石籠結構在整治建筑物防冰上的應用

管效仲

(黑龍江省航道事務中心，哈爾濱 150001)

0 前 言

松花江為季節性封凍河流，一般11月上旬封凍，翌年4月中旬開江，封凍天數140d左右，一般冰厚1.1m，最大可達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重破壞。因此，對于松花江或其他寒區河流的整治工程建設，采取有效的防冰措施是必要的，選擇哪種防冰措施也至關重要。多年的工程實踐表明，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驗和研究成果，針對航道整治工程中散拋石壩體結構提出切實有效的防冰方案，以供相關工程參考和借鑒。

1 既有工程防冰措施分析

從20世紀80年代開始，相繼對松花江各河段進行航道整治，經多年工程實踐和研究，在工程防冰上取得了較豐富的經驗和成果，其中既有整治建筑物總體布置方面的經驗，也有壩體結構方面的具體措施。

在總體布置方面的經驗主要包括：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丁壩設置的勾頭可起到導冰作用；④為減少鎖壩所在河汊冰塞現象的發生，可在其上游適當位置設導流建筑物；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在島頭或洲灘前設分流壩、分流墩或分流棱體等結構，部分或局部代替護岸[1]。

在壩體結構方面采取的防冰措施主要包括：加大壩體斷面、鐵絲網罩面、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]。

對于壩體結構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，顯然不是較優方案；鐵絲網罩面方案曾在佳同線航道整治工程中進行了試驗，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，未推廣應用。

水下不分散混凝土灌漿方案，自1997年起，連續3a在三姓淺灘(二期)航道整治工程中實施，之后又在依佳線航道整治工程、大頂子山導流墩工程等項目中應用[2]。至此，水下不分散混凝土灌漿方案已經過較多工程的驗證，技術較成熟，防冰效果優于其他防冰措施。但該方案涉及混凝土攪拌、泵送和灌注等工藝，施工程序較復雜，對施工質量要求較高，需要配備專業的施工設備和專業的施工隊伍，而且只能在夏航期枯水時段進行施工，這些因素制約了該方案的廣泛應用。另外，對松花江上整治建筑物的調查表明，應用水下不分散混凝土灌漿方案的壩體在短期內損壞較少，但經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。

由此可見，對于寒區河流的整治建筑物，其防冰方案的選擇，還有待進一步探討，需要更多工程實例進行驗證。

2 鋼絲石籠防冰方案

2.1 防冰方案的提出和優化

整治建筑物選擇哪種防冰方案，技術上可行、經濟上可行、耐久性滿足要求、適合當地施工條件等，這些都是需要考慮的重要因素。文章在調查分析以往工程防冰效果的基礎上，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墊已廣泛應用于水利岸(堤)坡防護工程和航道整治工程的護岸工程中，取得了較好的效果。新材料的應用為以往所采用的鐵絲石籠防冰方案帶來了新的契機，所述鋼絲石籠防冰方案，即是在原鐵絲石籠方案的基礎上進行材料替換和結構優化而成。

所用石籠網為低碳鋼絲經機器編制而成的雙絞合六邊形金屬網，所用鋼絲采用鍍高爾凡(5%鋁-鋅合金+稀土元素)防蝕處理，將鋼絲網按設計形狀組合成所需工程構件，在構件內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%，要求石料質地堅硬，強度等級≥MU30，材料重度≥2.5t/m3，遇水不易崩解和水解，抗風化。② 薄片、條狀等形狀的石料不宜采用，風化巖石、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化為以下4種結構型式：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為3.5m，防護高度設為1.0m，防護體由上下兩層0.5m厚的鋼絲石籠構成。為了減小流冰爬坡過壩的阻力，將坡肩折點處做成圓角，各方案可做同樣處理，詳見各方案的壩體結構示意圖(圖1-圖4)。以下對各方案分別進行闡述。

圖1 鋼絲石籠壓頂壩體結構示意圖

圖2 鋼絲石籠(坡肩)壓頂壩體結構示意圖

圖3 鋼絲石籠蓋面壩體結構示意圖

圖4 鋼絲石籠蓋面(加棱體)壩體結構示意圖

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結在一起，將壩體上部的拋石散體變成部分整體。

2.2.2 方案實施方式

夏航期低水期施工方案：壩面機械整平后，采取分層階梯式安裝。施工船舶，包括機船和作業駁船靠泊于擬施工壩段壩體側面，吊裝設備可根據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，可將長石籠分段處理。石籠安裝就位后用鋼絲將上下、左右相鄰石籠聯結成整體。

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

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上進行適當調整而成。當壩體較寬時，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，兩側坡肩同步進行。施工船舶，包括機船和作業駁船靠泊于擬施工壩段壩體側面，吊裝設備可根據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，相鄰石籠用鋼絲聯結在一起，兩側石籠用鋼筋或鋼絞線拉結，之后將中間部位填滿塊石并進行整平處理。該作業方式，吊裝設備設在駁船上時，壩面上需要設置1臺挖掘機與船上設備配合。

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

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，將壩面塊石聯結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完成，石料倒運由船完成。施工船舶，包括機船和作業駁船靠泊于擬施工壩段壩體側面，挖掘機平整壩面和坡面，將石料堆放在壩體前進方向，完成一段后，在壩上組裝石籠，并將多個石籠聯結在一起，挖掘機填筑石料，人工進行封蓋，繼續組裝下一組石籠，挖掘機繼續填筑石料，再人工封蓋，并用鋼絲將相鄰石籠聯結成整體。同樣程序再進行下一壩段作業，多余石料可暫時存放在駁船上，再倒運至缺料部位。

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

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拋石棱體，覆蓋在壩體上部表面的鋼絲石籠支撐在兩側棱體上，形成防冰壩體結構。該方案因增設棱體使得壩體底寬增加，可考慮適當減小壩體頂寬。

2.5.2 方案實施方式

具體實施方式與鋼絲石籠蓋面方案基本相同，只是進行壩面整平時要兼顧棱體頂面。

3 防冰方案的優勢及優缺點比較

3.1 鋼絲石籠防冰方案的優勢

以上4個防冰方案，統稱為鋼絲石籠防冰方案，吸收了以往工程防冰的經驗，解決了以往鐵絲石籠防冰方案在材料耐久性和結構不合理等方面的欠缺，具有以下特點或優勢：

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

2)鋼絲網產品采用高伸張率的低碳鋼絲及柔性結構設計使得鋼絲石籠具有很強的柔韌性及變形能力，對壩體變形具有較好的適應性。

3)鋼絲石籠結構由多個獨立的單元構成，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構穩定性。

4)對防冰結構細部進行了創新優化設計，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施性。

5)鋼絲石籠單元可工廠化定制，質量有保障，施工工序簡單，施工效率高。

6)鋼絲石籠防冰結構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施，可因地制宜靈活選擇，有利于工程科學決策。

8)鋼絲石籠所用材料為鋼絲和石料，和自然環境融為一體，更有利于環境保護。

3.2 各方案的優缺點比較

以上防冰方案的壩體結構特征和各自優缺點詳見下表：

防冰方案的壩體特征及優缺點對比見表1。

表1 防冰方案的壩體特征及優缺點對比表

3.3 防冰方案及實施方式的選擇

所述鋼絲石籠防冰方案的4種新型結構型式各具特點，可根據整治建筑物所處河段的水文特點、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，均采用單層石籠結構，平整后的壩面高程比其他方案高，在水位相同條件下，更有利于挖掘機在壩面上駐位和作業，因此夏航期施工方案與冬季方案基本相同，都以挖掘機為主要施工設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和供應保障的平臺使用，這種作業方式比在船上組裝石籠再吊裝作業效率要高，質量也更有保證。

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

在依佳線航道整治收尾工程中，齊家通和閻家通項目的鎖壩結構設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 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方面所取得的經驗和成果，并對以往整治建筑物防冰方案進行了分析比較，借鑒近年來相關工程的經驗，對以往所采取的鐵絲石籠方案進行優化，提出了鋼絲石籠防冰方案的4種新型結構型式：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施方式，闡述了鋼絲石籠防冰方案的優勢。以上成果，對北方寒區河流的航道整治工程建設具有一定的參考和借鑒意義。