河道攔水壩中石籠網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究

侯 捷

(北票市防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧 朝陽(yáng) 122100)

0 引 言

我國(guó)對(duì)石籠網(wǎng)的應(yīng)用最早可追溯至2000多年前，竹編石籠擋水壩作為已知最早的石籠網(wǎng)雛形曾被用于都江堰的修筑[1]。隨后，英國(guó)、日本、意大利等相繼出現(xiàn)裝土柳條筐和袋狀石籠網(wǎng)，被用于炮兵陣地掩體、防洪除險(xiǎn)、河堤加固和修補(bǔ)等工程。

國(guó)外將現(xiàn)代石籠網(wǎng)技術(shù)主要用于海洋工程防護(hù)、土體支撐、橋臺(tái)修筑、河道護(hù)坡等領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)多集中于景觀綠化、道路隔離護(hù)欄、山體掛網(wǎng)噴漿、基坑支護(hù)、邊坡支護(hù)、河道治理等領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)其相關(guān)研究還處于起始階段[2]。柔性的石籠結(jié)構(gòu)相對(duì)于不能承受拉應(yīng)力的素混凝土、砌石等圬工工程而言，具有承受一定拉力或者發(fā)生彎曲變形而防止結(jié)構(gòu)性失效失穩(wěn)、不脆性斷裂的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)變形后能夠自動(dòng)調(diào)整平衡，可以有效避免裂縫的出現(xiàn)。將石籠網(wǎng)護(hù)岸用于河道治理工程，可以滿足設(shè)計(jì)洪水不越堤和常水位基礎(chǔ)防沖的要求，在保證堤壩穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，能夠維持周邊環(huán)境與河道水體之間的物質(zhì)交流，具有防止土壤侵蝕、凈化水質(zhì)、生態(tài)性良好、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及創(chuàng)造適合動(dòng)植物生長(zhǎng)環(huán)境的特點(diǎn)。此外，石籠網(wǎng)還存在適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周邊環(huán)境要求低、運(yùn)費(fèi)少、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)代石籠網(wǎng)一般為機(jī)械編制經(jīng)過(guò)高抗腐蝕處理以上的同質(zhì)鋼絲、稀土合金鍍層混合鋅鋁低碳鋼絲、鋅鋁合金鍍層低碳鋼絲或熱鍍鋅低碳鋼絲等而成，可利用PVC覆塑層有效保護(hù)鋼絲表面。依據(jù)EN或ASTM標(biāo)準(zhǔn)、工程設(shè)計(jì)資料，選取的低碳鋼絲直徑多為2.0-4.0mm，金屬鍍層質(zhì)量≥245g/m2，抗拉強(qiáng)度要高于38MPa。網(wǎng)線通常要小于網(wǎng)片的邊緣線直徑，為保護(hù)鋼絲表面PVC鍍層和絞合部分金屬鍍層不被破壞設(shè)計(jì)的雙線絞合部分長(zhǎng)度應(yīng)>50mm。

1 石籠網(wǎng)技術(shù)

1.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)透水性好。石籠網(wǎng)具有良好的過(guò)濾地表水及地下水的功能，通過(guò)對(duì)土壤等沉積物的截留為植物生成創(chuàng)造適宜的生存空間。

2)耐久性與耐腐蝕性強(qiáng)。熱鍍鋅鋁工藝能夠降低網(wǎng)絲氧化程度，提高鋼絲表面鍍層的整體穩(wěn)定性；此外，采用包塑或涂樹(shù)脂后的石籠網(wǎng)絲具有較強(qiáng)的抗老化、抗氧化、防腐耐蝕的作用，可以有效增加石籠網(wǎng)服役年限。

3)柔韌性好。石籠網(wǎng)可以有效解決冬季硬質(zhì)材料凍脹的問(wèn)題，良好的柔韌性能夠抵抗地基不均勻沉降，地基適應(yīng)性強(qiáng)。

4)穩(wěn)定性和整體性極佳。石籠網(wǎng)材的整體性較好，石籠網(wǎng)工程的整體結(jié)構(gòu)不會(huì)受局部破壞或適度變形而產(chǎn)生破壞，即使存在地基不均勻沉降也不會(huì)帶來(lái)裂縫或其它問(wèn)題。

5)景觀效果較好。石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的顏色多樣、組合方便，可以提供滿足多種景觀需求的不同結(jié)構(gòu)造型，景觀效果豐富、自然且見(jiàn)效快。

6)施工簡(jiǎn)單。向籠內(nèi)裝入規(guī)定尺寸的石塊并封口就可完成施工，可就地取材且對(duì)填充石料的要求較低，無(wú)需特殊的技術(shù)便于機(jī)械化操作，不受溫度、氣候等條件的限制，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)又可加快工程進(jìn)度。

7)投資成本低、服役年限長(zhǎng)。石籠網(wǎng)具有抗老化、抗氧化、耐腐蝕等特點(diǎn)，使用過(guò)程中基本無(wú)需維修，服役年限甚至可以達(dá)到幾十年。

1.2 特點(diǎn)分析

石籠網(wǎng)擋水壩相對(duì)于橡膠壩、漿砌石壩等，具有維護(hù)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便、耐腐蝕強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小以及地基承載力要求低等特點(diǎn)，如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式的壩體特點(diǎn)對(duì)比

1)橡膠壩。橡膠壩主要是以內(nèi)外涂覆橡膠為保護(hù)層、高強(qiáng)合成纖維織物為受力架，并錨桿于底板形成封閉的壩袋，用水(氣)經(jīng)沖排管路充脹而成的袋式攔水壩，故也稱橡膠水閘。橡膠壩具有服役年限長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便、汛期不阻水、抗震能力強(qiáng)、施工速度較快等優(yōu)點(diǎn)，但以橡膠與高強(qiáng)度合成纖維織物為原材制成的橡膠壩與周邊生態(tài)環(huán)境不協(xié)調(diào)，生態(tài)性較差。此外，橡膠壩壩袋不宜頻繁的排放和充脹，對(duì)于水位波動(dòng)明顯的河道其適用性較差，加之壩袋易受推移質(zhì)的損壞，實(shí)際使用時(shí)要及時(shí)控制河道的漂浮物，其后期管理難度大。

2)漿砌石攔水壩。該類壩以重力式擋水壩為主，依靠自身產(chǎn)生的壓應(yīng)力、自重產(chǎn)生的抗滑力來(lái)抵消水壓力引起的拉應(yīng)力以及維持壩體安全穩(wěn)定性，擋水建筑物的修筑材料為漿砌石。漿砌石攔水壩具有地形地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、便于機(jī)械化施工、操作簡(jiǎn)單、攔水效果好等特點(diǎn)，但該結(jié)構(gòu)存在不透水的特性，生態(tài)系統(tǒng)上下游之間的連通性被切斷，河水的自然形態(tài)也遭到一定破壞，周邊環(huán)境與漿砌石材料的不協(xié)調(diào)影響了景觀的整體性。

1.3 施工流程

步驟1：施工導(dǎo)流。石籠網(wǎng)攔水壩屬于橫向攔水建筑物，為保證施工安全應(yīng)避開(kāi)汛期，應(yīng)把施工時(shí)段盡量安排在全年徑流較小的非汛期。施工期洪峰流量的推算必須考慮河道水文資料和實(shí)際情況，按設(shè)計(jì)流量對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)流，以創(chuàng)造干地作業(yè)環(huán)境。

步驟2：放線清基。正式開(kāi)工前，必須現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、合理確定壩址位置，按設(shè)計(jì)圖紙放出外邊線和壩軸線，基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí)要保證與設(shè)計(jì)開(kāi)挖線的一致，然后適當(dāng)平整、清理基礎(chǔ)底部，對(duì)于地基軟、河底淤泥較多的河段還要實(shí)行基礎(chǔ)換填。

步驟3：基礎(chǔ)施工。按照設(shè)計(jì)尺寸將相應(yīng)規(guī)格的石籠網(wǎng)片鋪設(shè)于開(kāi)挖基槽內(nèi)，然后遵循石料間搭接緊密、大面朝下的原則裝填規(guī)定尺寸的石材，確保石材的裝填穩(wěn)定以及頂面填充高出2-3mm。完成石料裝填后將頂部用網(wǎng)片蓋上，并把側(cè)面與頂部網(wǎng)片用綁線綁緊，綁扎過(guò)程中沿網(wǎng)籠與框線的雙扭結(jié)邊或圍繞兩條重合的框線綁緊，保持螺距≤500mm，以防損傷鋅鍍層。

步驟4：齒墻與護(hù)坦施工。控制上、下游的護(hù)坦長(zhǎng)度≥3m和4m，設(shè)置厚度為0.5m；齒墻埋深1.5m，設(shè)計(jì)頂寬1.0m。壩體與齒墻、護(hù)坦的施工方法基本相似，最后利用綁線將齒墻、基礎(chǔ)與護(hù)坦相鄰部分進(jìn)行固定和連接。

步驟5：壩體施工。壩體背水面坡比1∶6，迎水面為直墻，結(jié)合水文數(shù)據(jù)可以適當(dāng)調(diào)整壩體高度。施工過(guò)程中，必須按照設(shè)計(jì)圖紙先鋪設(shè)底層網(wǎng)片，然后將網(wǎng)片與護(hù)坦、基礎(chǔ)利用綁線連接，考慮設(shè)計(jì)尺寸要求豎起石籠網(wǎng)隔板及面板，并折成工程所需的形狀，為便于最終的封蓋還要預(yù)留一定尺寸的網(wǎng)片。完成石籠網(wǎng)折疊后，將石料分批依次裝填至石籠網(wǎng)箱內(nèi)，并保證石料最終裝填高度超出箱體25mm。裝滿后向下折疊網(wǎng)蓋并用螺旋固定絲、綁線，將石籠網(wǎng)隔板、側(cè)面與網(wǎng)箱絞合連接成一個(gè)整體，每間隔25-30cm應(yīng)綁扎一根綁線，該過(guò)程要防止損傷鋅鍍層，完成綁扎后要收緊螺旋固定絲。根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定坡比1∶3，壩體石籠施工結(jié)束后要在壩前填充砂礫石等材料。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

大凌河中游段位于閻王鼻子水庫(kù)壩下至細(xì)河入?yún)R口處，比降在1‰左右，該段為山區(qū)性河流。河長(zhǎng)150.8km，河寬500-3200m，平均河寬約1800m，較上游段河寬增加，主槽寬100-250m，平均主槽寬約為120m。河道彎曲系數(shù)為1.59，匯入的支流有細(xì)河、涼水河、十家子河、顧洞河、牤牛河等。流經(jīng)的主要城鎮(zhèn)有朝陽(yáng)新縣城、朝陽(yáng)市、燕都新城、長(zhǎng)寶營(yíng)子、南八家子、大板鎮(zhèn)、下府蒙古族鄉(xiāng)、紅墻子滿族鄉(xiāng)、義縣縣城、大榆樹(shù)堡鎮(zhèn)等地。河道生態(tài)治理工程包括濕地恢復(fù)、景觀綠化、石籠網(wǎng)攔水壩建設(shè)、生態(tài)護(hù)岸、堤岸修復(fù)以及河道清淤等內(nèi)容，治理長(zhǎng)度35km。治理前河道整體景觀較差，泥沙含量高且河道水質(zhì)差，為了滿足景觀需求以及取得較好的生態(tài)治理效果，采取生態(tài)型良好的石籠網(wǎng)修筑攔水壩，對(duì)河道清淤后修建32座石籠網(wǎng)攔水壩，壩體材料以石塊、石籠網(wǎng)為主，間距位于120-240m之間，以每組3-4座形成多級(jí)壩系。

2.2 技術(shù)參數(shù)

采用自然石塊與鉛絲石籠修筑石籠網(wǎng)攔水壩，石籠網(wǎng)邊絲徑φ3.5mm，面絲徑φ2.8mm，網(wǎng)目160mm×160mm，鉛絲石籠鍍鋅層≥260g/m2；將當(dāng)?shù)刂睆?5-30cm的石材裝填至鉛絲石籠內(nèi)，保證石材表面無(wú)水銹、無(wú)風(fēng)化脫落層、無(wú)污垢以及無(wú)裂紋，禁止垃圾石、風(fēng)化石的使用。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)攔水壩基礎(chǔ)埋深1.5m，寬度1.5m，壩長(zhǎng)60-185m，高出基礎(chǔ)0.5-1.0m，基礎(chǔ)及其以上部位連接成整體。齒墻埋深1.5m，頂寬1.0m，迎水坡為直墻而背水坡坡比為1∶6，按1∶3設(shè)計(jì)砂礫石料回填坡比，在橫向上每隔4m分別對(duì)齒墻、坡面、壩體單獨(dú)包鉛絲石籠。

2.4 影響分析

1)攔截上游泥沙。內(nèi)部填充石塊的石籠網(wǎng)攔河壩具有較好的透水性，孔隙較多且允許水流穿過(guò)，每道壩都設(shè)置有過(guò)濾器，不同粒徑的石塊能夠有效的過(guò)濾上游泥沙。將多座石籠網(wǎng)攔水壩建于泥沙含量較高的河道，形成的多級(jí)壩系過(guò)濾系統(tǒng)能夠發(fā)揮層層過(guò)濾上游泥沙的作用，在發(fā)揮一定阻水作用的同時(shí)還能減緩水流速度，因此石籠網(wǎng)攔水壩可以提供河水泥沙沉淀的先決條件。

2)增加生物多樣性。以自然石塊、鉛絲石籠為建筑材料的石籠網(wǎng)攔水壩，因相鄰石塊間具有一定的孔隙，所有石塊表面均存在接觸微生物及水流的機(jī)會(huì)。通過(guò)充分利用整個(gè)壩體石塊及其表面積、石塊之間的孔隙，可為附著于石塊表面的浮游生物、微生物等創(chuàng)造適宜的生存空間和庇護(hù)場(chǎng)所。此外，石籠網(wǎng)攔水壩能夠在一定程度上降低水流速度，提供相對(duì)平緩的水面滿足水生動(dòng)植物生長(zhǎng)需求。石籠網(wǎng)攔水壩與傳統(tǒng)的橡膠壩、硬質(zhì)的漿砌石攔水壩相比，可以利用其減緩流速、孔隙較大、石塊表面積大、透水性好等特性，有效完善河流生態(tài)系統(tǒng)以及生物多樣性。

3)提升沿線景觀。石籠網(wǎng)攔水壩能夠改善河道生態(tài)系統(tǒng)，在一定程度上提升景觀環(huán)境。這是由于石籠網(wǎng)可以形成一定壅高水面，在壩體之間、多級(jí)壩系之間形成景觀水面以及多級(jí)連續(xù)水面，在減緩水流速度的同時(shí)還可提高河道的觀賞性。此外，水流速度的減緩還可提供適于水生動(dòng)植物生長(zhǎng)的環(huán)境，有利于增加生物多樣性和提升河道景觀；增加的河道水面能夠調(diào)節(jié)流域小氣候，為提升河道景觀、改善河流生態(tài)發(fā)揮著促進(jìn)作用。

4)改善河流水質(zhì)。多級(jí)石籠網(wǎng)攔水壩可調(diào)節(jié)水流速度、降低河水泥沙含量、有效攔截泥沙、形成水流落差，通過(guò)減緩壩前水流速度、增大過(guò)壩徑流的水流速度使空氣與河水充分接觸，從而提高溶解氧的含量以及加快微生物分解有機(jī)物的速度。經(jīng)過(guò)多級(jí)壩系時(shí)水流能夠形成多級(jí)曝氣，實(shí)現(xiàn)河流水質(zhì)的逐步凈化。

3 結(jié) 論

在攔水壩建設(shè)中石籠網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用具有施工簡(jiǎn)單、耐腐蝕強(qiáng)、透水性、整體性、柔韌性和景觀效果好等特點(diǎn)，石籠網(wǎng)攔水壩的建設(shè)有利于改善河道生態(tài)環(huán)境、河流水質(zhì)，提升河道景觀格局以及生物多樣性，此外還可有效攔截泥沙，對(duì)河道生態(tài)治理具有較強(qiáng)的適用性和應(yīng)用前景。