河道生态防护工法_机编钢丝网组合体应用分析.pdf

第 19 卷第 8 期2013 年 8 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.19No.8Aug.，2013 收稿日期 2013 02 27 作者简介 廖峻杰(1982 )，男，广东广州人，工程师，硕士，主要从事水利水电工程勘测设计工作.河道生态防护工法 机编钢丝网组合体应用分析廖峻杰(广东省水利电力规划勘测设计研究院，广州510160)摘要格宾结构由于其良好的抗冲性能以及生态效果，目前在国内各个领域内已经有了很大的推广与发展，应用于护坡、支挡、水土保持等工程。由于其柔性、整体性、透水性、生态性和施工便捷性得到了多方好评。因此，需对格宾这一新型生态防护工法进行全面的阐述及研究，并且对格宾结构进行全面而系统的分析，包括格宾结构的使用年限和力学性能分析方面，并将其运用到实际工程案例中去。关键词格宾网;防腐性能;生态防护;力学性能 中图分类号 TV52 文献标识码 B 文章编号 1006 7175(2013)08 0098 051概述20 世纪 50 年代，德国正式创立了“近自然河道治理工程”，提出河道的整治要符合植物化和生命化。1962年，H.T.Odum 首次提出“Ecological Engineering”1，将生态学概念运用于工程中，为生态水利奠定基础。河道是水生态环境的重要载体，堤防是防洪的工程保障，是河道生态治理的一项重要措施。在河道的建设、改造过程中，传统的河道水利工程的单一工程化功能，需要拓展和延伸到生态的功能;岸坡防护的单一结构化的要求，需要结合生态功能营造、增加、实施具有生态功能的新技术形式。2河道生态新型防护工法 格宾网格宾网技术是用涂塑热镀铝锌低碳钢丝由机械编织成双绞六角形网片，并将格网片根据工程设计要求裁剪、制作、组装成箱笼并装入块石等填充料后连接成一体的结构，用于河道岸坡、堤身、堤基及路基等防护工程的新型生态技术。2.1格宾网的优点格宾网箱生态技术既可保护河道岸坡、堤坡稳定，又可实现水与土体自然交换、增强水体自净能力，亦可实现植被绿化、美化景观，最终实现工程建筑与生态环境有机结合的技术。网箱的蜂巢型结构最能符合力学原理，具有承受张力的功能，可吸收未知压力。这项技术能较好地实现工程结构与生态环境的有机结合，为保护河床，治理滑坡，防治泥石流灾害，防止落石兼顾环境保护的首选结构形式。其主要结构特点如下:极佳的稳定性和整体性;较强的适应地基变形能力;良好的透水性;简便的施工工艺，造价低，且可带水作业施工;理想的生态建设和生态恢复功能;耐久性好，抗冲刷能力强;良好的抗震性能;适用于冻土地区。2.2格宾网的适用范围格宾网应用广泛，可以应用到许多工程中。如河道支挡结构、河道坡面衬砌、边坡支护、海岸线的防护、公路工程、市政工程、岩土工程、灾害治理、隔音墙以及其它要求结构具有自透水性、柔性、耐久性以及经济性的工程中。2.3格宾网的使用年限 钢丝防腐性能格宾网工艺在工程的应用过程中，诸多优点的探讨应建立在其结构的安全及材料的永久性，也就是材料的防腐年限上。钢丝的防腐在很大程度上又取决于钢丝镀层。目前，钢丝的防腐性主要受以下 4 种镀层工艺的影响，分别是:镀层的种类;镀层的重量;镀层的均匀度(偏心);镀层的牢固度(开裂)。钢丝的防腐性能及优缺点比较可通过可下几个方面进行阐述:2.3.1镀层的种类通过盐水喷雾实验4 5，可以得出铝锌合金钢丝对腐蚀的阻抗高于镀锌钢丝，镀层中的铝元素能明显提高镀层的耐腐蚀性能。而镀 5%铝锌合金钢丝的防腐性能又89廖峻杰:河道生态防护工法 机编钢丝网组合体应用分析第 8 期劣于 10%铝锌合金钢丝。2.3.2镀层的重量钢丝镀层重量的单位为g/m2，即钢丝每平米的表面积上所热镀的镀层重量。表 1 给出了几种钢丝的镀层重量。在忽略了钢丝镀层平均年腐蚀量的浮动及其他差异后，钢丝使用年限的公式可以简单地用下面的公式加以诠释:钢丝使用年限=钢丝镀层重量钢丝镀层平均年腐蚀量从以上的公式看出钢丝使用年限与镀层重量成正比，如果设定钢丝镀层平均年腐蚀量不变，则钢丝镀层越重，使用年限越长。表 1钢丝镀层重量及240 h盐雾试验镀层损失量钢丝种类镀层重量240 h 盐雾试验后镀层损失量/g(m2)110%铝锌合金钢丝2.2 mm 3502.5 4503.15 52018.95%铝锌合金钢丝2.2 mm 2302.5 2503.15 28040.3高镀锌钢丝2.2 mm 2302.5 2503.15 250120.32.3.3镀层的均匀度由于生产工艺的局限，一般钢丝的剖面显示其镀层不是很均匀，这样薄弱的镀层更快地被腐蚀，从钢丝断面的电子显微照片中可见一斑，见图 1，从而使钢丝的使用年限缩短。可见，同样重量的镀层钢丝由于生产工艺的优劣差异，其使用年限的差异可能在数倍以上。(a)镀层偏心的钢丝放大剖面图(b)镀层均匀的钢丝放大剖面图图 1钢丝镀层放大剖面图2.3.4镀层的牢固度镀层的牢固度，即钢丝镀层与钢丝本身接触面结合的程度。由于工程用网箱钢丝一般要经过编织绞绕，所以对于钢丝镀层的牢固度提出很高的要求。而钢丝在生产工艺及技术领域方面亦存在着巨大的差别。不同的生产工艺下的钢丝镀层在自身缠绕实验下的表面放大 6 倍照片，见图 2、图 3。图 2牢固度差的钢丝放大图图 3牢固度好的钢丝放大图生产工艺差的钢丝镀层表面已经出现断裂，而生产工艺好的钢丝表面完好。2.4格宾网与传统工艺的比较格宾结构与传统结构比较见表 2:99第 19 卷第 8 期2013 年 8 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.19No.8Aug.，2013表 2格宾结构与传统结构比较格宾结构混凝土结构浆砌石结构干砌石结构预制块结构结构类型柔性整体结构刚性整体结构刚性整体结构松散结构半刚性或松散结构整体性连成无构造分缝的整体结构有构造分缝的整体结构有构造分缝的整体结构块体堆积(砌)块体拼接透水性好差差好视具体类型稳定性好好好差一般地基要求基础不需要或简单处理基础处理复杂基础处理复杂 冻胀影响无较小较大无视具体类型抗冲刷、风浪具破浪、破坏真空吸力特性好较好差差耐久性好好一般差差施工简便迅速、受天气影响小复杂、受天气影响大一般、受天气影响大简单复杂生态功能可实现与修复生态环境功能不利于生态环境不利于生态环境可实现与修复生态环境功能采取措施可实现与修复生态环境功能造价分析接近浆砌石结构高中低中3格宾结构力学性能分析3.1网垫护坡抗冲刷性能研究在国际上，目前有两种评估格宾结构抗冲能力的方法，分别为牵引剪切力法和允许流速法。两种方法均有足够的历史和工程案例，而允许流速法由于更加直观而被广大设计人员所接受，适用于厚度的快速设计，而牵引剪切力法则更适用于流速较大，较为复杂的工程。3.1.1牵引剪切力法牵引剪切力法通过计算河道中的牵引剪切力以及格宾防护系统的允许牵引剪切力，来判断格宾防护系统能否满足防护需求。这种方法的代表是美国联邦公路局(FHWA)。根据美国联邦公路局于 1984 年的研究成果，格宾系列的允许牵引剪切力表达有两种方式:1)允许剪应力是石料粒径(适用范围为0.076 mD500.457 m)的函数:p=Fx(s)D50(1)式中:Fx为 Shield 系数，取 0.10;s为填料容重，N/m3;为水容重(9 810 N/m3);D50为石料平均粒径，m。2)允许剪应力是格宾垫厚度(适用范围为0.152 mMT0.457 m)的函数:p=0.009 1(s)(MT+MTC)(2)式中:MT 为格宾垫厚度，m;MTC为厚度常量，取1.24 m。需要说明的是，之所以规定适用的范围是为了和试验所用的石料粒径和格宾垫厚度对应。在试验中(Si-mons，1984)，厚度为0.15 m的格宾垫的石料粒径为:0.0760.152 m;厚度为0.457 m的格宾垫采用的石料粒径为0.116 0.305 m。3.1.2允许流速法允许流速法则是通过模型试验和原形试验，确定在不同流速下的相应厚度。在内部装填一定粒径的填石时，确定此种情况下格宾结构的抗冲流速，并且应用到日后的工程中。即为允许流速法 1983 年美国科罗拉多大学做了详尽的格宾垫的抗冲刷模型和原型试验。根据防冲刷稳定分析的两种思路(允许剪应力法和允许流速法)，分别给出了详尽的研究报告。其中的允许流速法结果，已经被工程实践所证实，并且吻合多年的工程经验结果。由于流速的概念更直观方便，广为工程师所接受。因此，为了快速设计的需要，通过试验结果以及多年的工程经验的总结，得出了格宾系列防护同流速的关系表见表 3。3.1.3考虑波浪的网垫厚度澳大利亚的研究提出了在考虑波浪前提下确定雷诺护垫厚度的两个公式:对于坡比超过1 3.5的情况:t=HD3(1 V)(Sr1)cot1/3(3)对于坡比小于1 3.5的情况:t=HD7(1 V)(Sr1)cot1/3(4)式中:HD为设计波浪高度;V 为填充石头的空隙率;S为石头密度;为河岸坡度。3.2网垫与土体之间过滤垫的设置网垫和过滤垫间的流速值可用下式计算:Vb=1nfdm()22/3i1/2(5)若考虑特定的砂质土壤，则危险期的流速为:Ve=16.1d1/2(6)若流速 Vb2 4Ve，在这种情况下，设计者可判断出只采用土工布过滤垫，这时可能使 Vb减少 2 4 因数;反之，在采用土工布的基础上，应再加上一层薄约 0.05 0.10 m的砾石层，或是采用砾石过滤垫。001廖峻杰:河道生态防护工法 机编钢丝网组合体应用分析第 8 期表 3不同厚度的格宾(gabion)所对应的适用流速类型厚度/m填充石料石料规格/mmd50临界流速/ms1极限流速/ms10.15 0.17雷诺护垫0.23 0.250.30格宾垫0.5070 1000.0853.54.270 1500.1104.24.570 1000.0853.65.570 1500.1204.56.170 1200.1254.25.5100 1500.1505.06.4100 2000.1505.87.6120 2500.1906.48.0注:国际上通常将厚度小于30 cm格宾垫称作雷诺护垫，大于此值称作格宾垫。3.3网箱结构设计参数的确定进行河岸纵向挡土结构的设计时必须进行结构分析。格宾网应用愈来愈广泛，但我国尚未有专门的规范指导设计施工，从国外引进的设计理论的适用性也需经过我国实际工程的检验。国内对这种新型支挡结构设计理论研究不够，尚未形成一套完整的设计理论，工程设计缺乏科学的理论指导3 4。为达到最大的使用效果，与其他防护结构材料相似，格宾结构(柔性、整体性、高透水性、载荷承受能力)同样保证能够进行定量分析。试验是确定各种理论和工程设计参数的基本手段，可获得网箱的应力应变特征及力学性能指标，为工程设计服务。委托大连理工大学振动与强度检测中心对网箱进行压缩和剪切试验，网箱整体尺寸为500 mm的立方体，内填边长为 8 25 mm的方形石灰岩石料，孔隙率平均为36%。经试验得到，网箱试样的直剪试验应力应变曲线见图 4 图 8。根据摩尔库伦破坏准则推算网箱的 C、0的值分别为0.22 MPa、46.5和 76.4。图 4直剪试验剪切力与剪切变形曲线图 5直剪试验剪切力与剪切变形曲线图 6直剪试验剪切力与剪切变形曲线4白坑湖排涝渠整治工程目前，国内生态水利理论方面的研究越来越多，提出的新技术新工艺亦不在少数。但是在实践运用方面还缺乏经验，国内并未形成一套系统性及行业性的标准。但以上提出的新型的生态技术目前已在国内外都有良好的理论基础及实践，运用于众多水利工程中。101第 19 卷第 8 期2013 年 8 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.19No.8Aug.，2013图 7直剪试验剪切力与剪切变形曲线图 8直剪试验剪切力与剪切变形曲线4.1库内工程白坑湖水库综合整治工程建筑物主要包括环库坝、环库排涝渠、汇水渠、汇水闸、泄洪闸、引水渠、1#5#节制闸、半径防洪闸。为减少永久征地及保护库内高压线塔，在原白坑湖水库内地势较高的几处，设有 1#4#临时用地平台及管理处平台，以上平台在原地形上采用水库开挖弃土将平台堆至顶高程为9.0 m，平台上有高压电塔位置。为保证线塔安全，在高压电塔附近60 m范围内设计洪水位8.8 m高程以下设置 GPC832 网垫护坡至4.2 m高程的库底。网垫厚度可经过剪切牵引力法计算得到。河道牵引剪切力为:m=0.75myi=0.75 1 000 9.81 4.6 0.003=101.5 Pa格宾垫允许牵引剪切力为:p=0.009 1(s)(MT+MTC)=0.009 1 (26200 9 810)(0.3+1.24)=230.0 Pam s，格宾垫厚度取 300 mm 符合设计要求。4.2汇水渠水库汇水渠位于环库坝与揭普高速之间并与环库坝上游侧平行，共有 4 个进口分别与揭普高速公路下原有2#5#排水涵相连接，渠长约1 160 m。水库汇水渠利用现有渠道改造而成，汇水渠与汇水闸相连处底高程5.0 m，两边为5.5 m，两侧底坡1/1 000，渠底宽 10 50 m。汇水渠两侧分别修建 1#和 2#土堤，保证白坑湖上游洪水可全部入库。汇水渠两侧坡脚设绿格网生态箱挡墙，与环库坝相邻侧挡墙厚1 m，高1.5 m，与高速公路相邻侧挡墙高 1.0 0.5 m，汇水渠底板与坡脚相连处设4 m宽绿格网箱底板，其余为天然基础，根据地质资料，汇水渠与揭普高速相邻侧的土质主要以淤泥为主，汇水渠边坡按1 5设计并种草仔。格宾与过滤垫间的流速为:Vb=1nfdm()22/3i1/2=10.020.140()22/3槡0.003=0.47 m/s汇水渠渠底地层主要为淤泥质黏土和淤泥质黏土夹腐木层，因此危险期的流速极小。在这种情况下，需采用土工布过滤垫，使格宾与过滤垫间的流速减小，从而使格宾更为稳定。5结语传统工程与生态工法学的比较，主要有以下几个方面2:传统工程的规划设计只重视工程的稳定性，对生态环境、景观亲水、永续愿景等方面考虑甚少，而生态工法的规划设计流程较为详细，进行多方面思维考量，融入地方的文化资源、特色因素;从思维、形态、工程考量及稳定材质方面，从河道景观环境等角度出来，比较传统工程与生态工法，结果可见生态工法的各项优点特质，应推广实施;适用范围方面，生态工法在各种护岸坡度适用方面表现良好，稳定性好，且可适应各种地质。新型生态工法在河道方面的运用越来越多，但与国外如欧洲、日本以及美国等相比，应用生态技术累积的经验尚不足，其所能发挥的功能也未能全面考虑，包括水利工程的安全性、生态性、经济性以及环境美观。现在国内在生态工法上的实践尚算刚刚起步，生态工法将进一步发展成为自动化生态水利，应用范围也将更广、更宽。参考文献 1 胡春福.河川护岸之近自然工法探讨与成效评核 D.台湾:国立成功大学，2005.2 路彩霞，李振清，杨振明.钢丝网石笼在护岸工程中的应用 J.水利水电快报，2004，25(23):26 27.3 蒋志猛，秦瑞保.合金钢丝石笼技术在长江堤防加固中的应用J.长江职工大学学报，2003，20(1):28 30.(编辑:赵琳琳)201