石笼网技术在河道拦水坝建设中的应用

2021-02-05周连兄

中国水土保持 2021年2期

周连兄

(北京林丰源生态环境规划设计院有限公司，北京 100083)

1 石笼网技术简介

石笼网最早起源于中国。早在2000多年前，我国劳动人民在修筑都江堰时就使用了大量竹编石笼挡水筑坝，这也是世界上已知最早的石笼网雏形。16世纪英国出现装满泥土的柳条筐，主要用于炮兵阵地掩体；17世纪日本首次将石笼网应用于防洪除险工程；18世纪初，意大利出现袋状石笼网，用于修补和加固河堤。

现代石笼网技术在国外广泛应用于河道护坡、桥台修筑、土体支撑、海洋工程防护等。国内对于石笼网技术的应用与研究目前处于初步阶段，在河道治理、边坡支护、基坑支护、山体挂网喷浆、道路隔离护栏、景观绿化等领域均有应用。与砌石、素混凝土等不能承担拉应力的圬工工程比较，柔性的石笼结构具有发生弯曲变形而不致脆性断裂的优点，可承受一定拉力并能防止结构性失效失稳，变形后结构可自行调整平衡，避免出现裂缝[1-2]。在河道治理中采用石笼网护岸，不但能满足常水位基础防冲和设计洪水不越堤的要求，提高堤坝稳定性，而且可以保留河道水体和周边环境的物质交换，为动植物提供生存空间，净化水质、防止水土流失，保护周围生态环境[3-4]，具有良好的生态性。此外，石笼网还具有施工简易、运费少、对周围环境要求不高、适应性强等优点[5]。

现代石笼网一般为热镀锌低碳钢丝、锌铝合金镀层低碳钢丝、锌铝混合稀土合金镀层低碳钢丝，或经高抗腐处理的以上同质钢丝等，使用机械编织而成，钢丝表面可采用PVC覆塑层进行保护[6]。根据ASTM标准和EN标准，使用的低碳钢丝直径根据工程设计要求而不同，一般介于2.0～4.0 mm之间，抗拉强度不少于38 kg/m2，金属镀层质量一般高于245 g/m2。石笼网片的边缘线直径一般要大于网线直径，其双线绞合部分的长度不得小于50 mm，以保证绞合部分钢丝的金属镀层和PVC镀层不受破坏。

2 石笼网技术优点分析

2.1 石笼网优点

石笼网具有诸多优点：一是具有良好的透水性，对地下水及地表水具有过滤作用，可截留土壤等沉积物，为植物生长提供良好生态环境。二是高耐腐蚀性和耐久性，热镀铝锌工艺使钢丝表面镀层更加稳定，减少了网丝氧化作用；石笼网丝涂树脂或包塑后具有防腐耐蚀、抗氧化、抗老化的作用，进一步延长了石笼网使用寿命。三是柔韧性好，对地基承载力要求低，可抵抗地基不均匀沉降，避免硬质材料冬季冻胀问题等。四是拥有极佳的整体性和稳定性。石笼网材可以形成一个整体，适度变形和局部损坏不会破坏石笼网工程的整体结构，也不会因地基不均匀沉降产生裂缝或其他严重问题。五是具有较好的景观效果。石笼网结构易组合且颜色多样，可提供不同结构造型，满足不同区域景观需求，景观见效快，效果自然、丰富。六是施工方法简单，只需将规定尺寸的石块装入笼内封口即可，不需特殊技术，对填充石材要求不高，可就地取材，且受气候、温度等自然因素影响较小，适宜机械化操作，既能保证施工质量，又可加快工程进度。七是费用低廉。八是使用寿命长。由于耐腐蚀、抗氧化、抗老化的特点，石笼网使用寿命可达几十年，且基本不用维修。

2.2 石笼网拦水坝与其他常见结构形式坝体对比分析

与浆砌石坝、橡胶坝相比，石笼网拦水坝具有施工简单、耐腐蚀、对地基承载力要求低、使用寿命长、维护简单及对河道生态环境影响小等优点(具体见表1)。

表1 石笼网拦水坝与其他常见结构形式坝体对比分析

浆砌石拦水坝是采用浆砌石修筑的挡水建筑物，小型浆砌石拦水坝一般为重力式挡水坝，依靠坝体自重产生抗滑力来满足稳定性要求，同时依靠自身产生的压应力来抵消由水压力所引起的拉应力。浆砌石拦水坝拦水效果好、施工简单、便于机械化施工、对不同的地形地质适应性较强，但其为不透水结构，会破坏河水的自然流态，切断河道上下游生态系统的连通性，不利于河道生态系统的可持续发展，同时浆砌石材料与周边环境不协调，影响景观的整体性。

橡胶坝又称橡胶水闸，是用高强度合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷橡胶作为保护层，加工成胶布，再将其锚固于底板上，成为封闭的坝袋，通过充排管路用水(气)将其充胀形成的袋式拦水坝。橡胶坝具有施工速度快、抗震能力强、汛期不阻水且维修方便、使用寿命长等优点。但橡胶坝采用高强度合成纤维织物及橡胶作为材料，材料本身不具有生态性，与周边生态环境不协调；运营管理难度较大，坝袋充胀和排放不宜过于频繁，不宜建设在水位变化频繁的河道上；河道漂浮物不宜过多，山区大的推移质可能会损坏坝袋。

3 石笼网拦水坝施工方法

3.1 施工导流

作为河道横向拦水建筑物，为保障作业安全，石笼网拦水坝建设应避开汛期，选择一年中径流相对较小的时段进行施工。根据河道水文资料推算施工期洪峰流量，施工时对作业区域按照设计流量进行施工导流，确保干场作业。

3.2 放线清基

石笼网拦水坝施工前，应先按照设计图纸现场测量确定坝址，再按照设计坝轴线、外边线放线，然后根据设计开挖线开挖基础，并对基础底部进行适当清理和平整。对河底淤泥较多、地基软的河段，还应进行基础换填。

3.3 基础施工

根据设计尺寸，在开挖基槽内铺设相应规格的石笼网片，然后装填规定尺寸石材。石块装填过程中要求大面朝下，保证其稳定，石料间搭接紧密，顶面填充石料高出2～3 mm。石料装填完毕后，用网片盖上顶部并用绑线将顶部和侧面网片绑紧，绑扎时绑线需围绕两条重合的框线(缝合边棱时)或框线与网笼的双扭结边绑紧，并避免镀锌层损伤，螺距不大于500 mm。

3.4 护坦和齿墙施工

上游护坦长度不小于3 m，下游护坦长度不小于4 m，厚度均为0.5 m；齿墙顶宽1 m，埋深1.5 m。护坦、齿墙石笼施工方法同坝体基础。最后将护坦与基础、齿墙相邻部分采用绑线进行连接和固定。

3.5 坝体施工

坝体迎水面为直墙，背水面坡比1∶6，高度根据河流水文数据计算结果调整。坝体施工时首先铺设底层网片，并用绑线将其与基础、护坦进行连接，随后按设计尺寸要求折成所需形状，折叠时需将石笼网面板及隔板竖起，预留出足够尺寸的网片以便最终封盖。石笼网折叠完成后依次分批向石笼网箱内装填石料，石料装填完毕后应保证高出箱体约25 mm。装满后将网盖向下折，并用绑线和螺旋固定丝将其与石笼网侧面、隔板连接绞合在一起，一般25～30 cm使用一根绑线，绑线时应避免镀锌层损伤，绑扎完毕后使用螺旋固定丝收紧。

坝体石笼施工结束后，在坝前按设计要求填充砂砾石等材料，坡比为1∶3。

4 应用示例

4.1 滦平县伊逊河河道生态治理工程概况

滦平县伊逊河河道生态治理工程位于河北省滦平县东北部，治理长度31 km，治理内容包括河道清淤、堤岸修复、生态护岸、石笼网拦水坝建设、景观绿化和湿地恢复等。治理前河道水质差、泥沙含量高，整体景观较差。为达到生态治理效果，满足景观需求，拦水坝采用具有良好生态性的石笼网拦水坝形式，在对河道进行清淤之后，建设石笼网拦水坝44座，坝体采用石笼网和石块作为材料，间距150～250 m不等，每3～4座为一组，形成多级坝系。

4.2 石笼网技术参数与要求

石笼网拦水坝采用铅丝石笼和自然石块修筑。铅丝石笼网目160 mm×160 mm，网面丝径φ2.7 mm，边丝φ3.2 mm，镀锌层≥260 g/m2；铅丝石笼内装填当地石材，石材直径25～30 cm，石材应无风化脱落层或裂纹，表面无污垢、水锈等杂质，严禁使用风化石、垃圾石。坝面自然石直径20～30 cm不等，石材选择应富有美感，自然石摆放也应富有变化，尽量接近自然形态。

4.3 石笼网拦水坝结构设计

透水坝长度65～182 m不等，基础宽1.5 m，埋深1.5 m，基础以上高0.5～1.0 m，顶宽1.5 m，基础和基础以上主坝体包成一体。齿墙单独包成一个整体，顶宽1.0 m，埋深1.5 m，背水坡坡比1∶6，迎水坡为直墙，回填砂砾石料坡比为1∶3。坝体、坡面和齿墙均在横向上每隔4 m单独包一个铅丝石笼。石笼网拦水坝典型断面见图1。

图1 石笼网拦水坝典型断面(单位：mm)

5 石笼网拦水坝对河道生态的影响分析

5.1 拦截上游泥沙

石笼网拦水坝内部填充石块，孔隙较多，本身具有透水性，每道坝都是一个过滤器，在允许水流穿过的同时，不同粒径的石块对上游泥沙起到过滤作用。在河水泥沙含量较高的河道中建设多座石笼网拦水坝，形成多级坝系组成的过滤系统，可以层层过滤上游泥沙，同时石笼网拦水坝具有一定的阻水作用，可以减缓水流速度，为河水泥沙沉淀提供先决条件。

5.2 增加生物多样性

石笼网拦水坝采用铅丝石笼和自然石块作为建筑材料，由于石块与石块之间存在孔隙，每块石块的表面都有机会接触水流及微生物等，因此整个坝体石块的表面积很大并且得以充分利用，微生物、浮游生物等可附着于石块表面，石块之间的孔隙也可为水生动植物提供庇护所和生存空间。另一方面，石笼网拦水坝可以减缓上游水流流速，为水生动植物生长提供相对平缓的水面。相比于硬质的浆砌石拦水坝和传统的橡胶坝，石笼网拦水坝依靠其透水、石块表面积大、存在孔隙、减缓流速等特性，可以很好地增加生物多样性，使河道生态系统更加完善。

5.3 改善河流水质

多级石笼网拦水坝一方面可拦截泥沙，减少河水泥沙含量，另一方面可调节水流速度，形成水流落差，使坝前水流速度减缓，而经过坝体时水流速度急剧增加，河水与空气充分接触，获得充分的溶解氧，促进水中微生物对有机物的分解。水流经过多级坝系产生多级曝气，逐步净化河道水质。

5.4 提升河道沿线景观

景观环境的提升也是河道生态系统改善的一方面。石笼网拦水坝能在一定程度上壅高水面，减缓水流速度，在坝与坝之间形成景观水面，进而在多级坝系之间形成多级连续水面，提高河道的观赏性；同时水流速度降低，为水生动植物生长提供了条件，增加了生物多样性，使河道景观进一步提升；河道水面的增加也改善了周边小气候，对于河道生态环境的改善和景观环境的提升具有极大的促进作用。