付少波,王云森,劉 森

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635;3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000)

1 概述

石籠在水利工程中的應(yīng)用最早可追溯到秦昭王末年，蜀郡太守李冰父子興建的都江堰工程。最初是用竹篾編制成籠，內(nèi)部填滿(mǎn)卵石并密封而成。因其堅(jiān)固耐沖，造價(jià)低廉，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中得到廣泛的應(yīng)用。

實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展中，針對(duì)竹石籠編織效率低、竹篾易腐化失效等缺點(diǎn)，制籠工藝由手工編織變?yōu)闄C(jī)械編制，制籠材料由竹篾變?yōu)榈吞间摻z或浸塑鋼絲，逐步形成由鋼絲編制而成的雙絞六角形網(wǎng)箱的鉛絲石籠。

在部分山區(qū)型河流中，由于河道比降大，流速快，推移質(zhì)多，普通的鉛絲石籠時(shí)常有被沖淘，甚至被沖毀等情況，造成基礎(chǔ)淘空，堤防塌陷，對(duì)堤防造成嚴(yán)重的破壞。為進(jìn)一步提高堤防抗沖能力，保障堤防安全，在林芝市山區(qū)型河流堤防工程實(shí)際應(yīng)用中，常采用鋼筋骨架卵漂石鉛絲石籠的設(shè)計(jì)方案，取得良好的效果。

2 石籠介紹

2.1 鉛絲石籠

鉛絲石籠也叫鉛絲籠、格賓網(wǎng)，是由金屬線(xiàn)材編制而成的雙絞六角形網(wǎng)箱。一般采用直徑2～4 mm低碳鋼絲，表面采用熱鍍鋅或浸塑等防銹手段，經(jīng)機(jī)械編制成雙絞六角形網(wǎng)，經(jīng)綁扎并填筑塊石而成。網(wǎng)眼尺寸一般為有60 mm×80 mm，80 mm×100 mm，80 mm×120 mm，100 mm×120 mm，120 mm×150 mm等[1]，也可根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整定制。填充石料一般以大致方正，上下面大致平行，厚度不小于200 mm的塊石料為主，石料強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》堆石料原巖技術(shù)指標(biāo)[2]。

2.2 鋼筋骨架卵漂石鉛絲石籠

鋼筋骨架卵漂石鉛絲石籠是由鉛絲石籠在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)展而來(lái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋼筋石籠)。一般采用8～16 mm HRB335鋼筋，經(jīng)焊接而成的金屬網(wǎng)箱骨架，再用鉛絲網(wǎng)綁扎形成網(wǎng)箱，網(wǎng)箱內(nèi)填筑卵漂石而成(見(jiàn)圖1)。鋼筋間距一般要求裝填后能夠保持鋼筋石籠外形為宜，實(shí)際應(yīng)用中一般采用間距0.5 m，部分尺寸較大的石籠，則需加密或設(shè)置拉筋等方式，增加石籠強(qiáng)度。填充石料一般以粒徑在60～200 mm卵石和大于200 mm的漂石為主，石料強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》堆石料原巖技術(shù)指標(biāo)。

圖1 鋼筋石籠立視示意

3 鋼筋石籠特點(diǎn)

鋼筋石籠相對(duì)于鉛絲石籠在山區(qū)型河流堤防工程應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)為穩(wěn)定性好、抗沖性強(qiáng)、施工便捷等。采用卵漂石填充，充分利用河道內(nèi)天然石料，材料易獲取，造價(jià)低廉[3]，施工速度快。鋼筋骨架彌補(bǔ)了天然卵漂石較塊石不易堆疊成型，保持形狀的特點(diǎn)，提高了工程耐久性和抗沖能力。

3.1 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在石籠本身穩(wěn)定性與石籠間連接的穩(wěn)定性。鋼筋骨架為網(wǎng)箱提供更強(qiáng)的支撐力和網(wǎng)箱間連接力，強(qiáng)度相對(duì)較弱的低碳鋼絲網(wǎng)則主要用來(lái)保持填充石料不被沖淘。卵漂石透水性較強(qiáng)，滲透系數(shù)一般為2.5×10-1cm/s，在水位降落期，穩(wěn)定滲流期等工況下，受滲透壓力影響更小，石籠的穩(wěn)定性和整體性進(jìn)一步得到增強(qiáng)，特別適用于峰值高、歷時(shí)短、水位暴漲暴跌的山區(qū)型河流。

3.2 抗沖性

鋼筋骨架可減少石籠網(wǎng)被推移質(zhì)和水流拉扯破損的情況，而卵漂石相對(duì)塊石外形圓潤(rùn)，水流阻力較小，更不易被沖淘破壞。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，天然卵礫石不沖流速經(jīng)驗(yàn)值V允=0.75～1.2 m/s，鉛絲石籠V允=2.1～2.8 m/s[4]，根據(jù)《林芝市波密縣古鄉(xiāng)松繞村水毀修復(fù)工程報(bào)告》，鋼筋石籠堤防抗沖行近流速可達(dá)5 m/s，特別適用于河道比降大、流速快的山區(qū)型河流。

3.3 施工性

在施工現(xiàn)場(chǎng)鋼筋制安區(qū)將鋼筋骨架焊接成型，并用鉛絲網(wǎng)統(tǒng)一綁扎至所需尺寸網(wǎng)箱，轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝至施工面，網(wǎng)箱之間用連接鋼筋焊接形成整體，并用機(jī)械填充、整理、封口即可。施工速度快，受氣候干擾小，對(duì)施工條件要求低，施工人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可完成，可以通過(guò)以工代賑，促進(jìn)當(dāng)?shù)夭貐^(qū)人員收入水平。特別適用于交通不便，材料運(yùn)輸困難的山區(qū)型河流。

3.4 缺點(diǎn)和不足

和傳統(tǒng)擋墻相比抗?jié)B能力較差，河道水位高時(shí)容易出現(xiàn)堤身滲水等情況。堤身背水側(cè)常常設(shè)置土工布等反濾層，以減少堤身背水側(cè)滲透破壞。因此不適用于城區(qū)段等對(duì)堤防滲透要求高的河段。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

鋼筋石籠在林芝市山區(qū)型河流堤防工程中應(yīng)用較為廣泛，主要用于墻式護(hù)岸、壩式護(hù)岸、護(hù)腳和堤防搶險(xiǎn)中，以重力式鋼筋石籠擋墻為主，兼以護(hù)腳、丁壩和堤防搶險(xiǎn)等方面應(yīng)用，均取得了良好的效果。

4.1 重力式堤防應(yīng)用實(shí)例

重力式鋼筋石籠擋墻堤防多用在天然河床較寬、河槽高差較小、河床比降大、近岸流速較大的河流當(dāng)中[5]。在林芝市實(shí)際應(yīng)用中鋼筋石籠單層網(wǎng)箱高度一般小于2 m，堆疊高度一般小于6 m，基礎(chǔ)埋深根據(jù)沖刷深度計(jì)算結(jié)果選取，埋深多為1～2 m。

4.1.1工程背景

本次以波密縣某防洪工程為例：項(xiàng)目區(qū)域所在河流為易貢藏布，是雅魯藏布江的二級(jí)支流，帕隆藏布的最大支流，全長(zhǎng)為295 km。堤防工程位于中高山河谷地貌，地形起伏較大，地勢(shì)由北西向南東傾斜，平均海拔為3 200 m左右。河谷呈“U”字型，河床寬平，兩岸階地發(fā)育，植被較發(fā)育，兩岸斜坡自然坡度為15°～50°，項(xiàng)目區(qū)段河道平均比降為18.5‰，屬于典型的山區(qū)型河流。

4.1.2結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算論證及綜合比選，最終采用重力式鋼筋石籠堤防結(jié)構(gòu)形式[6](見(jiàn)圖2)，石籠結(jié)構(gòu)尺寸從下到上分別為3.0 m×1.5 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)、3.0 m×1.0 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬×高)、3.0 m×0.6 m×0.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。石籠內(nèi)填充卵漂石，鋼筋石籠錯(cuò)縫堆放，背水側(cè)設(shè)置無(wú)紡布反濾層[7-8]。

圖2 重力式堤防橫斷面示意

4.2 鋼筋石籠護(hù)腳應(yīng)用實(shí)例

鋼筋石籠護(hù)腳多用在岸邊抗沖能力較弱、河床堆積層厚、河床比降大、流速較快的河流當(dāng)中。在林芝市實(shí)際應(yīng)用中鋼筋石籠單層網(wǎng)箱高度一般為0.5～1 m，堆疊高度一般小于3 m，水流頂沖段網(wǎng)箱鋼筋加密處理。

4.2.1工程背景

本次以林芝市八一鎮(zhèn)某堤防除險(xiǎn)加固工程為例：項(xiàng)目區(qū)域所在河流為尼洋河，位于雅魯藏布江中下游左岸，是雅魯藏布江流域的五大支流之一。尼洋河流域面積為1.78萬(wàn)km2，干流全長(zhǎng)為286 km，總落差為2 080 m，平均坡降為7‰。多年平均水資源量為174億m3，河口多年平均流量為550 m3/s，水量居雅魯藏布江流域五大支流第2位。

自2004年以來(lái)，已建成的堤防位于頂沖河段的護(hù)腳鉛絲籠裝塊石被沖毀，混凝土腳槽不斷受洪水淘刷，堤腳最大淘刷深度達(dá)3 m以上，位于頂沖河段堤腳受淘刷后發(fā)生明顯的斷裂和損毀，堤身漿砌石護(hù)坡垮塌，堤防破壞[9]。

4.2.2結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算論證和綜合比選，最終采用樁連梁鋼筋石籠護(hù)腳加固方案[10]，即保留原混凝土護(hù)腳，清理被沖毀的鉛絲石籠，在距原堤腳約3.5 m處設(shè)置1 m×2.5 m(寬×高)防沖梁。在防沖梁和原堤腳之間設(shè)置兩層0.6 m厚鋼筋石籠，并在防沖梁臨河側(cè)設(shè)置5 m長(zhǎng)鋼筋石籠，鋼筋石籠層與原護(hù)腳頂高程相同。防沖梁每間隔6 m設(shè)置混凝土方樁進(jìn)行固定，在迎水易沖段加密至3 m。方樁采用0.5 m×0.5 m規(guī)格，深度采用7 m，具體布置形式見(jiàn)圖3。

圖3 樁連梁鋼筋石籠護(hù)腳橫斷面示意

4.3 鋼筋石籠丁壩應(yīng)用實(shí)例

鋼筋石籠丁壩多用于主流擺動(dòng)較大、天然河床寬、河槽高差較大、河床比降大、岸邊抗沖能力弱的河流當(dāng)中。在林芝市實(shí)際應(yīng)用中鋼筋石籠丁壩單層網(wǎng)箱高度一般為0.5～1 m，堆疊高度一般小于4 m[11]，基礎(chǔ)埋深根據(jù)沖刷深度計(jì)算結(jié)果選取。

4.3.1工程背景

本次以林芝市朗縣拉多鄉(xiāng)某堤防工程為例：工程治理河段為雅魯藏布江右岸支流譜曲河，工程河段末端控制集雨面積為498.6 km2，河道長(zhǎng)度為30.0 km，河道平均比降為33.0‰，該段河床組成為卵石、漂石及少量粗砂，河道寬淺散亂，心灘發(fā)育，河道主流頻繁擺動(dòng)，沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定的主河槽。穩(wěn)定河勢(shì)，使主流歸槽迫在眉睫。

4.3.2結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)相關(guān)計(jì)算論證及同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)，最終采用淹沒(méi)式丁壩的設(shè)計(jì)方案，即在堤防迎沖段，設(shè)置丁壩，壩體采用鋼筋石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)，壩軸線(xiàn)于水流方向夾角采用60°，壩長(zhǎng)為25 m，壩底寬為5 m，壩頂寬為3 m，層高為0.6 m，同段相鄰丁壩間距100 m[12]。丁壩斷面形式見(jiàn)圖4。

圖4 鋼筋石籠丁壩橫斷面示意

5 鋼筋石籠應(yīng)用注意事項(xiàng)

5.1 水質(zhì)類(lèi)型

設(shè)計(jì)時(shí)需要注意對(duì)工程區(qū)環(huán)境水質(zhì)類(lèi)型化驗(yàn)分析。鋼筋石籠作用場(chǎng)地毗鄰河岸，有干濕交替作用的濕潤(rùn)地區(qū)，多屬于三類(lèi)環(huán)境條件，應(yīng)根據(jù)環(huán)境水腐蝕程度，按照需求采取表面涂層、浸塑、陰極保護(hù)等措施。根據(jù)林芝市山區(qū)型河流工程施工經(jīng)驗(yàn)，河流水質(zhì)類(lèi)型主要為HCO3--Ca2+型，屬溶出型無(wú)腐蝕或弱腐蝕淡水，加之高海拔含氧量較沿海地區(qū)低7%左右，鋼筋石籠銹蝕速度一般較慢，部分地區(qū)鋼筋石籠工程運(yùn)用10 a以上，未有明顯銹蝕失效現(xiàn)象。

5.2 焊接方式

鋼筋骨架焊接時(shí)要注意焊接方式和搭接長(zhǎng)度滿(mǎn)足相關(guān)要求。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，鋼筋骨架焊接方式多采用搭接焊雙面焊接或者單面焊接，但是搭接長(zhǎng)度應(yīng)注意區(qū)別。雙面焊接搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于5d，單面焊接搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于10d，在實(shí)際應(yīng)用施工中，常常忽略搭接長(zhǎng)度要求，而造成鋼筋骨架焊接強(qiáng)度不足，應(yīng)引起注意。

5.3 施工次序

鋼筋石籠要注意沉放次序和錯(cuò)縫擺放。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，多采用起吊設(shè)備沉放石籠，使用輔助吊具(吊運(yùn)鋼筋及吊環(huán))將扎好的石籠吊裝安置。石籠以伸縮縫間距為單元由上游側(cè)向下游側(cè)逐個(gè)靠接，垂直水流方向由江中向岸邊逐個(gè)貼靠。局部腳槽底在枯水期水面下，可安排在最枯水的期間吊運(yùn)石籠，施工時(shí)地面水深不超過(guò)0.5 m,槽底水深不超過(guò)1 m，起吊設(shè)備可布置在岸坡。土工布位于開(kāi)挖溝槽低于枯水期水位的部位，鋪設(shè)時(shí)可結(jié)合鋼筋石籠沉放進(jìn)行，利用鋼筋石籠壓入水底。局部水深較深的部位采用浮船結(jié)合鋼樁在水中定位土工布的一端，然后向岸坡鋪設(shè)。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼筋骨架卵漂石鉛絲石籠由于其諸多優(yōu)良特性在林芝市山區(qū)型河流堤防工程中應(yīng)用廣泛并取得良好的效果。在高海拔地區(qū)堤防工程設(shè)計(jì)方案中宜綜合考慮，充分發(fā)揮材料的優(yōu)點(diǎn)，避開(kāi)缺點(diǎn)，優(yōu)先使用或結(jié)合其他工程措施綜合使用。本文主要從鋼筋石籠的發(fā)展過(guò)程、特點(diǎn)分析、典型實(shí)例和注意事項(xiàng)四個(gè)層次進(jìn)行探討，為高海拔地區(qū)山區(qū)型河流堤防工程設(shè)計(jì)思路提供參考，為高原地區(qū)鄉(xiāng)村振興發(fā)揮積極作用。