石籠結(jié)構(gòu)在整治建筑物防冰上的應(yīng)用

管效仲

(黑龍江省航道事務(wù)中心，哈爾濱 150001)

0 前 言

松花江為季節(jié)性封凍河流，一般11月上旬封凍，翌年4月中旬開江，封凍天數(shù)140d左右，一般冰厚1.1m，最大可達(dá)1.6m。每年有春秋兩次流冰，秋季流冰時間較長、冰塊較薄，一般為0.2-0.3m，對整治建筑物破壞小，春季流冰時間短、冰塊較厚，一般為0.5-0.8m，且冰流量較大，對整治建筑物破壞較大，個別河段受特定的自然條件的影響，易形成冰塞、冰壩，可對整治建筑物造成更嚴(yán)重破壞。因此，對于松花江或其他寒區(qū)河流的整治工程建設(shè)，采取有效的防冰措施是必要的，選擇哪種防冰措施也至關(guān)重要。多年的工程實(shí)踐表明，整治工程的成敗很大程度上取決于防冰措施的成敗。文章借鑒了以往工程的防冰經(jīng)驗(yàn)和研究成果，針對航道整治工程中散拋石壩體結(jié)構(gòu)提出切實(shí)有效的防冰方案，以供相關(guān)工程參考和借鑒。

1 既有工程防冰措施分析

從20世紀(jì)80年代開始，相繼對松花江各河段進(jìn)行航道整治，經(jīng)多年工程實(shí)踐和研究，在工程防冰上取得了較豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果，其中既有整治建筑物總體布置方面的經(jīng)驗(yàn)，也有壩體結(jié)構(gòu)方面的具體措施。

在總體布置方面的經(jīng)驗(yàn)主要包括：①丁壩間采用合理的間距；②丁壩群中上游第一條丁壩布置成下挑丁壩；③丁壩設(shè)置的勾頭可起到導(dǎo)冰作用；④為減少鎖壩所在河汊冰塞現(xiàn)象的發(fā)生，可在其上游適當(dāng)位置設(shè)導(dǎo)流建筑物；⑤在滿足分流比的前提下，降低壩體高程，變一般鎖壩為潛壩也是一種防冰方式；⑥在島頭或洲灘前設(shè)分流壩、分流墩或分流棱體等結(jié)構(gòu)，部分或局部代替護(hù)岸[1]。

在壩體結(jié)構(gòu)方面采取的防冰措施主要包括：加大壩體斷面、鐵絲網(wǎng)罩面、鐵絲方石籠方案、鐵絲圓石籠方案、壩前堆積煤干石方案、水下不分散混凝土灌漿方案等[1]。

對于壩體結(jié)構(gòu)方面采取的防冰措施，加大壩體斷面方案無疑有利于壩體防冰，但工程造價也增加明顯，顯然不是較優(yōu)方案；鐵絲網(wǎng)罩面方案曾在佳同線航道整治工程中進(jìn)行了試驗(yàn)，防冰效果不理想；壩前堆積煤矸石方案在三姓淺灘航道整治工程曾得到應(yīng)用，效果較好，但其受材料制約明顯，無推廣價值。

對于鐵絲石籠方案，曾在三姓淺灘(一期)航道整治工程和佳同線航道整治工程中應(yīng)用，防冰效果較好，但因其所用鐵絲易受腐蝕，耐久性差，未推廣應(yīng)用。

水下不分散混凝土灌漿方案，自1997年起，連續(xù)3a在三姓淺灘(二期)航道整治工程中實(shí)施，之后又在依佳線航道整治工程、大頂子山導(dǎo)流墩工程等項(xiàng)目中應(yīng)用[2]。至此，水下不分散混凝土灌漿方案已經(jīng)過較多工程的驗(yàn)證，技術(shù)較成熟，防冰效果優(yōu)于其他防冰措施。但該方案涉及混凝土攪拌、泵送和灌注等工藝，施工程序較復(fù)雜，對施工質(zhì)量要求較高，需要配備專業(yè)的施工設(shè)備和專業(yè)的施工隊伍，而且只能在夏航期枯水時段進(jìn)行施工，這些因素制約了該方案的廣泛應(yīng)用。另外，對松花江上整治建筑物的調(diào)查表明，應(yīng)用水下不分散混凝土灌漿方案的壩體在短期內(nèi)損壞較少，但經(jīng)多個水文年后亦有較大損毀，且不易維修，也暴露了該方案在耐久性上的弱點(diǎn)。

由此可見，對于寒區(qū)河流的整治建筑物，其防冰方案的選擇，還有待進(jìn)一步探討，需要更多工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

2 鋼絲石籠防冰方案

2.1 防冰方案的提出和優(yōu)化

整治建筑物選擇哪種防冰方案，技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上可行、耐久性滿足要求、適合當(dāng)?shù)厥┕l件等，這些都是需要考慮的重要因素。文章在調(diào)查分析以往工程防冰效果的基礎(chǔ)上，提出了滿足上述要求的整治建筑物的新型防冰方案即鋼絲石籠防冰方案。

近年來，由低碳鋼絲加工而成的雷諾護(hù)墊已廣泛應(yīng)用于水利岸(堤)坡防護(hù)工程和航道整治工程的護(hù)岸工程中，取得了較好的效果。新材料的應(yīng)用為以往所采用的鐵絲石籠防冰方案帶來了新的契機(jī)，所述鋼絲石籠防冰方案，即是在原鐵絲石籠方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化而成。

所用石籠網(wǎng)為低碳鋼絲經(jīng)機(jī)器編制而成的雙絞合六邊形金屬網(wǎng)，所用鋼絲采用鍍高爾凡(5%鋁-鋅合金+稀土元素)防蝕處理，將鋼絲網(wǎng)按設(shè)計形狀組合成所需工程構(gòu)件，在構(gòu)件內(nèi)填充石料形成鋼絲石籠單元。

所用石料要求：① 填充物采用卵石、片石或塊石，石料粒徑D100-250mm為宜，空隙率不超過30%，要求石料質(zhì)地堅硬，強(qiáng)度等級≥MU30，材料重度≥2.5t/m3，遇水不易崩解和水解，抗風(fēng)化。② 薄片、條狀等形狀的石料不宜采用，風(fēng)化巖石、泥巖等亦不得用作充填石料。

所述鋼絲石籠防冰方案具體優(yōu)化為以下4種結(jié)構(gòu)型式：鋼絲石籠壓頂、鋼絲石籠(坡肩)壓頂、鋼絲石籠蓋面、鋼絲石籠蓋面(加棱體)。

為便于方案敘述和對比，各方案的壩體高度均設(shè)為3.5m，防護(hù)高度設(shè)為1.0m，防護(hù)體由上下兩層0.5m厚的鋼絲石籠構(gòu)成。為了減小流冰爬坡過壩的阻力，將坡肩折點(diǎn)處做成圓角，各方案可做同樣處理，詳見各方案的壩體結(jié)構(gòu)示意圖(圖1-圖4)。以下對各方案分別進(jìn)行闡述。

圖1 鋼絲石籠壓頂壩體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鋼絲石籠(坡肩)壓頂壩體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 鋼絲石籠蓋面壩體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 鋼絲石籠蓋面(加棱體)壩體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鋼絲石籠壓頂方案

2.2.1 方案簡介

該方案是在散拋石壩體上部安放梯形石籠，用鋼絲將相鄰石籠聯(lián)結(jié)在一起，將壩體上部的拋石散體變成部分整體。

2.2.2 方案實(shí)施方式

夏航期低水期施工方案：壩面機(jī)械整平后，采取分層階梯式安裝。施工船舶，包括機(jī)船和作業(yè)駁船靠泊于擬施工壩段壩體側(cè)面，吊裝設(shè)備可根據(jù)水位情況選擇駐位在壩面上或駁船上，鋼絲石籠在駁船上人工組裝，為便于吊裝作業(yè)，可將長石籠分段處理。石籠安裝就位后用鋼絲將上下、左右相鄰石籠聯(lián)結(jié)成整體。

冬季施工方案：夏航期先將填充石籠用料拋(備)于壩體上，待冰面凍結(jié)其承載能力可滿足小型運(yùn)輸車輛上冰作業(yè)時方可開始施工。整平壩面和石籠填料均由挖掘機(jī)完成。挖掘機(jī)平整壩面完成一段后，將石料堆放在壩體前進(jìn)方向，先在壩面上組裝下層石籠，將多個石籠聯(lián)結(jié)在一起，挖掘機(jī)填筑石料，人工進(jìn)行封蓋，之后組裝上層石籠，挖掘機(jī)繼續(xù)填筑石料，再人工封蓋，并用鋼絲將上下、左右相鄰石籠聯(lián)結(jié)成整體。同樣程序再進(jìn)行下一壩段作業(yè)，多余或缺少石料可由小型運(yùn)輸車輛在冰面上倒運(yùn)，該作業(yè)方式可在多個作業(yè)面同時進(jìn)行。

2.3 鋼絲石籠(坡肩)壓頂方案

2.3.1 方案簡介

該方案是在鋼絲石籠壓頂壩體的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整而成。當(dāng)壩體較寬時，可將橫向布置于壩體的石籠斷開布置，用鋼筋或鋼絞線將上層石籠拉結(jié)在一起，中間空腔填充塊石。為便于石籠加工制作，上下層石籠單體均采用相同尺寸，采取階梯式疊放方式。

2.3.2 方案實(shí)施方式

夏航期低水期施工方案：壩面整平、石籠安裝、空腔填石按次序交替作業(yè)，兩側(cè)坡肩同步進(jìn)行。施工船舶，包括機(jī)船和作業(yè)駁船靠泊于擬施工壩段壩體側(cè)面，吊裝設(shè)備可根據(jù)水位情況選擇駐位在壩面上或駁船上，鋼絲石籠在駁船上人工組裝，底層石籠安裝就位后，將中間部位填滿塊石，再安放上層石籠，相鄰石籠用鋼絲聯(lián)結(jié)在一起，兩側(cè)石籠用鋼筋或鋼絞線拉結(jié)，之后將中間部位填滿塊石并進(jìn)行整平處理。該作業(yè)方式，吊裝設(shè)備設(shè)在駁船上時，壩面上需要設(shè)置1臺挖掘機(jī)與船上設(shè)備配合。

冬季施工方案：夏航期先將填充石籠用料拋(備)于壩體上，待冰面凍結(jié)其承載能力可滿足小型運(yùn)輸車輛上冰作業(yè)時方可開始施工。整平壩面和石籠填料均由挖掘機(jī)完成。挖掘機(jī)只需平整石籠安放部位的壩面，將石料堆放在壩體前進(jìn)方向，完成一段后，先在壩面上組裝下層石籠，并將多個石籠聯(lián)結(jié)在一起，兩側(cè)石籠同步進(jìn)行組裝，挖掘機(jī)填筑石料，人工封蓋后向中間空腔內(nèi)填石料，填石高度與底層石籠頂面相同，之后再組裝上層石籠，挖掘機(jī)繼續(xù)填筑石料，再人工封蓋，并用鋼絲將相鄰石籠聯(lián)結(jié)成整體，用鋼筋或鋼絞線按一定間隔將兩側(cè)石籠也拉結(jié)在一起，最后將中間空腔部位用石料填滿并整平。按同樣程序進(jìn)行下一壩段作業(yè)，多余或缺少石料可由小型運(yùn)輸車在冰面上倒運(yùn)，該作業(yè)方式可在多個作業(yè)面同時進(jìn)行。

2.4 鋼絲石籠蓋面方案

2.4.1 方案簡介

該方案是將壩面塊石裝入鋼絲籠，將壩面塊石聯(lián)結(jié)成整體鑲嵌覆蓋于壩體上部表面，施工后壩體上下游維持原坡度不變。

2.4.2 方案實(shí)施方式

夏航期低水期施工方案：先將填充石籠用料拋(備)于壩體上，整平壩面和石籠填料由挖掘機(jī)完成，石料倒運(yùn)由船完成。施工船舶，包括機(jī)船和作業(yè)駁船靠泊于擬施工壩段壩體側(cè)面，挖掘機(jī)平整壩面和坡面，將石料堆放在壩體前進(jìn)方向，完成一段后，在壩上組裝石籠，并將多個石籠聯(lián)結(jié)在一起，挖掘機(jī)填筑石料，人工進(jìn)行封蓋，繼續(xù)組裝下一組石籠，挖掘機(jī)繼續(xù)填筑石料，再人工封蓋，并用鋼絲將相鄰石籠聯(lián)結(jié)成整體。同樣程序再進(jìn)行下一壩段作業(yè)，多余石料可暫時存放在駁船上，再倒運(yùn)至缺料部位。

冬季施工方案：夏航期先將填充石籠用料拋(備)于壩體上，待冰面凍結(jié)其承載能力可滿足小型運(yùn)輸車輛上冰作業(yè)時方可開始施工。整平壩面、坡面和石籠填料均由挖掘機(jī)完成。挖掘機(jī)平整壩面完成一段后，將石料堆放在壩體前進(jìn)方向，在壩上組裝石籠，并將多個石籠聯(lián)結(jié)在一起，挖掘機(jī)填筑石料，人工進(jìn)行封蓋，繼續(xù)組裝下一組石籠，挖掘機(jī)繼續(xù)填筑石料，再人工封蓋，并用鋼絲將相鄰石籠聯(lián)結(jié)成整體。同樣程序再進(jìn)行下一壩段作業(yè)，多余或缺少石料可由小型運(yùn)輸車輛在冰面上倒運(yùn)，該作業(yè)方式可在多個作業(yè)面同時進(jìn)行。

2.5 鋼絲石籠蓋面(加棱體)方案

2.5.1 方案簡介

該方案是在鋼絲石籠蓋面壩體的上下游分別增設(shè)拋石棱體，覆蓋在壩體上部表面的鋼絲石籠支撐在兩側(cè)棱體上，形成防冰壩體結(jié)構(gòu)。該方案因增設(shè)棱體使得壩體底寬增加，可考慮適當(dāng)減小壩體頂寬。

2.5.2 方案實(shí)施方式

具體實(shí)施方式與鋼絲石籠蓋面方案基本相同，只是進(jìn)行壩面整平時要兼顧棱體頂面。

3 防冰方案的優(yōu)勢及優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.1 鋼絲石籠防冰方案的優(yōu)勢

以上4個防冰方案，統(tǒng)稱為鋼絲石籠防冰方案，吸收了以往工程防冰的經(jīng)驗(yàn)，解決了以往鐵絲石籠防冰方案在材料耐久性和結(jié)構(gòu)不合理等方面的欠缺，具有以下特點(diǎn)或優(yōu)勢：

1)所用鋼絲網(wǎng)為低碳鋼絲經(jīng)機(jī)器編制而成的雙絞合六邊形金屬網(wǎng)，所用鋼絲采用鍍高爾凡(5%鋁-鋅合金+稀土元素)防蝕處理，具有較強(qiáng)的耐久性能。

2)鋼絲網(wǎng)產(chǎn)品采用高伸張率的低碳鋼絲及柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計使得鋼絲石籠具有很強(qiáng)的柔韌性及變形能力，對壩體變形具有較好的適應(yīng)性。

3)鋼絲石籠結(jié)構(gòu)由多個獨(dú)立的單元構(gòu)成，同時每個相鄰單元間都由鋼絲絞合在一起，具有很好的整體性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4)對防冰結(jié)構(gòu)細(xì)部進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計，比如坡肩圓角、石籠上下層采用相同尺寸等，兼顧了各方案的防冰效果和可實(shí)施性。

5)鋼絲石籠單元可工廠化定制，質(zhì)量有保障，施工工序簡單，施工效率高。

6)鋼絲石籠防冰結(jié)構(gòu)由若干鋼絲石籠單元組合而成，局部損壞后更便于維修。

7)所述方案夏航期和冬季均可實(shí)施，可因地制宜靈活選擇，有利于工程科學(xué)決策。

8)鋼絲石籠所用材料為鋼絲和石料，和自然環(huán)境融為一體，更有利于環(huán)境保護(hù)。

3.2 各方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

以上防冰方案的壩體結(jié)構(gòu)特征和各自優(yōu)缺點(diǎn)詳見下表：

防冰方案的壩體特征及優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 防冰方案的壩體特征及優(yōu)缺點(diǎn)對比表

3.3 防冰方案及實(shí)施方式的選擇

所述鋼絲石籠防冰方案的4種新型結(jié)構(gòu)型式各具特點(diǎn)，可根據(jù)整治建筑物所處河段的水文特點(diǎn)、工程重要程度、建筑物位置、類型以及施工條件等因素因地制宜靈活選用。

其中的2個鋼絲石籠蓋面方案，均采用單層石籠結(jié)構(gòu)，平整后的壩面高程比其他方案高，在水位相同條件下，更有利于挖掘機(jī)在壩面上駐位和作業(yè)，因此夏航期施工方案與冬季方案基本相同，都以挖掘機(jī)為主要施工設(shè)備直接在壩面上組裝石籠，夏航期方案只是將船舶作為材料倒運(yùn)和供應(yīng)保障的平臺使用，這種作業(yè)方式比在船上組裝石籠再吊裝作業(yè)效率要高，質(zhì)量也更有保證。

在各方案的實(shí)施方式中，針對松花江季節(jié)性封凍河流特性，提出了夏航期低水期施工方案和冬季施工方案，兩個方案互為補(bǔ)充，冬季施工方案不受施工水位制約更便于實(shí)施。

在依佳線航道整治收尾工程中，齊家通和閻家通項(xiàng)目的鎖壩結(jié)構(gòu)設(shè)計即采用了鋼絲石籠蓋面方案，取得了較好的防冰效果。

4 結(jié) 語

文章簡要介紹了近年來松花江航道整治工程在防冰技術(shù)方面所取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，并對以往整治建筑物防冰方案進(jìn)行了分析比較，借鑒近年來相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，對以往所采取的鐵絲石籠方案進(jìn)行優(yōu)化，提出了鋼絲石籠防冰方案的4種新型結(jié)構(gòu)型式：鋼絲石籠壓頂、鋼絲石籠(坡肩)壓頂、鋼絲石籠蓋面、鋼絲石籠蓋面(加棱體)。并介紹了各方案的具體實(shí)施方式，闡述了鋼絲石籠防冰方案的優(yōu)勢。以上成果，對北方寒區(qū)河流的航道整治工程建設(shè)具有一定的參考和借鑒意義。