石籠網(wǎng)技術(shù)在梯田建設(shè)中的應(yīng)用

陳新軍 ,鄧海瑜 ,苗德志 ,李印儒,丁明波

(1.臨沂市水利局，山東 臨沂 276001； 2.沂水縣水土保持局，山東 沂水 276400；3.費縣水土保持局，山東 費縣 273400； 4.莒南縣相溝鎮(zhèn)水利服務(wù)中心，山東 莒南 276600)

石籠網(wǎng)技術(shù)在梯田建設(shè)中的應(yīng)用

陳新軍1,鄧海瑜2,苗德志2,李印儒3,丁明波4

(1.臨沂市水利局，山東 臨沂 276001； 2.沂水縣水土保持局，山東 沂水 276400；3.費縣水土保持局，山東 費縣 273400； 4.莒南縣相溝鎮(zhèn)水利服務(wù)中心，山東 莒南 276600)

坡改梯； 石籠網(wǎng)； 田坎

結(jié)合沂水縣坡耕地治理工程實踐，介紹了石籠網(wǎng)技術(shù)在梯田建設(shè)中的應(yīng)用，以及田坎斷面設(shè)計、工程量計算和施工組織等。從石籠網(wǎng)的整體性、柔韌性、透水性等特點分析了田坎的穩(wěn)定性和壽命，并就田坎占地、工程投資等方面與石坎梯田、土坎梯田進行了對比分析。相比于石坎梯田，石籠網(wǎng)梯田能就地取材，利用田間粒徑較小的礫石作為材料，節(jié)省了投資成本；相對于土坎梯田，石籠網(wǎng)梯田穩(wěn)定性好，壽命長，田坎占地較少。在工程建設(shè)實踐中，在小塊礫石比較多的地方，利用石籠網(wǎng)技術(shù)修建梯田，能有效節(jié)省投資、延長工程使用壽命、減少田坎占地。

梯田是在山丘坡地上沿等高線方向修筑的條狀臺階式或波浪式斷面的田地，是治理坡耕地水土流失的有效措施。梯田的通風(fēng)透光條件較好，有利于作物生長和營養(yǎng)物質(zhì)的積累，蓄水、保土、增產(chǎn)作用十分顯著。梯田按修建田坎材料不同可分為土坎梯田、石坎梯田等。石坎梯田和土坎梯田是我國比較常見的兩種梯田修筑方式。土坎梯田投資小，易于整理，為了穩(wěn)定性需要，田坎占地面積一般較大，且易損毀、壽命短。石坎梯田占地面積小且穩(wěn)定，但投資較高，尤其是在石料短缺地區(qū)。隨著技術(shù)的發(fā)展，對新的田坎修筑方式的嘗試一直沒有中斷。在貴州省思南縣，部分坡改梯采用了混凝土框格護坡[1]；在山東省平邑縣采用了植草磚護坡[2]。所有這些雖在一定程度上增加了土坎梯田的使用壽命，但都沒有解決田坎占地問題，且基礎(chǔ)難處理，經(jīng)過一年沉降后容易坍塌，最終在農(nóng)田留下大量的人工預(yù)制構(gòu)件，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

“石籠網(wǎng)”是將抗腐蝕、耐磨損、高強度的低碳高鍍鋅鋼絲或鋁鋅合金涂層鋼絲編織成絞合狀、六邊形網(wǎng)目的網(wǎng)片，再根據(jù)工程設(shè)計要求由專用設(shè)備裁剪制作而成的不同規(guī)格的網(wǎng)制品。網(wǎng)制品運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后，按設(shè)計要求和施工規(guī)范連接組裝成箱籠，并裝入塊石等填充物，使之成為有規(guī)則和一定質(zhì)量的集合砌體，在工程中用作擋墻、護坡、護底、護腳、水下拋石等[3]。山東省沂水縣在2013年坡耕地治理中，借鑒河道護岸的石籠網(wǎng)技術(shù)，對坡耕地田坎修筑方式進行了新的嘗試。

1 項目區(qū)概況

山東省沂水縣坡耕地治理項目峙山項目區(qū)涉及院東頭鎮(zhèn)、許家湖鎮(zhèn)兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共6個行政村。多年平均降水量765.1 mm，汛期(6—9月)降水集中，占全年總降水量的75%左右。土地總面積1 575 hm2，其中：<5°土地面積為422.42 hm2，占26.82%；5°～15°土地面積為975.08 hm2，占61.91 %；15°～25°土地面積為115.13 hm2，占7.31%；25°以上土地面積為62.37 hm2，占3.96%。耕地1 151.12 hm2，占土地總面積的73.1%，人均耕地0.14 hm2。該區(qū)坡耕地面積612.17 hm2，占總耕地面積的53.18%，人均耕地少，土壤瘠薄，土地生產(chǎn)力低。項目區(qū)地面坡度不大，但坡長較長，水土流失面積1 008 hm2，占項目區(qū)總面積的64%，平均土壤侵蝕模數(shù)3 200 t/(km2·a)。

項目區(qū)內(nèi)多直徑5～30 cm不規(guī)則塊狀礫石，周圍無石料來源，土壤以火成巖母質(zhì)的棕壤土為主，土壤顆粒大，質(zhì)地粗，黏粒含量低。

2 工程設(shè)計及施工組織

防御暴雨標準按10年一遇3～6 h最大暴雨標準進行設(shè)計。石籠網(wǎng)梯田與石坎梯田利用材料不同，但作用與受力一致，故采用斷面一致，田坎斷面形式見圖1。坎外坡坡度α=79°，內(nèi)側(cè)接近垂直，頂寬d=0.3 m，坎頂高出田面0.2 m。

2.1 梯田斷面設(shè)計

田面外高內(nèi)低，內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝，梯田斷面設(shè)計結(jié)合土層厚度，修平后內(nèi)側(cè)活土層厚度大于0.3 m，田面寬度與田坎高度計算公式為

B=2(T-h)cotθ

H=B/(cotθ-cotα)

式中：H為田坎高度，m；B為田面寬度，m；θ為地面坡度，(°) ；α為田坎坡度，(°)；T為原坡地土層厚度，m；h為修平后挖方處后緣保留的土層厚度，m。

圖1 石籠網(wǎng)梯田斷面

2.2 田坎基礎(chǔ)處理

為保持田坎穩(wěn)定，對田坎進行基礎(chǔ)處理，開挖基槽，基槽深度h0=0.2 m，基槽寬度為田坎底寬。各參數(shù)計算方法為

S0=(d+Hcotα)h0

V0=S0L

L=10 000/B

式中：S0為基槽斷面面積，m2；d為田坎頂寬，m；H為田坎高度，m；B為田面寬度，m；α為田坎坡度，(°)；h0為基槽深度，m；L為每公頃田面長度，m；V0為每公頃基槽開挖體積，m3。

2.3 梯田工程量計算

從保持田坎穩(wěn)定性考慮，總的原則是田坎越高，側(cè)坡越緩，設(shè)計中確定田坎側(cè)坡時，考慮的因素還有地質(zhì)條件、土層厚度等，并扣除田坎占地。

每公頃田面平整土方開挖量(m3)：V土=1 250H

田坎斷面面積(m2)：S=(d+d+Hcotα)H/2

每公頃田坎需碎石方量(m3)：V2=SL

根據(jù)以上公式，不同自然坡度坡耕地修建石籠網(wǎng)梯田斷面尺寸及工程量見表1。

2.4 梯田施工

石籠網(wǎng)梯田施工包括定線、清基、削填田面及撿拾碎石、石籠安裝及碎石填充、坎后填膛修平田面等五道工序。

2.4.1 梯田定線

確定埂線。在規(guī)劃劃定的梯田區(qū)的坡面，在其正中(距左右兩端大致相等)從上到下劃一豎直中軸線。根據(jù)梯田斷面設(shè)計的原坡面斜寬B′(B′=H/sinθ，見圖1)，在中軸線上劃出各臺梯田的B′基點。從各臺梯田的B′基點出發(fā)，用手水準儀向左右兩端分別測定其等高點；連各等高點成線，即為各臺梯田埂線。

確定挖填分界線。當(dāng)梯田區(qū)各臺梯田規(guī)則、坡面順直、坡面變化不大時，以各臺梯田施工線的中心線為挖填分界線；當(dāng)?shù)匦螐?fù)雜時，應(yīng)進行測量，并通過土方平衡計算，確定每一臺面上的挖填分界線和不同部位的開挖深度。

表1 石籠網(wǎng)梯田斷面尺寸及工程量

2.4.2 田坎清基

以各臺梯田的施工線為中心，上下各劃出50～60cm寬作為清基線；在清基線范圍內(nèi)清除表土，留出基槽深度20cm，清除石礫等雜物，整平夯實。

2.4.3 削高填洼及撿拾碎石

主要目的是通過初步翻平獲取填充碎石。先用機械把表層土剝離堆放，根據(jù)田面寬度和培埂情況，下挖上填和上挖下填兩種方法相結(jié)合。在田坎線上下各1.5m范圍，采用下挖上填法，從田坎下方取土，填到田坎上方；其余田面采取上挖下填法，從田面中心線以上取土，填到中心線以下，這樣可提高工效。撿拾在挖填田面過程中得到的碎石并集中堆放到田坎附近，作為石籠網(wǎng)填充料。

2.4.4 安裝石籠網(wǎng)及填充碎石

間隔網(wǎng)與網(wǎng)身呈90°相交，經(jīng)綁扎形成長方形或砌體斷面網(wǎng)箱。相鄰網(wǎng)箱組的上下四角連接，相鄰網(wǎng)箱組的上下框線或折線，每間隔20cm綁扎一道；相鄰網(wǎng)箱組的網(wǎng)片結(jié)合面綁扎2處/m2；在有下層網(wǎng)箱組的情況下，綁扎上層網(wǎng)箱組間相鄰邊的底部框線時，必須將下方網(wǎng)箱組面層框線或網(wǎng)片綁扎在一起，以求連成一體；裸露部位的網(wǎng)片，應(yīng)在每次箱內(nèi)填石1/3高時設(shè)置拉筋線，呈八字形向內(nèi)拉緊固定。

網(wǎng)箱內(nèi)填充石料前，在網(wǎng)箱前后面綁扎竹竿或木棒等加固網(wǎng)箱，以保證網(wǎng)箱裸露面的平整度，待填充石料施工結(jié)束后拆除竹竿或木棒?？刂泼繉油读虾穸仍?0cm左右，一般1m高網(wǎng)箱分四層投料，同時均勻地向同層的各箱格內(nèi)投料。填充石料要大塊石頭放在下面和外面，并用小碎石填塞空隙，采取妥當(dāng)?shù)膿v實措施，確保箱體填充料的密實度，填充石料容重應(yīng)≥1.70t/m3。不要將單格網(wǎng)箱一次性投滿，且填充石料頂面宜適當(dāng)高出網(wǎng)箱上部框線。裸露的填充石料表面，人工砌壘整平，石料間應(yīng)相互搭接。

2.4.5 坎后填膛，修平田面

將填充石籠網(wǎng)剩余的礫石塊撿起，分層堆放在石籠網(wǎng)箱后，形成一個三角形斷面，對箱體起支撐作用。堆放礫石塊的順序是：從下向上先堆大塊后堆小塊，然后填土進行田面平整，將表土回覆。通過坎后填膛，要求平整后的田面30～50cm深以內(nèi)沒有礫石塊。

3 石籠網(wǎng)梯田分析

3.1 投資分析

本項目區(qū)特殊的火成巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土層薄，土壤中夾雜5～30cm大小的碎礫石較多，但無法作為石坎梯田石料。如修建石坎梯田，石料要從5km外的石灰?guī)r采石場購買。如果礫石較少，整平田面時，直接把田面翻出的碎礫石作為田面墊層，不考慮人工撿拾；如果礫石較多，田面整平時，需要把碎礫石人工揀出，并運到采石場的棄渣場，因此會增加礫石的撿拾和運輸費用。不考慮礫石的撿拾和運輸費用時，石坎梯田修筑包括整平田面、田坎壘砌、田坎水泥沙漿壓頂、橫向排水等4個部分。石籠網(wǎng)梯田是人工現(xiàn)場組裝石籠，石籠網(wǎng)孔規(guī)格6cm×8cm，將田面揀出的碎石裝入石籠網(wǎng)，田面撿拾的碎石數(shù)量能滿足田坎需要。用小粒徑礫石填膛，上面覆土。因此，石籠網(wǎng)梯田修筑投資包括田面整平、人工撿碎石、田坎壘砌、橫向排水等4個部分。鑒于石坎梯田與石籠網(wǎng)梯田斷面一致，田面整平、橫向排水投資一致，因此只比較石坎梯田田坎壘砌、壓頂投資與石籠網(wǎng)梯田田坎壘砌、人工撿碎石投資。不同坡度石坎梯田與石籠網(wǎng)梯田投入情況見表2，表中碎石運輸費用系根據(jù)有關(guān)定額計算而來，供參考。

表2 石坎、石籠網(wǎng)梯田投資分析

從表2可以看出，自然坡度7°的坡耕地修建梯田，選用石坎梯田，每公頃田坎壘砌需要7.57萬元(含購石料費用)，水泥沙漿壓頂需要0.12萬元，合計需要7.69萬元；石籠網(wǎng)梯田人工撿拾碎石需要1.79萬元，田坎壘砌需要4.52萬元，合計需要6.31萬元?？梢?，不考慮田面內(nèi)碎石清理，原地面坡度 7°時修1hm2石坎梯田比石籠網(wǎng)梯田多花1.38萬元，若把田中碎石撿出后運出場地，石坎梯田還需增加費用1.79萬元。從表中可以看出，隨著坡耕地坡度的增加，石坎梯田與石籠網(wǎng)梯田投入差異進一步擴大。 石籠網(wǎng)田坎由箱籠加上填充物構(gòu)成，填充物可以就地取材，通過廢棄物利用節(jié)省費用。箱籠對地基處理要求較其他結(jié)構(gòu)低，因而在土質(zhì)、基礎(chǔ)較差的地段，也可以大大節(jié)約地基處理費用，并且養(yǎng)護簡單，工程施工速度快，建設(shè)造價明顯低于石坎梯田。即使在石礫填充物不足的情況下，也可購買部分價格相對較低的石塊作為補充，投資仍然低于純石坎梯田。在使用周期上，特殊的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)使得石籠網(wǎng)田坎使用壽命可達50年，超過了石坎梯田的使用壽命。

3.2 生態(tài)分析

石籠網(wǎng)的網(wǎng)箱和亂石堆砌的護墊結(jié)構(gòu)具有透水性，并且對泥沙有過濾作用，水流中的泥土得以沉淀于填石石縫中，這不但有利于護墊結(jié)構(gòu)與梯田基巖的結(jié)合，而且有利于草被植物在縫隙中生長，與土坎梯田一樣，實現(xiàn)了田坎與田面土體之間的自然對流交換功能[4]，田坎頂部可以種植地邊植物，植物根系可以在碎石縫隙中延伸，增添了景觀綠化效果，實現(xiàn)了工程措施和植物措施相結(jié)合，水土保持工程和自然生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。相對于土坎梯田，農(nóng)民在耕作時無法利用田坎種植，從而有利于保持田坎的穩(wěn)定。

3.3 穩(wěn)定耐用分析

石籠網(wǎng)單根網(wǎng)絲拉斷時的應(yīng)力可達3 500～4 000kg，網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)抗壓強度達300～400t/m2，抗拉強度達到495N/m2以上，即使單根鋼絲斷裂，箱籠整體結(jié)構(gòu)也不會造成破壞，穩(wěn)定性好。在整體性上，石籠網(wǎng)抗氧化作用強，抗腐耐磨，抗老化，使用年限長。箱籠及組成箱籠的網(wǎng)片之間用同質(zhì)材料綁扎連接，整體體積可調(diào)控且穩(wěn)定性強。在柔韌性上，石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)(填滿石塊后)受壓達到極限強度時能承受相當(dāng)大的變形，在田坎地基有不均勻沉陷或墻后墊層有小的變形時，石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)能進行自身適應(yīng)性的微調(diào)，達到新的平衡，整體結(jié)構(gòu)不會遭到破壞。在透水性上，石籠網(wǎng)網(wǎng)箱內(nèi)填充物中存在空隙，梯田田面集水一旦滲入墻后墊層，則可以通過網(wǎng)箱較快地排到下一田面橫向排水溝，從而減少墻后的水壓力，有利于田坎穩(wěn)定。綜上所述，石籠網(wǎng)的整體性、柔韌性、透水性保證了田坎的穩(wěn)定。當(dāng)?shù)鼗l(fā)生變化，如發(fā)生不均勻沉降、地震等時，箱內(nèi)填充料受箱籠的約束不會跑到箱籠外，而會自行調(diào)整形成新的平衡；又因箱籠系柔性結(jié)構(gòu)，因此防護工程表面可能會發(fā)生小的變異，但不會發(fā)生裂縫、網(wǎng)箱被拉斷從而造成防護體被破壞的現(xiàn)象。

3.4 田坎占地分析

土坎梯田田坎為保持坡腳穩(wěn)定，占地較多，會導(dǎo)致坡改梯后耕地面積減少，農(nóng)戶為擴大種植面積，在田坎耕作種植農(nóng)作物，導(dǎo)致田坎逐漸攤平，回到坡耕地狀態(tài)[5]。從表3可看出，設(shè)計相同高度和田面寬度的梯田，石籠網(wǎng)梯田田坎占地要比土坎梯田田坎占地少，隨著坡面坡度增加，這種差異更加明顯。

表3 梯田田坎占地分析

4 結(jié)論及建議

石籠網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到梯田田坎建設(shè)中，工程設(shè)計與施工類同石坎梯田。石籠網(wǎng)的整體性、柔韌性、透水性等特點，有利于石籠網(wǎng)梯田田坎的穩(wěn)定。相對于石坎梯田，石籠網(wǎng)梯田能就地取材，利用田間粒徑較小的礫石作為材料，節(jié)省了投資成本；相對于土坎梯田，石籠網(wǎng)梯田穩(wěn)定性好、壽命長、田坎占地較少，同時具備土坎梯田田坎能綠化的特性。在工程建設(shè)實踐中，在礫石比較多的地方，利用石籠網(wǎng)技術(shù)修建梯田，能有效地節(jié)省投資，延長梯田壽命，減少田坎占地。

[1] 王朝軍.混凝土框格護坡坡改梯工程設(shè)計初探[J].中國水土保持，2015(10)：23-24.

[2] 陳新軍，張德國，公衍濤.蒙陰縣水土保持生態(tài)文明建設(shè)的主要做法[J].中國水土保持，2012(11)：64-66.

[3] 李曉剛，覃建華，何強，等. 深圳市大沙河上游段河岸生態(tài)治理實踐[J].中國水土保持，2015(10)：39-40.

[4] 陳新軍，田里，張望林. 基于“生態(tài)系統(tǒng)控制論”原理的小流域綜合治理對策研究[J].中國水土保持，2010(5)：58-60.

[5] 陳新軍，劉青松，王明利，等. 沂蒙山區(qū)土坎梯田田坎防護補償評價體系研究[J].中國水土保持，2013(1)：19-21.

(責(zé)任編輯 張培虎)

S157

A

1000-0941(2017)06-0009-04

陳新軍(1978—)，男，山東濟寧市人，高級工程師，碩士，從事水土保持規(guī)劃及小流域治理工作。

2016-10-10