格宾生态护岸结构形式选择及质量控制措施研究

陈正中

(江西省水利投资集团有限公司，江西 南昌 330029)

近年来，我国大力倡导绿色发展、生态发展，格宾石笼技术作为一种绿色无污染新技术，被逐渐推广到河道治理中，并表现出了卓越的经济效益与生态效益[1-2]。由于不同地区的气候、地理、水文环境有着很大的区别，不同的格宾结构形式会产生不同的社会生态效益，如若形式和材料等选择不善，反而会降低河道水质和工程效益。因此，需要针对不同地区的格宾生态治理护岸进行研究。

格宾石笼不仅可以有效治理河道，提高堤坝稳定性，还可以净化水质、防止水土流失，保护周围生态环境。李建杰，王国强，杨发业，袁朝中，吴晓明等分别对不同地区河道治理过程中的格宾石笼设计施工技术进行了研究，取得了一些有用的成果和结论[3-7]。北方地区由于冬季气候寒冷，一年里有很长时间的冰雪天气，对河道水质、护岸边坡稳定等均会产生不同程度的影响[8]。我国大部分地区，其夏季和冬季气温、干湿度等相差较大，如何选择格宾石笼结构形式，对河道治理的整体效益起着关键性作用[9]，同时，由于格宾石笼本身也具有一定的劣势，如何避免和减小气候环境等带来的影响，合理的施工措施变成为主要控制手段之一，需引起各方注意[10-11]。

本文在总结前人研究理论和技术的前提下，对格宾石笼填料、结构形式的选择进行了理论分析，同时针对江西独特的地理气候，进行了冬季寒冷环境下冻胀融沉分析，并提出了相应的施工质量控制措施，可为类似地区河道生态治理提供借鉴。

1 工程概况

赣江作为江西省境内最大河流、是长江的主要支流之一，流域面积83500km2。赣江流域夏季气候温和湿润，冬季气温干燥寒冷，流域年平均气温为17.8℃，极端最低温-12.5℃，年平均降雨量1660.9mm。

由于近年来开发管理中经常出现冬季蓄水不足，夏季容易害水涝的灾害问题，最重要的是河岸边坡水土不断流失，影响周围生态环境的有效维持与河道水资源的清洁，因此对该流域进行河道整治成为当前最主要的工作之一。赣江流域某支流整治工程，按100a一遇防洪标准治理，设计洪峰流量为186m/s，治理工程主要包括河道边坡保护、河岸绿化、淤泥清理等工程，该区段河道平均宽度为9.7m，两岸全长约4.7km，边坡坡度较大，约1∶2.4，边坡斜长3～7m。经过初步造价估算与设计，整个区段河道治理格宾石笼网护坡工程总量预计达到12315.17m3。

2 填料及结构形式选择

2.1 试验概况

填料主要考虑当地材料情况，充分利用建筑废料原理，选择粒径在40～60 mm的花岗岩块石、卵石以及废建筑砌块3种材料作为填料，其具体的物理力学参数见表1。同时设置U型河道模型，长×宽×高=6.08m×0.45m×0.15m，格宾网线直径为1mm，网孔为3cm×3cm，模型装置示意图如图1所示。采用连续动态运行为试验方法，连续进行30d，分别在规定时间点采集模型中的水样，然后进行水质检测，包括N、P、TP以及微生物等分析；然后选取最佳填料，进行直立式、阶梯式以及鱼巢式3种结构形式下的水质影响分析，得出该河道格宾护岸的最佳填料结构形式。

表1 填料物理力学参数

图1 试验模型示意图(单位：mm)

2.2 最佳填料分析

在连续30d运行试验内，取水样进行水质分析，结果如图2所示。从图2中可以看到：NO3-N的浓度随时间呈“S”型曲线增长，当试验时间进行至10～15d左右时，水中的NO3-N浓度大幅度增长，在试验前期，卵石碎块填料的NO3-N浓度与另外两组填料浓度基本相等，但当试验进行至25d后，NO3-N浓度明显大于其它试验组，表明在卵石填料作用下，微生物的硝化作用更强，反硝化生物难以大量繁殖，因此NO3-N浓度大大增加；对比TP去除率可以发现，3种填料下的去除率呈幂函数型增长，增长率在逐渐减小，且3种填料的去除率大致相当，由于格宾结构具有一定的孔隙，有利于水体流动，可为水生物生长创造条件，选择对磷吸收能力强的植物可以在很大程度上保持对磷的高效去除；在TOC去除率上，3种填料基本呈线性关系增长，在前期，卵石的去除率略小于其他2组，当试验进行至10d以后，卵石的去除率逐渐大于其他2组，这是因为卵石多微孔，具有较大的比表面积以及事宜的水分，可以为微生物的附着提供大量场所，从而使得TOC去除率更高。

综合以上分析，认为选择卵石作为格宾石笼网的填料，对于河道水质的净化作用更好，更能发挥生态治理效益，故而卵石相比较而言为首选填料。

图2 格宾填料对水质净化效果影响

2.3 结构形式的选择

基于上文分析结果，对直立式、台阶式和缓坡式卵石填料格宾护岸进行了水质的取样分析，结果如图3所示。从图3中可以看到：在试验进行30d后，NH3-N、TP、TOC 3种指标的去除率从大到小的排序为：鱼巢式>阶梯式>直立式，可见鱼巢式结构在水质净化方面的作用强于直立式和阶梯式，这是因为直立式、阶梯式和鱼巢式的表面积分别为802、833、995cm2，相应的比表面积为0.8、0.83、0.99cm-1，由于鱼巢式的比表面积最大，与水体的接触面积也就越大，对水体中的N、P及微生物的清除效果也就越佳，故而鱼巢式为最佳的格宾结构形式。

图3 格宾结构形式对水质净化影响

3 冻胀分析

图4为现场试验段的冻融深度的变化曲线，该试验段的最大冻深为1.405m。同时对鱼巢式卵石格宾进行了为期10个月的现场观测(当年10月—次年8月)，观测点设置在坝肩、渠坡上1/4处、渠坡1/2处以及渠坡下1/4处。从图4中可知：冻胀量曲线随时间呈先增后减的趋势，最大冻胀量在次年1—2月，这时的温度最低，因此冻胀量最大；对比不同位置处的冻胀量可以发现，格宾网垫护坡(格宾网垫护脚)的最大冻胀量在渠坡1/2处，为327mm，冻胀量为22.8%，格宾网垫护坡(格宾网箱固脚)的最大冻胀量也在渠坡1/2处，为314mm，冻胀量为22.1%；格宾网结构的最大残余变形在渠坡1/2处，在渠坡上部会发生一定的融沉变形，表明格宾网具有很好的治愈功能，在冻融过程中，会自动调整自身的结构，寻找下一次的平衡点来适应冻融沉变形，能够较好地适应冻胀损伤。

图4 现场试验段冻融深度的变化曲线

4 质量控制措施探讨

在格宾网实际施工和运行过程中，对该河段格宾网缺陷进行了检查和统计，总体而言存在通缝、厚度不够、表面平整度不标准等，见表2。出现上述情况的主要原因在于：①由于格宾石笼网护坡技术是一项新技术，很多工人在工艺流程和质量上把控不严，导致人为的缺陷；②采集使用的石料没有大致的平行面；③石块粒径过小，底部铺砌不足；④施工环境影响，如雨天造成的嵌固松动、粘结度不够等问题。这些问题或多或少影响了格宾网在河道治理过程中的生态治理效益。

表2 缺陷调查结果统计表

为了全面提高工程的生态治理效益，作者总结分析了工程中的一些实际经验，同时在前人研究基础上得出以下几点格宾网质量控制措施[12-15]：

(1)现场管理。在实施工程前应积极组织单位进行研讨会议，确定本次工程的现场管理人员，同时必须派遣2～3名工程管理经验丰富、专业知识能力过关的专业人士前往管理。此外，通过不断讨论研究，制定严格有效的现场管理规章制度，以求现场管理工作等够得到高效有序的执行。

(2)工艺措施。要对施工人员进行一定时间的岗前培训，同时在施工前有必要参照其他区域格宾石笼技术施工经验，制定合格有效的现场操作标准与技术交底书，施工前对现场工作人员集中进行书面技术交底，明确格宾石笼网技术护坡关键工序及施工工艺，并要求严格按技术交底书标准进行施工。

(3)材料进购管理。向材料供货商明确质量标准，并派出专业的管理人员进行全程跟踪，经试验检验合格后方可使用。

(4)监督措施。强化监理监督机制，对现场施工不规范，如未挂线施工等问题应进行全面的管控和整治，建设管理方应加强现场的巡视工作。

5 结论

经试验分析认为：采用卵石填料、鱼巢式结构的格宾网护岸结构形式能够发挥河道最大的生态治理效益，且能很好适应冻融沉变形，减小冻胀损伤破坏；综合前人研究成果，结合现场工程经验，认为应从现场管理、工艺措施、材料进购管理以及监督措施等途径提升格宾网的质量和效益，研究成果可为类似地区的河道治理工作提供借鉴。