。本文將格賓石籠應(yīng)用在河道護(hù)岸的加固中，選取的材料相對(duì)不同。本文使用PVC材料，利用鋼絲的鋅處理，延緩河道護(hù)岸的腐蝕性，提高其使用時(shí)間。同時(shí)，在格賓石籠的運(yùn)輸過(guò)程中，可以隨意折疊，便于打包，到達(dá)河道護(hù)岸處再打開(kāi)，將相鄰的石籠相互組裝，互相綁緊，加固石籠的耐用程度，進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性。本文在河道護(hù)岸加固工程設(shè)計(jì)中，首先選取洪水道右路堤作為河道護(hù)岸的加固對(duì)象。河道水位堤壩具有雙向入滲的條件，當(dāng)河內(nèi)水位高，而無(wú)溢流通道時(shí)，河道堤身形成穩(wěn)定入滲的狀態(tài)[3]。從主河道到溢流河道，河道堤身的加固，相當(dāng)于河道護(hù)岸豎向阻隔作用的防水墻，提高滲透點(diǎn)，降低水流坡度。同時(shí)，河道護(hù)岸周圍設(shè)置逃生坡、泄洪道，均采用砂土設(shè)計(jì)，使地下水位升高，降低坡基處修筑擋土墻的難度，成本也就隨之減少。另外，本文設(shè)計(jì)的河道堤身加固形式，應(yīng)用較為靈活的可滲透石籠網(wǎng)，也就是格賓石籠。該石籠的應(yīng)用，既能解決堤岸邊坡、坡腳的透水問(wèn)題，又能保證堤壩坡面的安全穩(wěn)定性。同時(shí)保證加固中帶有保護(hù)路堤邊坡的效果，既可以解決路堤邊坡保護(hù)和河岸透水問(wèn)題，又能更好地適應(yīng)路堤邊坡局部變形回彈問(wèn)題。進(jìn)一步降低工程的成本，提高加固效果[4]。

本文將傳統(tǒng)的混凝土加固護(hù)岸、漿砌石加固護(hù)岸，以及格賓石籠加固護(hù)岸的施工難易程度、加固效果、護(hù)岸效果、護(hù)岸性質(zhì)，以及成本作出比較，根據(jù)實(shí)際情況比較本文設(shè)計(jì)格賓石籠加固的優(yōu)勢(shì)。具體情況見(jiàn)表1。

表1 三種護(hù)岸加固比較

表1中，混凝土加固護(hù)岸施工程度較難，加固效果卻一般，護(hù)岸效果也不理想，護(hù)岸性質(zhì)屬于剛性，是典型的以剛制剛，加固效果較差，成本較高，并不適用于河道護(hù)岸的加固[5]；漿砌石加固護(hù)岸的施工程度屬于中等水平，加固效果同樣不理想，護(hù)岸效果也一般，護(hù)岸性質(zhì)同屬于剛性，加固效果差，成本較高，同樣不適用于河道護(hù)岸的加固；而本文設(shè)計(jì)的格賓石籠的加固護(hù)岸，施工程度更容易，運(yùn)輸更便捷，攜帶更方便，成本也更低，因其適應(yīng)形變回彈能力高，加固效果較好，護(hù)岸效果較優(yōu)質(zhì)，護(hù)岸性質(zhì)屬于剛?cè)岵?jì)，因此加固效果更佳。河道屬于地質(zhì)沉降區(qū)，經(jīng)常發(fā)生不均勻沉降的情況，因此護(hù)岸加固就需要?jiǎng)側(cè)岵?jì)的性質(zhì)，可以適應(yīng)變形回彈的現(xiàn)象，防止護(hù)岸結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此本文選用的格賓石籠更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1.2 繪制格賓石籠加固護(hù)岸形式圖

通過(guò)比選河道堤身的加固形式，得出格賓石籠的加固效果更佳的結(jié)論，本文將依此繪制格賓石籠加固護(hù)岸形式圖。選用現(xiàn)有泄洪護(hù)岸的右側(cè)河道，將河床與海平面之間的坡度以1∶3的陡坡比布置，然后鋪設(shè)格賓石籠。為保證格賓石籠的穩(wěn)定性，本文覆蓋兩層400g/m2的無(wú)紡布，厚度約1.5m，沿下游方向每15m寬處，安裝寬0.5m、深1.5m的C20混凝土密封。期間，保持石籠尺寸為4.5m(4.0m/3.5m/3.0m)×1.5m×1.0m，石籠網(wǎng)孔直徑為8.5cm×12.5cm，格賓網(wǎng)孔直徑約3.2mm，包邊鋼絲直徑約3.9mm，鋼絲上鍍鋁含量為5.5%的Al、Zn合金與珍稀土質(zhì)，其中Al的含量大于4.7%，利用雙分區(qū)布置機(jī)制六邊形雙面膠網(wǎng)[6]。格賓石籠的鋼絲熱鍍鋅設(shè)計(jì)中，Zn含量需要≥260g/m2，表面涂刷PVC材質(zhì)。石籠的網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度、鋼絲抗拉強(qiáng)度，以及石籠形變率務(wù)必符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要工人在現(xiàn)場(chǎng)使用機(jī)器將網(wǎng)狀鋼絲纏繞在石籠的邊緣線上，纏繞次數(shù)至少為3圈，其作用是加強(qiáng)網(wǎng)狀鋼絲的強(qiáng)度，同時(shí)降低邊緣磨損度，確保加固效果。在石籠加固中需要將網(wǎng)狀鋼絲相互扭絞，石籠線所用的鋼絲與網(wǎng)狀鋼絲的材質(zhì)相同，使連接強(qiáng)度增大，并利用單雙絞交替的扭絞形式，使其間隔在100～150mm左右。此外，在格賓石籠中，填充料的最大容重應(yīng)達(dá)到18～19kN/m3，并滿足MU30以上的硬巖或礫石的強(qiáng)度，適宜的粒度為100～250mm。具體加固形式圖如圖1所示。

圖1 格賓石籠加固護(hù)岸形式圖

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的格賓石籠加固護(hù)岸形式中，采用人工與機(jī)械交替承載的方式，先利用人工，將大石塊放在格賓石籠的周圍，然后用大型挖掘機(jī)裝載石塊，最后再利用人工放置石塊，確保表面平整并密封。與傳統(tǒng)河道護(hù)岸加固模式相比，本文設(shè)計(jì)的格賓石籠施工簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的技術(shù)，對(duì)籠邊的適應(yīng)性強(qiáng)，回彈能力較高。此外，石籠的籠縫具有高滲透性，有助于吸附少量水源，避免上層建筑受潮。并且格賓石籠可折疊運(yùn)輸，并在工地組裝，節(jié)省運(yùn)輸成本[7]。

1.3 制定格賓網(wǎng)箱加固流程

繪制出格賓石籠的加固護(hù)岸形式圖后，格賓網(wǎng)箱的加固也就隨之設(shè)計(jì)。在寬敞、平坦的河道護(hù)岸，選擇格賓石籠擴(kuò)大路面后，會(huì)有三個(gè)驗(yàn)收方驗(yàn)收，然后進(jìn)行加固過(guò)程。石籠網(wǎng)箱的加固為保證質(zhì)量要求，供方應(yīng)提供符合設(shè)計(jì)要求的檢測(cè)報(bào)告[8]。同時(shí)在河道加固中，必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加固，保證河道平整、致密、無(wú)雜物。加固過(guò)程中發(fā)現(xiàn)與地質(zhì)調(diào)查報(bào)告不一致的情況，要及時(shí)通知相關(guān)部門，對(duì)河道進(jìn)行調(diào)查。使用土工布縫制土工布包裹并搭接接頭，搭接長(zhǎng)度至少為1.0m。在格賓石籠的加固過(guò)程中，設(shè)置默認(rèn)保護(hù)位置，并根據(jù)平面布置的X、Y坐標(biāo)，使用定位裝置確定坐標(biāo)位置。然后根據(jù)橫截面圖，確定河道加固的高程和寬度，并放樁通過(guò)放樣線，以挖掘機(jī)預(yù)留河道加固條件，通過(guò)手動(dòng)調(diào)平護(hù)岸基礎(chǔ)；并將挖掘機(jī)挖出的河道泥土就近堆放，作為格賓石籠加固的填充料，多余的泥土直接回填入河岸。在加固過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量，如有變化及時(shí)通知監(jiān)理人員。此外，在加固底槽時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)平底槽，由于基槽底部不得有尖銳物體、突起和凹痕，會(huì)影響河道護(hù)岸的護(hù)岸效果，因此手動(dòng)調(diào)平底槽很重要。或者在基槽內(nèi)鋪設(shè)土工布，可以避免破壞河道護(hù)岸效果，形成濾體過(guò)濾掉雜質(zhì)，提高加固效果[9]。

在填滿油隙的河道上，進(jìn)行手工鋪裝格賓石籠，將隔板與前后板成直角形式，并綁好隔板。綁扎隔板線與背板、面板的材料相同，將背板、面板和端板的連接處綁在一起，提高壓力，進(jìn)而降低水壓強(qiáng)度。本文在每層石籠網(wǎng)箱的外側(cè)均設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，四根石籠網(wǎng)均勻在面板的正中間隔。格賓石籠按照設(shè)計(jì)要求組裝到位。此時(shí)，將組裝好的石籠網(wǎng)置于鋼板制成的框架內(nèi)，鋼板的強(qiáng)度不會(huì)因石頭的擠壓而變形。并且，石籠網(wǎng)的中間隔板用鋼棒均勻固定，防止變形，待石塊填充到鋼棒的位置后，將鋼棒拆除。此石料具有硬度高、風(fēng)化程度低、水解效果差的特點(diǎn)，并且粒度在150～300mm范圍內(nèi)。因此達(dá)到設(shè)計(jì)粒度的要求則會(huì)投入使用，不符合設(shè)計(jì)要求的不得填入。使碎石速度同時(shí)滿足手動(dòng)和挖掘機(jī)裝載的速度。

1.4 計(jì)算格賓石籠加固的河道護(hù)岸穩(wěn)定系數(shù)

通過(guò)上文中對(duì)格賓網(wǎng)箱加固流程的制定，本文將依此計(jì)算加固后的河道護(hù)岸穩(wěn)定系數(shù)。由于早期關(guān)于河道護(hù)岸的穩(wěn)定性研究大多在河道上，對(duì)河道土質(zhì)、水質(zhì)進(jìn)行定性分析，得出的結(jié)果可能略有不同[10]。在當(dāng)今技術(shù)不斷革新的環(huán)境下，河道護(hù)岸的穩(wěn)定性研究也在逐步改革。本文計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，主要采用材料力學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)的原理，并結(jié)合許多工程實(shí)踐得出的經(jīng)驗(yàn)，利用虛擬方法做出一些假設(shè)，即用途廣泛的剛體極限平衡法。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害記錄資料，本文對(duì)具體工程的護(hù)岸穩(wěn)定性進(jìn)行分析與研究。采用圓弧法，其原理是通過(guò)多次計(jì)算找到圓弧面的位置，從而得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置。用于河道護(hù)岸的加固設(shè)計(jì)中，即為通過(guò)多次計(jì)算，找到河道護(hù)岸薄弱位置，進(jìn)而集中加固該位置。當(dāng)河道附近土壤受到破壞時(shí)，滑動(dòng)面非常接近對(duì)數(shù)螺旋的形狀，并且弧形滑動(dòng)面的理論計(jì)算量不算大，可以很好地反映滑動(dòng)面的特性。因此可以廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。

一般情況下，格賓石籠的高度有200cm與150cm的兩種規(guī)格，本文采用200cm高格賓石籠計(jì)算，計(jì)算三層石籠結(jié)構(gòu)，第一層的寬乘高為100cm×100cm；第二層的寬乘高為150cm×100cm；第三層的寬乘高為200cm×100cm。由于格賓石籠的頂層為生態(tài)土堤，因此河道比例為1∶1.5，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 格賓石籠計(jì)算簡(jiǎn)圖

河道附近土質(zhì)壓力系數(shù)，本文根據(jù)庫(kù)倫土壓力公式計(jì)算，得出護(hù)岸斷面形式，公式如下：

(1)

式中，Ka—河岸附近土質(zhì)壓力系數(shù)；φ—河道與土質(zhì)交叉角，(°)；α—護(hù)岸墻背與河道間夾角，(°)；β—護(hù)岸墻后填土面與河道間的傾角，(°)；δ—護(hù)岸墻背與河道之間的夾角，(°)。此時(shí)，利用滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式，得出格賓石籠的加固安全穩(wěn)定系數(shù)，公式如下。

(2)

式中，Sa—格賓石籠加固河道護(hù)岸的穩(wěn)定系數(shù)；γ—河道土壤最大容重， kN/m3；H—格賓石籠墻高度，m。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

泄洪通道右岸堤防，從沖砂閘出口開(kāi)始至橫排頭樞紐管理段分界線處，全長(zhǎng)約800m左右，也是淠河總干渠的左岸堤防。堤頂高程在51.5～54.1m，堤頂上游最窄處為15m，下游寬約200m，堤防坡腳底部河槽高程在40.3～43.0m，原灘地高程在45.50～46.0m。臨泄洪通道側(cè)，堤防堤頂至灘地間的坡比為1∶3，灘地至堤防坡腳間的坡比為1∶2。沖砂閘出口下游約100m長(zhǎng)的堤防，由于堤身斷面單薄，堤身填筑質(zhì)量差，在2002年加固時(shí)，設(shè)置了高壓擺噴截滲墻，該截滲墻與橫排頭樞紐溢流壩、土壩的截滲墻連成一體，堤防臨河側(cè)和臨渠道側(cè)兩邊的岸坡都進(jìn)行了防護(hù)，2002年加固后安全運(yùn)行至今。

2.2 應(yīng)用效果

由上文分析了解到不同的河道坡度，安全穩(wěn)定系數(shù)也不同，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)河道穩(wěn)定系數(shù)1.20，計(jì)算本文設(shè)計(jì)的方法在任意坡度的穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)公式(1)，取河道與土質(zhì)交叉角φ為18°；護(hù)岸墻背與河道間夾角α為0°；護(hù)岸墻后填土面與河道間的傾角β為0°；護(hù)岸墻背與河道之間的夾角δ為23°；經(jīng)計(jì)算得出：Ka=0.528。并根據(jù)穩(wěn)定安全系數(shù)公式(2)，取河道土壤最大容重γ為18kN/m3；格賓石籠墻高度H為2.0m；則格賓石籠加固河道護(hù)岸的穩(wěn)定系數(shù)Sa=1.48>1.20。

此外，根據(jù)以上公式計(jì)算坡度分別在25°、30°、35°、40°、45°、55°、60°、65°、70°時(shí)，傳統(tǒng)的混凝土護(hù)岸穩(wěn)定系數(shù)，與本文設(shè)計(jì)的格賓石籠加固護(hù)岸的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同坡度的安全穩(wěn)定系數(shù)

如表2所示，傳統(tǒng)的漿砌石加固護(hù)岸安全穩(wěn)定系數(shù)在≤40°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較高，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.20，河道護(hù)岸的穩(wěn)定性較強(qiáng)，>40°后，穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較低，均低于1.20，此時(shí)河道護(hù)岸的穩(wěn)定性較差，不能有效抵御洪水。而本文設(shè)計(jì)的格賓石籠加固護(hù)岸安全穩(wěn)定系數(shù)，從25°～70°，均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.20以上，并且按照這個(gè)趨勢(shì)，在坡度更高的情況，安全穩(wěn)定系數(shù)也會(huì)在1.20以上，屬于穩(wěn)定性較強(qiáng)的河道護(hù)岸，可以有效地抵御洪水，符合本文研究目的。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的河道護(hù)岸加固方法使用混凝土或漿砌塊的形式，在原始環(huán)境下，基本滿足安全穩(wěn)定性的需求，但是隨著社會(huì)的進(jìn)步，環(huán)境的改變，傳統(tǒng)的加固方法不再適用于現(xiàn)今的環(huán)境。由于混凝土施工困難，成本較高，成為河道護(hù)岸加固的負(fù)擔(dān)；漿砌塊的加固方法同樣不能滿足泄洪的加固要求。此時(shí)，格賓石籠施工簡(jiǎn)單、成本低廉，加固效果更佳的特點(diǎn)，進(jìn)入研究者的視野。本文將格賓石籠的加固方法應(yīng)用到泄洪的河道護(hù)岸加固上，將河道護(hù)岸的加固施工過(guò)程變得更加容易，降低了一定的成本，提高了安全穩(wěn)定系數(shù)。