无锈熔接网生态石笼在鱼类产卵场修复中的应用

2023-12-30叶智峰程南宁朱冬舟成必新

四川环境 2023年6期

叶智峰，程南宁，朱冬舟，成必新，严鑫

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

前言

水利水电工程中拦河坝的修筑，改变了天然河流的流量和水深，直接影响了下游河流的水文条件，导致河道中鱼类的适宜生境面积被大幅度压缩。产卵场作为鱼类生存最重要的生境“三场”(产卵场、越冬场、索饵场)之一，其适宜面积的大小，直接影响了河流鱼类种类和数量。鱼类产卵场修复可有效缓解水电工程建设对水生生物资源的不利影响，是工程开发中生态环境保护的重要措施之一[1]。

鱼类产卵场修复主要是针对在流水砂砾石底质中产黏沉性卵的鱼类所设置，通常选择与繁殖生境需求符合度较高的砾石底浅滩场地进行建设，通过实施地形塑造、新建构筑物、底质重构等措施，改变区域水深、流速、水温、底质、环境复杂度等关键生境因子，提升鱼类产卵场栖息地的适宜性[2]。

近年来，随着生态保护补偿机制逐步健全，两河口、阿海、安谷、乐昌峡、大藤峡等水电站工程都规划了鱼类产卵场修复项目[1～4]。总体来说，现阶段针对鱼类产卵场修复的研究仍然较少，且大多停留在调查分析研究或实验模拟阶段，缺乏一定的工程实践经验与效果验证，针对生境参数、场址选择、修复措施、结构型式、工程材料等技术方案的研究，仍有大量工作亟待开展。少数已建工程案例中，新建构筑物多采用干砌石、木材或钢筋混凝土作为工程材料，部分项目存在结构遭洪水冲刷破坏、功能和形象不及预期的问题；部分项目出现结构阻隔水流造成生态性差、与周边景观不协调的现象。就目前国内工程案例情况来说，常用的、传统的建筑材料均未取得良好的效果，工程材料的限制影响了产卵场修复目标的实现。因此，确定适宜的工程材料，对于产卵场修复领域的发展至关重要。

针对目前国内外研究存在的问题，本文首次提出将无锈熔接网生态石笼应用于鱼类产卵场修复中，通过对工程材料自身特点、产卵场修复项目特征进行分析，评判无锈熔接网生态石笼应用的可行性、适用性及优势；通过对工程案例资料进行分析，评价无锈熔接网生态石笼应用的效果与不足，以期得出相关结论和启示，为类似研究或工程设计提供参考。

1 无锈熔接网生态石笼在鱼类产卵场修复中的应用优势

1.1 无锈熔接网生态石笼

1.1.1 网片特点

按照网片类型不同，生态石笼主要分为六角格宾网生态石笼和无锈熔接网生态石笼两种。六角格宾网采用机编绞捻钢丝成型，常用丝径2～3 mm，常用网孔尺寸有60 mm×80 mm和80mm×100mm两种；无锈熔接网采用无锈熔接HAIPA专利技术将铝锌合金钢丝熔接成网片，常用网丝丝径有3mm～6mm，常用网孔尺寸有62 mm×100 mm和100mm×100mm两种。无锈熔接网具有以下特点及优势[5]：

(1)网丝熔接点抗剪强度>250 Mpa，网丝抗拉强度≥500 MPa，较之六角格宾网，自身强度具有明显优势；

(2)网丝镀层厚度为400～450g/m2，使用年限长达90 a，耐腐蚀性和使用寿命是六角网的2倍；

(3)无锈熔接网网丝粗、硬度大，网片成型度高，填充材质平整顺滑，外观规整顺直，立面视觉效果极佳，景观效果好；

(4)不同于格宾石笼网的扎丝绑扎，网箱之间采用专用扣件连接，整体性高，不易发生形变；

(5)网丝、绑扎件和工具均为厂家提供，成品质量有保障。

六角格宾网生态石笼和无锈熔接网生态石笼示意图分别见图1、图2。

图1 六角格宾网生态石笼Fig.1 Hexagonal gabion mesh ecological stone cage

图2 无锈熔接网生态石笼Fig.2 Rust-free welding mesh ecological stone cage

1.1.2 结构型式

无锈熔接网生态石笼用作工程材料，其应用结构型式大体可分为两种，一种是结构完全采用石笼网箱构建，不同位置可使用不同尺寸的网箱；另一种为结构内部采用砂、土、砂砾石、块石、木材等传统透水材料堆砌，结构表面采用石笼网箱护砌。

1.1.3 施工流程

无锈熔接网生态石笼施工主要步骤如下：

(1)平整建基面；

(2)预制好的石笼网箱放置于设计位置；

(3)同一层相邻网箱采用金属环扣连接；

(4)机械填装石料，配合人工整平，确保加盖前石块密实；

(5)网箱加盖并采用金属环扣锁紧；

(6)按照上述步骤进行第二层网箱施工。

1.2 鱼类产卵场修复项目特点

鱼类产卵场修复项目中构筑物的主要功能是控制水流流速、流态、水深，保护底质不被冲刷、营造生境多样性等。根据国内外工程案例及传统水利工程相关知识，实现以上功能的构筑物的类型主要有堰、顺坝、丁坝、潜堤等。结合生态修复理念，产卵场修复项目中构筑物具有以下特点：

1.2.1 强度要求不高

根据“人工引导自然修复”的生态工程设计理念，产卵场修复项目中构筑物一般被定义为“临时构筑物”，安全系数较低，允许发生一定程度的变形和位移，自身强度要求不高。

1.2.2 需抵御洪水冲击和冲刷

建设地点一般位于河流砾石边滩，汛期流量大、流速快。受水流冲击的影响，构筑物易发生横向变形和位移；受水流掏刷地基的影响，易产生竖向变形和位移。变形的不可避免，要求构筑物自身具有良好的柔韧性和稳定性，不会因局部破坏或变形而发生整体破坏。

1.2.3 应具备生态性

工程的任务是引导修复，构筑物功能是创造良好的水生生境，因此生态性是工程的最重要特征，也是工程设计的基本理念之一。生态性具体体现为透水、透气，不对水流造成阻隔，水位低时，不形成死水区；同时也表现为与周边天然材料物质协调、和谐，满足当地水生植物自然生长需求。

1.2.4 景观性有一定要求

建设地点在河流边滩，处于露天环境，工程不宜过分突出人为痕迹，应与周边景观相协调，满足人、车辆驻足小憩、俯瞰江景的需求。

1.2.5 施工工艺可满足特殊施工环境

产卵场修复施工环境特殊性主要体现在：1)河水流量大，滩面透水性好，干地施工难度大、成本高；2)水位变化快、幅度大，有效作业时间短，需赶潮施工。因此，施工工艺应满足可带水作业、施工速度快、在建工程可抵御水流冲刷等要求。

1.3 应用可行性与优势

无锈熔接网生态石笼与传统材料特性对比见表1。针对鱼类产卵场修复项目特点，相对于传统材料，无锈熔接网生态石笼主要具有以下应用优势。

表1 材料特性对比表Tab.1 Comparison of material properties

1.3.1 生态性好

生态石笼为多孔隙结构，具有极好的透水性和透气性，可以很好的过滤地表水和地下水，同时截留住土壤、泥沙等水中悬浮物，便于植物汲取营养，为植物的生长提供适宜的环境。

1.3.2 耐久性好

无锈熔接网网丝强度及熔接点强度高，不易发生破环；网丝表面采用热镀铝锌合金工艺处理，提高了镀层的附着力，抗氧化作用强、耐磨性好，有很强的抵御自然破坏、抵抗恶劣气候影响的能力，使用年限长。

1.3.3 柔韧性好

无锈熔接网网片自身拥有良好的延展性，相邻网箱采用扣件连接，使得构筑物具备一定柔韧性，不会因局部变形而产生整体破坏。若构筑物基底被冲刷掏空，可仰仗自身重力下沉填补空位，防止地基被进一步掏刷；同时无锈熔接网生态石笼可以有效解决温度应力、水流冲击、地基不均匀沉降等带来的裂缝或其它问题。

1.3.4 稳定能力强

生态石笼属于蜂巢结构，具有透水和自排水功能，可使地下水及时的从石缝中渗透出去，能有效解决孔隙水压力的影响。与其他结构相比，可不设排水孔，对结构体本身提供了额外的安全系数，利于结构的稳定。

1.3.5 景观效果好

无锈熔接网网丝较细，且采用大网孔间距制作，在远处肉眼难以发现；网箱内部石料自然堆叠，避免了水泥浆粘结产生的人工痕迹，看上去更加自然；填料间的缝隙增加了立体感，光影效果明显，形成一种刚中带柔的独特美感。

1.3.6 施工简单高效

可根据施工图制成半成品后现场组装完成，操作过程简单；不受天气干扰，可带水作业；在建工程可抵御水流冲刷，可间歇性施工；整体施工效率高，质量容易保证。

1.3.7 经济性好

内部填充砾石或卵石，可就地取材、节约成本，同时可以增加施工速度。与传统结构相比，成本更低，具有经济性优势。

2 案例分析

2.1 工程概况

根据乌东德及白鹤滩两水电站项目环评批复，由中国长江三峡集团公司组织实施“乌东德库尾鱼类栖息地保护项目”，通过项目建设充分发挥乌东德水电站库尾回水变动区流水生境对长江上游特有鱼类的保护作用，为库区喜流水生境鱼类提供产卵场，减缓电站建设及运行对鱼类的影响。

“金雅汇口鱼类产卵场修复工程”为项目的主要内容之一，工程位于金沙江、雅砻江汇口上游约150m～450m右岸边滩，占地面积约26600m2，建设内容主要包括丁坝1座、三角形透水堰1座、保底质顺坝长885m、底质改良约24042m2及蛮石点缀。受上游金沙、银江、桐子林及下游乌东德等梯级电站的叠加调度影响，金沙江、雅砻江汇口区域水位、流量具有日变幅巨大的特点，日水位变化2.59～2.54m。工程位置示意图见图3。

图3 工程位置示意图Fig.3 Project location diagram

2.2 设计方案

2.2.1 设计对象及参数

工程具体设计参数详见表2。

表2 工程设计参数Tab.2 Engineering design parameters

2.2.2 场址现状

根据现场调查资料，现状滩地底质以大粒径砾石(粒径>100mm)为主，滩地中部存在暗礁；根据模型计算结果，相对于目标鱼类生境要求，边滩西北角区域水深、流速分布偏大，边滩靠岸边30m宽区域水深、流速分布较小，其余部分水深、流速条件相对适中。现状滩面实拍见图4，水深、流速模型计算结果见图5、图6。

图4 现状滩面实拍图Fig.4 Real picture of current beach surface

图5 现状滩面水深模型计算结果Fig.5 Current water depth model calculation results

图6 现状滩面流速模型计算结果Fig.6 Calculation results of current beach surface velocity model

2.2.3 总体思路

边滩上游侧设置三角形堰，阻挡上游来水并向边滩侧引流，适当抬高南侧上游水位及下游边滩区域流速、降低边滩西北角区域流速；进行底质换填并设置约束底质顺坝；透水堰上游侧布置一道丁坝，降低区域整体流速，提高汛期透水堰抗冲能力；堰、坝顶部设置开孔，营造多样性生境。

2.2.4 设计分区

根据目标鱼类不同，将产卵场划分若干区域。分区设计参数见表3。

表3 产卵场分区设计参数Tab.3 Design parameters of spawning area

2.2.5 平面布置

边滩上游侧边界处布置透水丁坝，坝轴线与河道中心线交角约60°，坝顶高程977.5m，长度约51m，坝根与河道岸坡顺接，坝头与边滩边界齐平；透水丁坝下游侧约20m处布置三角形透水堰，堰轴线与河道中心线交角约60°，根部与河道岸坡距离约20m，头部与边滩边界齐平，顶高程978m；透水堰下游侧、沿边滩边界至岸坡依次布置三道顺坝，第一道顺坝总长340m，第二道总长275m，第三道总长269m；岸坡至边滩外边界依次为A、B、C三个区，其中A区面积13227m2，B区面积5610m2，C区面积5205m2。工程总平面图见图7。

图7 金雅汇口产卵场总平面图Fig.7 Design parameters of spawning area

2.2.6 结构设计

(1)丁坝。坝身宽4m，坝头宽8m，坝顶高程977.5m，底高程976.0m～976.5m；坝身采用无锈熔接网生态石笼堆砌，上下共2～3层，单个网箱分为1m×1m×0.5m、1m×1m×1m两种尺寸；上游侧邻网箱位置间隔布置蛮石(粒径≥600mm，重量≥0.3t，下同)。丁坝结构图见图8、图9。

图8 丁坝平面布置图Fig.8 Plan of groin dam

图9 丁坝断面图1-1Fig.9 Cross-section map of groin 1-1

(2)三角形透水堰。堰顶宽度7～39m，堰顶高程978m，底高程976.5m～977.0m；堰身内部采用砾石堆砌，表面采用无锈熔接网生态石笼护砌；顶层中间区域采用蛮石间隔填充；上游侧邻网箱间隔布置蛮石。透水堰结构图见图10、图11。

(3)保底质顺坝。采用无锈熔接网生态石笼堆砌，坝身宽度2m，由4个1m×1m×0.5m的网箱组合成一个2m×2m×0.5m单元，相邻石笼网箱采用扣件连接固定。坝轴线方向、各单元之间设0.5～1.5m空隙，空隙位置间隔布置蛮石。顺坝结构图见图12、图13。

图10 三角形透水堰平面图Fig.10 Plan of standard section of triangular permeable weir

图11 三角形透水堰剖面图1-1Fig.11 Cross-section map of triangular permeable weir 1-1

图12 顺坝标准段平面图Fig.12 Plan of standard section of longitudinal dam

图13 顺坝断面图1-1Fig.13 Cross-section map of longitudinal dam 1-1

2.2.7 底质改善设计

根据产卵场分区设计、滩面现状底质情况进行底质改善布置。具体布置方案见表4。

表4 底质改善布置方案Tab.4 Substrate quality improvement scheme

2.2.8 生态石笼网箱设计

生态石笼网箱结构图见图14、图15，设计参数如下：

(1)网箱类型：无锈熔接网石笼；

(2)规格：1m×1m×0.5m、1m×1m×1m；

(3)网片尺寸：网孔62×100mm，面板横筋直径4.0mm，纵筋直径5.0mm；

(4)无锈熔接网网片钢丝技术参数见表5，焊接点剪断强度≥250Mpa。

表5 网片钢丝技术参数表Tab.5 Mesh wire technical parameters

图14 网箱结构图Fig.14 Cage structure diagram

2.3 应用效果分析

本工程中丁坝、三角形透水堰、顺坝均采用无锈熔接网生态石笼结构，拟从工程形象、水力生境及底质、施工特点等方面评价无锈熔接网生态石笼的应用效果。

2.3.1 工程形象

工程形象主要依据工程影像资料分析，图16～图20为工程完工经历汛期后的实拍图，由图可知：

图15 网片详图Fig.15 Detail drawing of the screen

1)构筑物未发生破坏，整体工程形象完好；2)部分石笼网片轻度变形、部分石笼网箱发生轻微竖向、横向位移，总体看来，构筑物变形程度在设计允许范围内，不影响工程功能的发挥；3)经历汛期之后，构筑物适应了地基变形和洪水冲击，结构形态更加自然、稳固；4)自然滩面为砾石地基，无壤土、无水生植物生长，构筑物石笼网箱表面被苔藓类植物覆盖，内部卵砾石光滑洁净，无杂质堵塞孔隙，构筑物与自然滩面景观协调、观感一致，工程显现出良好的生态性；5)站在远处，很难用肉眼发现石笼网箱本身的存在，工程很好的融入周围环境中，无明显的人工痕迹，不同水位下，体现出不同的美感。

图16 工程实拍图1Fig.16 Project real picture 1

图17 工程实拍图2Fig.17 Project real picture 2

图18 工程实拍图3Fig.18 Project real picture 3

图19 三角形透水堰实拍图Fig.19 Real picture of triangular permeable weir

2.3.2 施工特点

施工特点主要依据施工过程记录进行分析，针对施工工艺、进度控制、成本控制、质量控制方面，主要有以下记录：1)施工采取不设围堰、不设人工降水、低水位带水作业的施工方案，利用每日低水位时段赶潮施工；2)工程提前于原进度计划完工；3)各分项工程质量等级评定均为优良；4)工程中石笼网箱内填充料全部利用滩面砾石，无任何外购石材，工程造价较低。

图20 无锈熔接网网箱实拍图Fig.20 Real picture of rust-free welding mesh box

对以上施工过程记录进行分析可知，本工程施工具有以下特点：1)施工工艺简单高效，适用于水位变化快、幅度大、有效作业时间短的特殊施工环境；2)施工速度快，进度易保证，质量易控制；3)与传统结构相比，费用较低，可有效控制工程投资。

2.3.3 水力生境及底质

水力生境主要依据水文监测数据分析，底质主要依据影像资料分析。水文监测数据采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)测量获得，2020年12月、2021年5月两次监测结果见表6，汛期后的河床底质实拍图见图2。由表6可知，实施产卵场修复工程后，设计工况下，A、B、C区的流速、水深均能够满足设计生境要求；由图21、图22可知，经历一个汛期后，产卵场沙砾混合型底质仍维持较好级配，说明改善后的底质能够抵御汛期洪水冲刷。以上分析结果表明，无锈熔接网生态石笼应用于产卵场修复，水力生境、底质等工程目标能够得到有效保证。