河道拦水坝中石笼网技术的应用研究

2021-08-08侯捷

黑龙江水利科技 2021年7期

侯捷

(北票市防汛抗旱指挥部办公室，辽宁朝阳 122100)

0 引言

我国对石笼网的应用最早可追溯至2000多年前，竹编石笼挡水坝作为已知最早的石笼网雏形曾被用于都江堰的修筑[1]。随后，英国、日本、意大利等相继出现装土柳条筐和袋状石笼网，被用于炮兵阵地掩体、防洪除险、河堤加固和修补等工程。

国外将现代石笼网技术主要用于海洋工程防护、土体支撑、桥台修筑、河道护坡等领域，而国内多集中于景观绿化、道路隔离护栏、山体挂网喷浆、基坑支护、边坡支护、河道治理等领域的应用，对其相关研究还处于起始阶段[2]。柔性的石笼结构相对于不能承受拉应力的素混凝土、砌石等圬工工程而言，具有承受一定拉力或者发生弯曲变形而防止结构性失效失稳、不脆性断裂的特点，结构变形后能够自动调整平衡，可以有效避免裂缝的出现。将石笼网护岸用于河道治理工程，可以满足设计洪水不越堤和常水位基础防冲的要求，在保证堤坝稳定性的基础上，能够维持周边环境与河道水体之间的物质交流，具有防止土壤侵蚀、净化水质、生态性良好、保护生态环境以及创造适合动植物生长环境的特点。此外，石笼网还存在适应性强、对周边环境要求低、运费少、施工简单等优点。

现代石笼网一般为机械编制经过高抗腐蚀处理以上的同质钢丝、稀土合金镀层混合锌铝低碳钢丝、锌铝合金镀层低碳钢丝或热镀锌低碳钢丝等而成，可利用PVC覆塑层有效保护钢丝表面。依据EN或ASTM标准、工程设计资料，选取的低碳钢丝直径多为2.0-4.0mm，金属镀层质量≥245g/m2，抗拉强度要高于38MPa。网线通常要小于网片的边缘线直径，为保护钢丝表面PVC镀层和绞合部分金属镀层不被破坏设计的双线绞合部分长度应>50mm。

1 石笼网技术

1.1 技术优势

1)透水性好。石笼网具有良好的过滤地表水及地下水的功能，通过对土壤等沉积物的截留为植物生成创造适宜的生存空间。

2)耐久性与耐腐蚀性强。热镀锌铝工艺能够降低网丝氧化程度，提高钢丝表面镀层的整体稳定性；此外，采用包塑或涂树脂后的石笼网丝具有较强的抗老化、抗氧化、防腐耐蚀的作用，可以有效增加石笼网服役年限。

3)柔韧性好。石笼网可以有效解决冬季硬质材料冻胀的问题，良好的柔韧性能够抵抗地基不均匀沉降，地基适应性强。

4)稳定性和整体性极佳。石笼网材的整体性较好，石笼网工程的整体结构不会受局部破坏或适度变形而产生破坏，即使存在地基不均匀沉降也不会带来裂缝或其它问题。

5)景观效果较好。石笼网结构的颜色多样、组合方便，可以提供满足多种景观需求的不同结构造型，景观效果丰富、自然且见效快。

6)施工简单。向笼内装入规定尺寸的石块并封口就可完成施工，可就地取材且对填充石料的要求较低，无需特殊的技术便于机械化操作，不受温度、气候等条件的限制，在保证施工质量的同时又可加快工程进度。

7)投资成本低、服役年限长。石笼网具有抗老化、抗氧化、耐腐蚀等特点，使用过程中基本无需维修，服役年限甚至可以达到几十年。

1.2 特点分析

石笼网挡水坝相对于橡胶坝、浆砌石坝等，具有维护简单、施工简便、耐腐蚀强、使用寿命长、对生态环境影响小以及地基承载力要求低等特点，如表1所示。

表1 不同结构形式的坝体特点对比

1)橡胶坝。橡胶坝主要是以内外涂覆橡胶为保护层、高强合成纤维织物为受力架，并锚杆于底板形成封闭的坝袋，用水(气)经冲排管路充胀而成的袋式拦水坝，故也称橡胶水闸。橡胶坝具有服役年限长、维修简便、汛期不阻水、抗震能力强、施工速度较快等优点，但以橡胶与高强度合成纤维织物为原材制成的橡胶坝与周边生态环境不协调，生态性较差。此外，橡胶坝坝袋不宜频繁的排放和充胀，对于水位波动明显的河道其适用性较差，加之坝袋易受推移质的损坏，实际使用时要及时控制河道的漂浮物，其后期管理难度大。

2)浆砌石拦水坝。该类坝以重力式挡水坝为主，依靠自身产生的压应力、自重产生的抗滑力来抵消水压力引起的拉应力以及维持坝体安全稳定性，挡水建筑物的修筑材料为浆砌石。浆砌石拦水坝具有地形地质适应性强、便于机械化施工、操作简单、拦水效果好等特点，但该结构存在不透水的特性，生态系统上下游之间的连通性被切断，河水的自然形态也遭到一定破坏，周边环境与浆砌石材料的不协调影响了景观的整体性。

1.3 施工流程

步骤1：施工导流。石笼网拦水坝属于横向拦水建筑物，为保证施工安全应避开汛期，应把施工时段尽量安排在全年径流较小的非汛期。施工期洪峰流量的推算必须考虑河道水文资料和实际情况，按设计流量对作业区域进行导流，以创造干地作业环境。

步骤2：放线清基。正式开工前，必须现场测量、合理确定坝址位置，按设计图纸放出外边线和坝轴线，基础开挖时要保证与设计开挖线的一致，然后适当平整、清理基础底部，对于地基软、河底淤泥较多的河段还要实行基础换填。

步骤3：基础施工。按照设计尺寸将相应规格的石笼网片铺设于开挖基槽内，然后遵循石料间搭接紧密、大面朝下的原则装填规定尺寸的石材，确保石材的装填稳定以及顶面填充高出2-3mm。完成石料装填后将顶部用网片盖上，并把侧面与顶部网片用绑线绑紧，绑扎过程中沿网笼与框线的双扭结边或围绕两条重合的框线绑紧，保持螺距≤500mm，以防损伤锌镀层。

步骤4：齿墙与护坦施工。控制上、下游的护坦长度≥3m和4m，设置厚度为0.5m；齿墙埋深1.5m，设计顶宽1.0m。坝体与齿墙、护坦的施工方法基本相似，最后利用绑线将齿墙、基础与护坦相邻部分进行固定和连接。

步骤5：坝体施工。坝体背水面坡比1∶6，迎水面为直墙，结合水文数据可以适当调整坝体高度。施工过程中，必须按照设计图纸先铺设底层网片，然后将网片与护坦、基础利用绑线连接，考虑设计尺寸要求竖起石笼网隔板及面板，并折成工程所需的形状，为便于最终的封盖还要预留一定尺寸的网片。完成石笼网折叠后，将石料分批依次装填至石笼网箱内，并保证石料最终装填高度超出箱体25mm。装满后向下折叠网盖并用螺旋固定丝、绑线，将石笼网隔板、侧面与网箱绞合连接成一个整体，每间隔25-30cm应绑扎一根绑线，该过程要防止损伤锌镀层，完成绑扎后要收紧螺旋固定丝。根据设计要求确定坡比1∶3，坝体石笼施工结束后要在坝前填充砂砾石等材料。

2 实例应用

2.1 工程概况

大凌河中游段位于阎王鼻子水库坝下至细河入汇口处，比降在1‰左右，该段为山区性河流。河长150.8km，河宽500-3200m，平均河宽约1800m，较上游段河宽增加，主槽宽100-250m，平均主槽宽约为120m。河道弯曲系数为1.59，汇入的支流有细河、凉水河、十家子河、顾洞河、牤牛河等。流经的主要城镇有朝阳新县城、朝阳市、燕都新城、长宝营子、南八家子、大板镇、下府蒙古族乡、红墙子满族乡、义县县城、大榆树堡镇等地。河道生态治理工程包括湿地恢复、景观绿化、石笼网拦水坝建设、生态护岸、堤岸修复以及河道清淤等内容，治理长度35km。治理前河道整体景观较差，泥沙含量高且河道水质差，为了满足景观需求以及取得较好的生态治理效果，采取生态型良好的石笼网修筑拦水坝，对河道清淤后修建32座石笼网拦水坝，坝体材料以石块、石笼网为主，间距位于120-240m之间，以每组3-4座形成多级坝系。

2.2 技术参数

采用自然石块与铅丝石笼修筑石笼网拦水坝，石笼网边丝径φ3.5mm，面丝径φ2.8mm，网目160mm×160mm，铅丝石笼镀锌层≥260g/m2；将当地直径25-30cm的石材装填至铅丝石笼内，保证石材表面无水锈、无风化脱落层、无污垢以及无裂纹，禁止垃圾石、风化石的使用。

2.3 结构设计

设计拦水坝基础埋深1.5m，宽度1.5m，坝长60-185m，高出基础0.5-1.0m，基础及其以上部位连接成整体。齿墙埋深1.5m，顶宽1.0m，迎水坡为直墙而背水坡坡比为1∶6，按1∶3设计砂砾石料回填坡比，在横向上每隔4m分别对齿墙、坡面、坝体单独包铅丝石笼。

2.4 影响分析

1)拦截上游泥沙。内部填充石块的石笼网拦河坝具有较好的透水性，孔隙较多且允许水流穿过，每道坝都设置有过滤器，不同粒径的石块能够有效的过滤上游泥沙。将多座石笼网拦水坝建于泥沙含量较高的河道，形成的多级坝系过滤系统能够发挥层层过滤上游泥沙的作用，在发挥一定阻水作用的同时还能减缓水流速度，因此石笼网拦水坝可以提供河水泥沙沉淀的先决条件。

2)增加生物多样性。以自然石块、铅丝石笼为建筑材料的石笼网拦水坝，因相邻石块间具有一定的孔隙，所有石块表面均存在接触微生物及水流的机会。通过充分利用整个坝体石块及其表面积、石块之间的孔隙，可为附着于石块表面的浮游生物、微生物等创造适宜的生存空间和庇护场所。此外，石笼网拦水坝能够在一定程度上降低水流速度，提供相对平缓的水面满足水生动植物生长需求。石笼网拦水坝与传统的橡胶坝、硬质的浆砌石拦水坝相比，可以利用其减缓流速、孔隙较大、石块表面积大、透水性好等特性，有效完善河流生态系统以及生物多样性。

3)提升沿线景观。石笼网拦水坝能够改善河道生态系统，在一定程度上提升景观环境。这是由于石笼网可以形成一定壅高水面，在坝体之间、多级坝系之间形成景观水面以及多级连续水面，在减缓水流速度的同时还可提高河道的观赏性。此外，水流速度的减缓还可提供适于水生动植物生长的环境，有利于增加生物多样性和提升河道景观；增加的河道水面能够调节流域小气候，为提升河道景观、改善河流生态发挥着促进作用。

4)改善河流水质。多级石笼网拦水坝可调节水流速度、降低河水泥沙含量、有效拦截泥沙、形成水流落差，通过减缓坝前水流速度、增大过坝径流的水流速度使空气与河水充分接触，从而提高溶解氧的含量以及加快微生物分解有机物的速度。经过多级坝系时水流能够形成多级曝气，实现河流水质的逐步净化。