石籠網(wǎng)技術(shù)在河道攔水壩建設(shè)中的應(yīng)用

周連兄

(北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100083)

1 石籠網(wǎng)技術(shù)簡介

石籠網(wǎng)最早起源于中國。早在2000多年前，我國勞動人民在修筑都江堰時就使用了大量竹編石籠擋水筑壩，這也是世界上已知最早的石籠網(wǎng)雛形。16世紀(jì)英國出現(xiàn)裝滿泥土的柳條筐，主要用于炮兵陣地掩體；17世紀(jì)日本首次將石籠網(wǎng)應(yīng)用于防洪除險工程；18世紀(jì)初，意大利出現(xiàn)袋狀石籠網(wǎng)，用于修補(bǔ)和加固河堤。

現(xiàn)代石籠網(wǎng)技術(shù)在國外廣泛應(yīng)用于河道護(hù)坡、橋臺修筑、土體支撐、海洋工程防護(hù)等。國內(nèi)對于石籠網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與研究目前處于初步階段，在河道治理、邊坡支護(hù)、基坑支護(hù)、山體掛網(wǎng)噴漿、道路隔離護(hù)欄、景觀綠化等領(lǐng)域均有應(yīng)用。與砌石、素混凝土等不能承擔(dān)拉應(yīng)力的圬工工程比較，柔性的石籠結(jié)構(gòu)具有發(fā)生彎曲變形而不致脆性斷裂的優(yōu)點，可承受一定拉力并能防止結(jié)構(gòu)性失效失穩(wěn)，變形后結(jié)構(gòu)可自行調(diào)整平衡，避免出現(xiàn)裂縫[1-2]。在河道治理中采用石籠網(wǎng)護(hù)岸，不但能滿足常水位基礎(chǔ)防沖和設(shè)計洪水不越堤的要求，提高堤壩穩(wěn)定性，而且可以保留河道水體和周邊環(huán)境的物質(zhì)交換，為動植物提供生存空間，凈化水質(zhì)、防止水土流失，保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境[3-4]，具有良好的生態(tài)性。此外，石籠網(wǎng)還具有施工簡易、運(yùn)費(fèi)少、對周圍環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點[5]。

現(xiàn)代石籠網(wǎng)一般為熱鍍鋅低碳鋼絲、鋅鋁合金鍍層低碳鋼絲、鋅鋁混合稀土合金鍍層低碳鋼絲，或經(jīng)高抗腐處理的以上同質(zhì)鋼絲等，使用機(jī)械編織而成，鋼絲表面可采用PVC覆塑層進(jìn)行保護(hù)[6]。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)和EN標(biāo)準(zhǔn)，使用的低碳鋼絲直徑根據(jù)工程設(shè)計要求而不同，一般介于2.0～4.0 mm之間，抗拉強(qiáng)度不少于38 kg/m2，金屬鍍層質(zhì)量一般高于245 g/m2。石籠網(wǎng)片的邊緣線直徑一般要大于網(wǎng)線直徑，其雙線絞合部分的長度不得小于50 mm，以保證絞合部分鋼絲的金屬鍍層和PVC鍍層不受破壞。

2 石籠網(wǎng)技術(shù)優(yōu)點分析

2.1 石籠網(wǎng)優(yōu)點

石籠網(wǎng)具有諸多優(yōu)點：一是具有良好的透水性，對地下水及地表水具有過濾作用，可截留土壤等沉積物，為植物生長提供良好生態(tài)環(huán)境。二是高耐腐蝕性和耐久性，熱鍍鋁鋅工藝使鋼絲表面鍍層更加穩(wěn)定，減少了網(wǎng)絲氧化作用；石籠網(wǎng)絲涂樹脂或包塑后具有防腐耐蝕、抗氧化、抗老化的作用，進(jìn)一步延長了石籠網(wǎng)使用壽命。三是柔韌性好，對地基承載力要求低，可抵抗地基不均勻沉降，避免硬質(zhì)材料冬季凍脹問題等。四是擁有極佳的整體性和穩(wěn)定性。石籠網(wǎng)材可以形成一個整體，適度變形和局部損壞不會破壞石籠網(wǎng)工程的整體結(jié)構(gòu)，也不會因地基不均勻沉降產(chǎn)生裂縫或其他嚴(yán)重問題。五是具有較好的景觀效果。石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)易組合且顏色多樣，可提供不同結(jié)構(gòu)造型，滿足不同區(qū)域景觀需求，景觀見效快，效果自然、豐富。六是施工方法簡單，只需將規(guī)定尺寸的石塊裝入籠內(nèi)封口即可，不需特殊技術(shù)，對填充石材要求不高，可就地取材，且受氣候、溫度等自然因素影響較小，適宜機(jī)械化操作，既能保證施工質(zhì)量，又可加快工程進(jìn)度。七是費(fèi)用低廉。八是使用壽命長。由于耐腐蝕、抗氧化、抗老化的特點，石籠網(wǎng)使用壽命可達(dá)幾十年，且基本不用維修。

2.2 石籠網(wǎng)攔水壩與其他常見結(jié)構(gòu)形式壩體對比分析

與漿砌石壩、橡膠壩相比，石籠網(wǎng)攔水壩具有施工簡單、耐腐蝕、對地基承載力要求低、使用壽命長、維護(hù)簡單及對河道生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)點(具體見表1)。

表1 石籠網(wǎng)攔水壩與其他常見結(jié)構(gòu)形式壩體對比分析

漿砌石攔水壩是采用漿砌石修筑的擋水建筑物，小型漿砌石攔水壩一般為重力式擋水壩，依靠壩體自重產(chǎn)生抗滑力來滿足穩(wěn)定性要求，同時依靠自身產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由水壓力所引起的拉應(yīng)力。漿砌石攔水壩攔水效果好、施工簡單、便于機(jī)械化施工、對不同的地形地質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)，但其為不透水結(jié)構(gòu)，會破壞河水的自然流態(tài)，切斷河道上下游生態(tài)系統(tǒng)的連通性，不利于河道生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，同時漿砌石材料與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)，影響景觀的整體性。

橡膠壩又稱橡膠水閘，是用高強(qiáng)度合成纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷橡膠作為保護(hù)層，加工成膠布，再將其錨固于底板上，成為封閉的壩袋，通過充排管路用水(氣)將其充脹形成的袋式攔水壩。橡膠壩具有施工速度快、抗震能力強(qiáng)、汛期不阻水且維修方便、使用壽命長等優(yōu)點。但橡膠壩采用高強(qiáng)度合成纖維織物及橡膠作為材料，材料本身不具有生態(tài)性，與周邊生態(tài)環(huán)境不協(xié)調(diào)；運(yùn)營管理難度較大，壩袋充脹和排放不宜過于頻繁，不宜建設(shè)在水位變化頻繁的河道上；河道漂浮物不宜過多，山區(qū)大的推移質(zhì)可能會損壞壩袋。

3 石籠網(wǎng)攔水壩施工方法

3.1 施工導(dǎo)流

作為河道橫向攔水建筑物，為保障作業(yè)安全，石籠網(wǎng)攔水壩建設(shè)應(yīng)避開汛期，選擇一年中徑流相對較小的時段進(jìn)行施工。根據(jù)河道水文資料推算施工期洪峰流量，施工時對作業(yè)區(qū)域按照設(shè)計流量進(jìn)行施工導(dǎo)流，確保干場作業(yè)。

3.2 放線清基

石籠網(wǎng)攔水壩施工前，應(yīng)先按照設(shè)計圖紙現(xiàn)場測量確定壩址，再按照設(shè)計壩軸線、外邊線放線，然后根據(jù)設(shè)計開挖線開挖基礎(chǔ)，并對基礎(chǔ)底部進(jìn)行適當(dāng)清理和平整。對河底淤泥較多、地基軟的河段，還應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)換填。

3.3 基礎(chǔ)施工

根據(jù)設(shè)計尺寸，在開挖基槽內(nèi)鋪設(shè)相應(yīng)規(guī)格的石籠網(wǎng)片，然后裝填規(guī)定尺寸石材。石塊裝填過程中要求大面朝下，保證其穩(wěn)定，石料間搭接緊密，頂面填充石料高出2～3 mm。石料裝填完畢后，用網(wǎng)片蓋上頂部并用綁線將頂部和側(cè)面網(wǎng)片綁緊，綁扎時綁線需圍繞兩條重合的框線(縫合邊棱時)或框線與網(wǎng)籠的雙扭結(jié)邊綁緊，并避免鍍鋅層損傷，螺距不大于500 mm。

3.4 護(hù)坦和齒墻施工

上游護(hù)坦長度不小于3 m，下游護(hù)坦長度不小于4 m，厚度均為0.5 m；齒墻頂寬1 m，埋深1.5 m。護(hù)坦、齒墻石籠施工方法同壩體基礎(chǔ)。最后將護(hù)坦與基礎(chǔ)、齒墻相鄰部分采用綁線進(jìn)行連接和固定。

3.5 壩體施工

壩體迎水面為直墻，背水面坡比1∶6，高度根據(jù)河流水文數(shù)據(jù)計算結(jié)果調(diào)整。壩體施工時首先鋪設(shè)底層網(wǎng)片，并用綁線將其與基礎(chǔ)、護(hù)坦進(jìn)行連接，隨后按設(shè)計尺寸要求折成所需形狀，折疊時需將石籠網(wǎng)面板及隔板豎起，預(yù)留出足夠尺寸的網(wǎng)片以便最終封蓋。石籠網(wǎng)折疊完成后依次分批向石籠網(wǎng)箱內(nèi)裝填石料，石料裝填完畢后應(yīng)保證高出箱體約25 mm。裝滿后將網(wǎng)蓋向下折，并用綁線和螺旋固定絲將其與石籠網(wǎng)側(cè)面、隔板連接絞合在一起，一般25～30 cm使用一根綁線，綁線時應(yīng)避免鍍鋅層損傷，綁扎完畢后使用螺旋固定絲收緊。

壩體石籠施工結(jié)束后，在壩前按設(shè)計要求填充砂礫石等材料，坡比為1∶3。

4 應(yīng)用示例

4.1 灤平縣伊遜河河道生態(tài)治理工程概況

灤平縣伊遜河河道生態(tài)治理工程位于河北省灤平縣東北部，治理長度31 km，治理內(nèi)容包括河道清淤、堤岸修復(fù)、生態(tài)護(hù)岸、石籠網(wǎng)攔水壩建設(shè)、景觀綠化和濕地恢復(fù)等。治理前河道水質(zhì)差、泥沙含量高，整體景觀較差。為達(dá)到生態(tài)治理效果，滿足景觀需求，攔水壩采用具有良好生態(tài)性的石籠網(wǎng)攔水壩形式，在對河道進(jìn)行清淤之后，建設(shè)石籠網(wǎng)攔水壩44座，壩體采用石籠網(wǎng)和石塊作為材料，間距150～250 m不等，每3～4座為一組，形成多級壩系。

4.2 石籠網(wǎng)技術(shù)參數(shù)與要求

石籠網(wǎng)攔水壩采用鉛絲石籠和自然石塊修筑。鉛絲石籠網(wǎng)目160 mm×160 mm，網(wǎng)面絲徑φ2.7 mm，邊絲φ3.2 mm，鍍鋅層≥260 g/m2；鉛絲石籠內(nèi)裝填當(dāng)?shù)厥?，石材直?5～30 cm，石材應(yīng)無風(fēng)化脫落層或裂紋，表面無污垢、水銹等雜質(zhì)，嚴(yán)禁使用風(fēng)化石、垃圾石。壩面自然石直徑20～30 cm不等，石材選擇應(yīng)富有美感，自然石擺放也應(yīng)富有變化，盡量接近自然形態(tài)。

4.3 石籠網(wǎng)攔水壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

透水壩長度65～182 m不等，基礎(chǔ)寬1.5 m，埋深1.5 m，基礎(chǔ)以上高0.5～1.0 m，頂寬1.5 m，基礎(chǔ)和基礎(chǔ)以上主壩體包成一體。齒墻單獨包成一個整體，頂寬1.0 m，埋深1.5 m，背水坡坡比1∶6，迎水坡為直墻，回填砂礫石料坡比為1∶3。壩體、坡面和齒墻均在橫向上每隔4 m單獨包一個鉛絲石籠。石籠網(wǎng)攔水壩典型斷面見圖1。

圖1 石籠網(wǎng)攔水壩典型斷面(單位：mm)

5 石籠網(wǎng)攔水壩對河道生態(tài)的影響分析

5.1 攔截上游泥沙

石籠網(wǎng)攔水壩內(nèi)部填充石塊，孔隙較多，本身具有透水性，每道壩都是一個過濾器，在允許水流穿過的同時，不同粒徑的石塊對上游泥沙起到過濾作用。在河水泥沙含量較高的河道中建設(shè)多座石籠網(wǎng)攔水壩，形成多級壩系組成的過濾系統(tǒng)，可以層層過濾上游泥沙，同時石籠網(wǎng)攔水壩具有一定的阻水作用，可以減緩水流速度，為河水泥沙沉淀提供先決條件。

5.2 增加生物多樣性

石籠網(wǎng)攔水壩采用鉛絲石籠和自然石塊作為建筑材料，由于石塊與石塊之間存在孔隙，每塊石塊的表面都有機(jī)會接觸水流及微生物等，因此整個壩體石塊的表面積很大并且得以充分利用，微生物、浮游生物等可附著于石塊表面，石塊之間的孔隙也可為水生動植物提供庇護(hù)所和生存空間。另一方面，石籠網(wǎng)攔水壩可以減緩上游水流流速，為水生動植物生長提供相對平緩的水面。相比于硬質(zhì)的漿砌石攔水壩和傳統(tǒng)的橡膠壩，石籠網(wǎng)攔水壩依靠其透水、石塊表面積大、存在孔隙、減緩流速等特性，可以很好地增加生物多樣性，使河道生態(tài)系統(tǒng)更加完善。

5.3 改善河流水質(zhì)

多級石籠網(wǎng)攔水壩一方面可攔截泥沙，減少河水泥沙含量，另一方面可調(diào)節(jié)水流速度，形成水流落差，使壩前水流速度減緩，而經(jīng)過壩體時水流速度急劇增加，河水與空氣充分接觸，獲得充分的溶解氧，促進(jìn)水中微生物對有機(jī)物的分解。水流經(jīng)過多級壩系產(chǎn)生多級曝氣，逐步凈化河道水質(zhì)。

5.4 提升河道沿線景觀

景觀環(huán)境的提升也是河道生態(tài)系統(tǒng)改善的一方面。石籠網(wǎng)攔水壩能在一定程度上壅高水面，減緩水流速度，在壩與壩之間形成景觀水面，進(jìn)而在多級壩系之間形成多級連續(xù)水面，提高河道的觀賞性；同時水流速度降低，為水生動植物生長提供了條件，增加了生物多樣性，使河道景觀進(jìn)一步提升；河道水面的增加也改善了周邊小氣候，對于河道生態(tài)環(huán)境的改善和景觀環(huán)境的提升具有極大的促進(jìn)作用。

6 結(jié) 論

石籠網(wǎng)技術(shù)在攔水壩建設(shè)中應(yīng)用具有透水性好、柔韌性好、耐腐蝕、整體性好、景觀效果好、施工簡單等優(yōu)點，通過石籠網(wǎng)攔水壩的建設(shè)可以有效攔截河流泥沙，改善河道水質(zhì)，增加生物多樣性，改善河道生態(tài)環(huán)境，同時提升河道景觀格局，適合在河道生態(tài)治理中廣泛應(yīng)用。