石笼结构在整治建筑物防冰上的应用

管效仲

(黑龙江省航道事务中心，哈尔滨 150001)

0 前 言

松花江为季节性封冻河流，一般11月上旬封冻，翌年4月中旬开江，封冻天数140d左右，一般冰厚1.1m，最大可达1.6m。每年有春秋两次流冰，秋季流冰时间较长、冰块较薄，一般为0.2-0.3m，对整治建筑物破坏小，春季流冰时间短、冰块较厚，一般为0.5-0.8m，且冰流量较大，对整治建筑物破坏较大，个别河段受特定的自然条件的影响，易形成冰塞、冰坝，可对整治建筑物造成更严重破坏。因此，对于松花江或其他寒区河流的整治工程建设，采取有效的防冰措施是必要的，选择哪种防冰措施也至关重要。多年的工程实践表明，整治工程的成败很大程度上取决于防冰措施的成败。文章借鉴了以往工程的防冰经验和研究成果，针对航道整治工程中散抛石坝体结构提出切实有效的防冰方案，以供相关工程参考和借鉴。

1 既有工程防冰措施分析

从20世纪80年代开始，相继对松花江各河段进行航道整治，经多年工程实践和研究，在工程防冰上取得了较丰富的经验和成果，其中既有整治建筑物总体布置方面的经验，也有坝体结构方面的具体措施。

在总体布置方面的经验主要包括：①丁坝间采用合理的间距；②丁坝群中上游第一条丁坝布置成下挑丁坝；③丁坝设置的勾头可起到导冰作用；④为减少锁坝所在河汊冰塞现象的发生，可在其上游适当位置设导流建筑物；⑤在满足分流比的前提下，降低坝体高程，变一般锁坝为潜坝也是一种防冰方式；⑥在岛头或洲滩前设分流坝、分流墩或分流棱体等结构，部分或局部代替护岸[1]。

在坝体结构方面采取的防冰措施主要包括：加大坝体断面、铁丝网罩面、铁丝方石笼方案、铁丝圆石笼方案、坝前堆积煤干石方案、水下不分散混凝土灌浆方案等[1]。

对于坝体结构方面采取的防冰措施，加大坝体断面方案无疑有利于坝体防冰，但工程造价也增加明显，显然不是较优方案；铁丝网罩面方案曾在佳同线航道整治工程中进行了试验，防冰效果不理想；坝前堆积煤矸石方案在三姓浅滩航道整治工程曾得到应用，效果较好，但其受材料制约明显，无推广价值。

对于铁丝石笼方案，曾在三姓浅滩(一期)航道整治工程和佳同线航道整治工程中应用，防冰效果较好，但因其所用铁丝易受腐蚀，耐久性差，未推广应用。

水下不分散混凝土灌浆方案，自1997年起，连续3a在三姓浅滩(二期)航道整治工程中实施，之后又在依佳线航道整治工程、大顶子山导流墩工程等项目中应用[2]。至此，水下不分散混凝土灌浆方案已经过较多工程的验证，技术较成熟，防冰效果优于其他防冰措施。但该方案涉及混凝土搅拌、泵送和灌注等工艺，施工程序较复杂，对施工质量要求较高，需要配备专业的施工设备和专业的施工队伍，而且只能在夏航期枯水时段进行施工，这些因素制约了该方案的广泛应用。另外，对松花江上整治建筑物的调查表明，应用水下不分散混凝土灌浆方案的坝体在短期内损坏较少，但经多个水文年后亦有较大损毁，且不易维修，也暴露了该方案在耐久性上的弱点。

由此可见，对于寒区河流的整治建筑物，其防冰方案的选择，还有待进一步探讨，需要更多工程实例进行验证。

2 钢丝石笼防冰方案

2.1 防冰方案的提出和优化

整治建筑物选择哪种防冰方案，技术上可行、经济上可行、耐久性满足要求、适合当地施工条件等，这些都是需要考虑的重要因素。文章在调查分析以往工程防冰效果的基础上，提出了满足上述要求的整治建筑物的新型防冰方案即钢丝石笼防冰方案。

近年来，由低碳钢丝加工而成的雷诺护垫已广泛应用于水利岸(堤)坡防护工程和航道整治工程的护岸工程中，取得了较好的效果。新材料的应用为以往所采用的铁丝石笼防冰方案带来了新的契机，所述钢丝石笼防冰方案，即是在原铁丝石笼方案的基础上进行材料替换和结构优化而成。

所用石笼网为低碳钢丝经机器编制而成的双绞合六边形金属网，所用钢丝采用镀高尔凡(5%铝-锌合金+稀土元素)防蚀处理，将钢丝网按设计形状组合成所需工程构件，在构件内填充石料形成钢丝石笼单元。

所用石料要求：① 填充物采用卵石、片石或块石，石料粒径D100-250mm为宜，空隙率不超过30%，要求石料质地坚硬，强度等级≥MU30，材料重度≥2.5t/m3，遇水不易崩解和水解，抗风化。② 薄片、条状等形状的石料不宜采用，风化岩石、泥岩等亦不得用作充填石料。

所述钢丝石笼防冰方案具体优化为以下4种结构型式：钢丝石笼压顶、钢丝石笼(坡肩)压顶、钢丝石笼盖面、钢丝石笼盖面(加棱体)。

为便于方案叙述和对比，各方案的坝体高度均设为3.5m，防护高度设为1.0m，防护体由上下两层0.5m厚的钢丝石笼构成。为了减小流冰爬坡过坝的阻力，将坡肩折点处做成圆角，各方案可做同样处理，详见各方案的坝体结构示意图(图1-图4)。以下对各方案分别进行阐述。

图1 钢丝石笼压顶坝体结构示意图

图2 钢丝石笼(坡肩)压顶坝体结构示意图

图3 钢丝石笼盖面坝体结构示意图

图4 钢丝石笼盖面(加棱体)坝体结构示意图

2.2 钢丝石笼压顶方案

2.2.1 方案简介

该方案是在散抛石坝体上部安放梯形石笼，用钢丝将相邻石笼联结在一起，将坝体上部的抛石散体变成部分整体。

2.2.2 方案实施方式

夏航期低水期施工方案：坝面机械整平后，采取分层阶梯式安装。施工船舶，包括机船和作业驳船靠泊于拟施工坝段坝体侧面，吊装设备可根据水位情况选择驻位在坝面上或驳船上，钢丝石笼在驳船上人工组装，为便于吊装作业，可将长石笼分段处理。石笼安装就位后用钢丝将上下、左右相邻石笼联结成整体。

冬季施工方案：夏航期先将填充石笼用料抛(备)于坝体上，待冰面冻结其承载能力可满足小型运输车辆上冰作业时方可开始施工。整平坝面和石笼填料均由挖掘机完成。挖掘机平整坝面完成一段后，将石料堆放在坝体前进方向，先在坝面上组装下层石笼，将多个石笼联结在一起，挖掘机填筑石料，人工进行封盖，之后组装上层石笼，挖掘机继续填筑石料，再人工封盖，并用钢丝将上下、左右相邻石笼联结成整体。同样程序再进行下一坝段作业，多余或缺少石料可由小型运输车辆在冰面上倒运，该作业方式可在多个作业面同时进行。

2.3 钢丝石笼(坡肩)压顶方案

2.3.1 方案简介

该方案是在钢丝石笼压顶坝体的基础上进行适当调整而成。当坝体较宽时，可将横向布置于坝体的石笼断开布置，用钢筋或钢绞线将上层石笼拉结在一起，中间空腔填充块石。为便于石笼加工制作，上下层石笼单体均采用相同尺寸，采取阶梯式叠放方式。

2.3.2 方案实施方式

夏航期低水期施工方案：坝面整平、石笼安装、空腔填石按次序交替作业，两侧坡肩同步进行。施工船舶，包括机船和作业驳船靠泊于拟施工坝段坝体侧面，吊装设备可根据水位情况选择驻位在坝面上或驳船上，钢丝石笼在驳船上人工组装，底层石笼安装就位后，将中间部位填满块石，再安放上层石笼，相邻石笼用钢丝联结在一起，两侧石笼用钢筋或钢绞线拉结，之后将中间部位填满块石并进行整平处理。该作业方式，吊装设备设在驳船上时，坝面上需要设置1台挖掘机与船上设备配合。

冬季施工方案：夏航期先将填充石笼用料抛(备)于坝体上，待冰面冻结其承载能力可满足小型运输车辆上冰作业时方可开始施工。整平坝面和石笼填料均由挖掘机完成。挖掘机只需平整石笼安放部位的坝面，将石料堆放在坝体前进方向，完成一段后，先在坝面上组装下层石笼，并将多个石笼联结在一起，两侧石笼同步进行组装，挖掘机填筑石料，人工封盖后向中间空腔内填石料，填石高度与底层石笼顶面相同，之后再组装上层石笼，挖掘机继续填筑石料，再人工封盖，并用钢丝将相邻石笼联结成整体，用钢筋或钢绞线按一定间隔将两侧石笼也拉结在一起，最后将中间空腔部位用石料填满并整平。按同样程序进行下一坝段作业，多余或缺少石料可由小型运输车在冰面上倒运，该作业方式可在多个作业面同时进行。

2.4 钢丝石笼盖面方案

2.4.1 方案简介

该方案是将坝面块石装入钢丝笼，将坝面块石联结成整体镶嵌覆盖于坝体上部表面，施工后坝体上下游维持原坡度不变。

2.4.2 方案实施方式

夏航期低水期施工方案：先将填充石笼用料抛(备)于坝体上，整平坝面和石笼填料由挖掘机完成，石料倒运由船完成。施工船舶，包括机船和作业驳船靠泊于拟施工坝段坝体侧面，挖掘机平整坝面和坡面，将石料堆放在坝体前进方向，完成一段后，在坝上组装石笼，并将多个石笼联结在一起，挖掘机填筑石料，人工进行封盖，继续组装下一组石笼，挖掘机继续填筑石料，再人工封盖，并用钢丝将相邻石笼联结成整体。同样程序再进行下一坝段作业，多余石料可暂时存放在驳船上，再倒运至缺料部位。

冬季施工方案：夏航期先将填充石笼用料抛(备)于坝体上，待冰面冻结其承载能力可满足小型运输车辆上冰作业时方可开始施工。整平坝面、坡面和石笼填料均由挖掘机完成。挖掘机平整坝面完成一段后，将石料堆放在坝体前进方向，在坝上组装石笼，并将多个石笼联结在一起，挖掘机填筑石料，人工进行封盖，继续组装下一组石笼，挖掘机继续填筑石料，再人工封盖，并用钢丝将相邻石笼联结成整体。同样程序再进行下一坝段作业，多余或缺少石料可由小型运输车辆在冰面上倒运，该作业方式可在多个作业面同时进行。

2.5 钢丝石笼盖面(加棱体)方案

2.5.1 方案简介

该方案是在钢丝石笼盖面坝体的上下游分别增设抛石棱体，覆盖在坝体上部表面的钢丝石笼支撑在两侧棱体上，形成防冰坝体结构。该方案因增设棱体使得坝体底宽增加，可考虑适当减小坝体顶宽。

2.5.2 方案实施方式

具体实施方式与钢丝石笼盖面方案基本相同，只是进行坝面整平时要兼顾棱体顶面。

3 防冰方案的优势及优缺点比较

3.1 钢丝石笼防冰方案的优势

以上4个防冰方案，统称为钢丝石笼防冰方案，吸收了以往工程防冰的经验，解决了以往铁丝石笼防冰方案在材料耐久性和结构不合理等方面的欠缺，具有以下特点或优势：

1)所用钢丝网为低碳钢丝经机器编制而成的双绞合六边形金属网，所用钢丝采用镀高尔凡(5%铝-锌合金+稀土元素)防蚀处理，具有较强的耐久性能。

2)钢丝网产品采用高伸张率的低碳钢丝及柔性结构设计使得钢丝石笼具有很强的柔韧性及变形能力，对坝体变形具有较好的适应性。

3)钢丝石笼结构由多个独立的单元构成，同时每个相邻单元间都由钢丝绞合在一起，具有很好的整体性和结构稳定性。

4)对防冰结构细部进行了创新优化设计，比如坡肩圆角、石笼上下层采用相同尺寸等，兼顾了各方案的防冰效果和可实施性。

5)钢丝石笼单元可工厂化定制，质量有保障，施工工序简单，施工效率高。

6)钢丝石笼防冰结构由若干钢丝石笼单元组合而成，局部损坏后更便于维修。

7)所述方案夏航期和冬季均可实施，可因地制宜灵活选择，有利于工程科学决策。

8)钢丝石笼所用材料为钢丝和石料，和自然环境融为一体，更有利于环境保护。

3.2 各方案的优缺点比较

以上防冰方案的坝体结构特征和各自优缺点详见下表：

防冰方案的坝体特征及优缺点对比见表1。

表1 防冰方案的坝体特征及优缺点对比表

3.3 防冰方案及实施方式的选择

所述钢丝石笼防冰方案的4种新型结构型式各具特点，可根据整治建筑物所处河段的水文特点、工程重要程度、建筑物位置、类型以及施工条件等因素因地制宜灵活选用。

其中的2个钢丝石笼盖面方案，均采用单层石笼结构，平整后的坝面高程比其他方案高，在水位相同条件下，更有利于挖掘机在坝面上驻位和作业，因此夏航期施工方案与冬季方案基本相同，都以挖掘机为主要施工设备直接在坝面上组装石笼，夏航期方案只是将船舶作为材料倒运和供应保障的平台使用，这种作业方式比在船上组装石笼再吊装作业效率要高，质量也更有保证。

在各方案的实施方式中，针对松花江季节性封冻河流特性，提出了夏航期低水期施工方案和冬季施工方案，两个方案互为补充，冬季施工方案不受施工水位制约更便于实施。

在依佳线航道整治收尾工程中，齐家通和阎家通项目的锁坝结构设计即采用了钢丝石笼盖面方案，取得了较好的防冰效果。

4 结 语

文章简要介绍了近年来松花江航道整治工程在防冰技术方面所取得的经验和成果，并对以往整治建筑物防冰方案进行了分析比较，借鉴近年来相关工程的经验，对以往所采取的铁丝石笼方案进行优化，提出了钢丝石笼防冰方案的4种新型结构型式：钢丝石笼压顶、钢丝石笼(坡肩)压顶、钢丝石笼盖面、钢丝石笼盖面(加棱体)。并介绍了各方案的具体实施方式，阐述了钢丝石笼防冰方案的优势。以上成果，对北方寒区河流的航道整治工程建设具有一定的参考和借鉴意义。