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合金网件柔性块体在抗洪抢险、水利、交通工程防护中的应用

作者:浙江银河防汛物资有限公司 郑士元

    随着经济的发展,国家对水利的投入进一步加大,近年来,全国各地相继对众多的标准堤防、山丘小流域整治力度加大,由于某些恶劣的自然环境中,如在急流的冲刷和风暴潮、泥石流、波浪的拍击之下,堤坝、路基等水利、交通、建筑设施的防护仍然是一个不容忽视的问题,尤其是一些特殊地段的堤坝、路基防护,一直来成为困挠人们的一大难题。浙江银河防汛物资有限公司(原杭州银河防汛物资有限公司)研制开发的合金网系列柔性块体合金钢网石兜、合金格宾网箱、合金网袋、合金石笼、合金网软体排、合金金属扩张网等产品;成功地解决了水利史上防冲护堤这一技术难题并获国家多项发明专利证书。

1、理想的防冲护堤产品的基本要求

   理想的防冲护堤产品需要具备下列基本性能:
   (1)必须具有高的防冲能力。所谓高的防冲能力具体包括两方面的含义,即:首先在急流、涌浪的冲击之下,产品本身应有足够的凝结力,不能在急流和波浪的冲击下,发生破损和漂移。
   (2)必须具有高的柔韧性能。防冲护堤产品具有一定的柔韧性,一方面可以有效地缓解急流的冲击,消能减速,提高产品本身的抗冲击性能,另一方面可以充分补偿堤防基础的塌陷,适应地基的变形,自动阻止急流对堤防基础的进一步淘刷。在砌体块石构建的堤坝防护中,此性能尤为重要。
   (3)必须具有较高的耐磨和耐腐蚀性能。防冲护堤产品是在恶劣的自然环境中使用,要求能经受泥砂的冲刷和各种有害化学物的侵蚀,具有较长的使用寿命。

2、现有防冲护堤护趾产品性能上的局限性

   长久以来,人们探索出各种防冲护堤护趾的方法和产品,如在坝基抛投块石、扭工块,使用钢筋笼、镀塑镀锌铁丝笼、竹笼、镀锌金属扩张网、柳枕装填块石实施抛投等。如果用防冲能力、柔性、耐磨耐腐蚀性能这四方面要求来衡量,这些传统产品,均不同程度地在技术性能上存在局限性。 块石或扭土块其本身具有足够的抗冲击能力,但最主要的问题是缺乏足够的凝聚力。抛石实方比重约2.2t/m3在大气中块石松方1.7 t/m3,但在水中,尤其是混浊的河水中,块石所受到的浮力约为1.0~1.1 t/m3,使得块石在水中实际重量将小于0.7- t/m3,由于块石彼此独立,当水流速度达到2.5m/s以上时,水流对每块100-400kg块石所施加的牵引力将超过块石与地面的摩擦力,此时块石极易出现漂移,这种漂移首先使块石不能很好地起到保护堤趾的作用,其次漂移的块石会重新在水流较缓处沉积,影响江河的泄洪能力。 金属扩张网、钢筋笼、铁丝笼、PVC笼、竹笼等传统产品的使用,正是为了克服散抛块石缺乏凝聚力缺陷,但是 金属扩张网、钢筋笼、镀塑镀锌铁丝笼、格栅和竹笼,整体耐磨、耐腐蚀性能较差,容易出现锈蚀和老化,经重载波浪急流的冲击作用镀塑镀锌铁丝网表面镀层很容易被剥落、磨破,铁丝失去保护膜,海水或淡水环境产生化学反应导致点腐蚀而快速断裂,网件解体的结果。钢筋笼由于采用的是刚性框架的焊接结构,本身缺乏必要的柔性,使得钢筋笼本身抗冲击性能下降,同时也无法与坝趾表面紧密地结合,不能有效阻止水流对坝趾基础的淘刷。 根据理想防冲护堤产品的性能要求和现有产品存在的种种局限性,杭州银河防汛物资有限公司开发了堤岸防护新材料、新技术、新工艺、新产品合金网件柔性块体系列产品,并获得多项国家发明专利认证。所谓合金网件柔性块体是包括合金网石兜(箱)和合金网互连混凝土柔性板块等系列产品。

3、合金网件柔性块体系列产品的防护机理、性能及技术优势

 3.1 合金网柔性块体系列产品的防护机理
    堤防防护产品的防护效果,关键取决于防护产品在水流冲击下的稳定性。经过我们水能动床试验,得出块石在水流冲击下的牵引切应力可用下式计算:τ =c (Υ s- Υ w )

式中: c ―防护系数,Υ s ―块石密度,Υ w ―水的密度, d m ―块石的当量粒径

  由上式可知,当块石和水的密度不变的情况下,防护系数和块石当量粒径与抗漂移能力成正比。此外块石铺设厚度与块石当量粒径的关系是 1.5-2倍。经试验,网石兜(箱)装填块石时防护系数约为散抛块石防护系数的 2-2.1 倍。散抛块石按一定( 2 个 dm 以上)厚度堆放,其初期漂移具有一定的极限性,一旦基本的结构被水流冲垮,铺设厚度改变,随后便出现递增式毁坏,而用网石兜(箱)装填的块石具有良好的透水性、透气性和柔韧性,经急流波浪冲击后以柔克刚,可以减小负压,缓解冲击强度,同时产生蠕动,但基本结构仍保持不变,并达到新的平衡。综合以上两方面的原因,采用相同规格的块石和铺设厚度,用网石兜(箱)装填块石能够承受的水流速度是散抛块石的 3 ~ 4 倍左右。

   3.2 合金网件柔性块体系列产品的性能及使用
    浙江银河防汛物资有限公司科技人员经过十几年的研制攻关,研制完成了特种合金材料,以该材料编织各种规格的网件,在海水环境、强涌潮地区大江、大河、沿海、海岛等各种恶劣环境中的应用获得成功。

柔性块体合金网件系列制成各种规格兜 ( 箱 ) ,网眼大小及丝径可根据使用要求选定产品和材料,有关设计参数见表,表上没有的与技术部门联系。合金网件柔性块体安装后和坝体、河床融为一体,凝结成一个具有透气、透水、柔韧性整体。网石兜为圆形筒状,装填块石后可直接吊装实施抛投,施工方便快捷,适应在深水、浅水施工。也适应露地施工;网石箱外形为矩形箱体状,施工方式:先在施工现场定位后将网箱展开,然后装填块石并封口;合金网 软体排 是以合金网为基体,分隔浇筑混凝土形成合金网柔性板块的 排体 ,每组用同一种材料柔性连接形成更大整体 , 可用于护坡护趾护底 , 辅设方便快捷,防冲防急流适应性、稳定性效果好,造价低,使用寿命长等优点。
    柔性块体系列产品所用材料为杭州银河防汛物资有限公司研制开发特种合金新材料 , 经浙江省水利水电科学研究院检测和浙江省冶金研究院检测,材料物化性能及网石兜(箱)整体性能见表

钢丝直径

0.1-5.0(mm)

平均网眼边长
7-40(cm)

抗拉强度
大于1400(N/mm2

海水环境中腐蚀程度
小于0.01(mm/年)

承载强度
20-120
(KN/mm2

网兜荷载
0.2-2.5(t)

   3.3 合金网系列柔性块体产品的技术优势
    合金网件系列柔性块体产品与传统的防冲护堤产品比较,具有如下性能优势:
  (1) 采用特种合金材料制造的 合金钢网石兜、合金格宾网箱、合金网袋、合金石笼、合金网软体排、合金金属扩张网 等 产品,与竹笼、钢筋笼相比,具有更优良的整体物化性能,使得网兜整体抗冲、抗剪切,耐磨、海水环境耐腐蚀性能更强,使用寿命是传统产品的 10 几倍,可有效地减少防护工作的重复施工,简化工程维护,降低维护费用,综合经济效益十分可观。
  (2) 合金钢网石兜 的使用,使相互独立和块石构成一个整体,在实施抛投后,可在兜与兜之间进一步串接,从而形成更大的整体,有了这种整体的凝结力就可以减少单个块石的质量,块石的间隙增多,块石凹凸不平的表面,起到分解波浪、减缓流速和降低冲击强度的作用,达到防冲、消能、促淤的目的,此外这种 " 以小拼大 " 的方式,整体深水吊装,整体露地安装,也给施工带来快捷、安全、有效降低劳动强大和便利。
  (3) 合金钢网石兜 所构成的整体,具有极高的柔韧性、透气性、透水性,一方面以柔克刚可有效地缓解水流的冲击,提高网石兜本身的抗冲击能力,这种柔软性整体性能能够自动适应和补偿基础的塌陷,同时网兜的柔韧性能够充分密实网兜之间的空隙,从而有效地阻止水流对基础的淘刷,保证坝趾基础的稳定。
  (4) 在溪滩治理中,可把河道中的鹅卵石作为 合金钢网石兜 (箱)的填充料,实现就地取材,既节省块石费用,又可以疏浚河道,一举两得。
  (5) 使用网件系列产品用于堤坝防护,可获得很好的综合经济效益。萧山东线海塘用散抛块石护趾,虽然单次施工费用相对较低,但当水的流速达到 3m/s 以上时,散抛块石极不稳定,容易被水流冲失,需要不断重复抛投,累计抛投费用就相当高,改用网石兜系列产品护趾,施工综合费用相当于散抛块石护趾每年维护费用的 60% ,随着使用年限的增加,其综合经济效益将更为可观,在水流速度不是很大的堤坝防护中,采用网石兜系列产品护趾,只需用散抛块石量的 1/3 ,就可达到更好的防护效果,减少石料费用和施工的填筑方量,同时减小边坡长度和占地面积 , 扩大航道宽度和泄洪断面。降低工程造价,阻止水土流失;采用合金柔性板块护趾、护坡、护底,可省去块石垫层和基础开挖,避免构筑围堰,减少排水费用简化施工工艺,其工程造价相当于浆砌块石护坡造价的 50% ,而且可获得更好的防护效果。
 (6)合金网柔性块体系列产品不仅可用于防冲护堤,如果采用不同的填充料,或以不同的形式组合、连接,可以适应各种复杂的水文条件和地形,实现导流等其他各种不同的防护用途。在施工中,可以带水作业,减免围堰和排水费用,降低工程综合造价适用性极强。
    合金网柔性块体系列产品,目前已在各种不同环境条件下使用,均获得了满意的效果。



4、合金网柔性块体系列产品的应用范围及实际应用情况

    4.1 在抗洪抢险中用于堵决口、堵漏洞、除险加固。
    在堤防决口处,内外水位差较大,流速快,传统的单个块石、草包或编织袋抛投很容易被急流冲走,采用网石兜则可获得很好的效果。方法一:采用杭州银河防汛物资有限公司发明的甲板自卸船,可以将几十个网兜串接在一起,将 100 ~ 500 立方米一次卸在决口中,形成一个允许通水的框架,然后闭气、防渗处理。该方法也可用于水利工程堤防、围垦工程截流、堰坝、护趾、护岸等工程。当堤防出现漏洞时,可在网石兜中装填每袋 2.5 -5kg 或 10 -20kg 盛有专有特种柔软塑性膨胀材料的网兜,使网兜具有悬浮功能。用缆绳将网石兜吊至洞口。在内外水压的作用下,网兜被水流吸入,封堵漏洞。为防止网石兜从背水面冲出而流失,可在岸上固定钢管柱,用钢缆将网石兜与固定钢管桩连接,达到堵漏洞的目的。
   4.2 合金柔性板块护坡、护趾、护底
    在堤防坡面上铺设合金网,以混凝土替代块石,分割浇筑,公路坡面上铺设合金网箱装填块石,形成合金网柔性板块,合金柔性板块上与克顶相连,下与基础连接,如果护坡长度较长,可在中间增设锚固,板块中用沥青或土方补缝,有土方的地方播种并植各种防冲植物,即绿化环境,又能使护坡具有自洁清污功能,成为环保型的护坡,材料同时降低工程造价,并且形成较大的柔性整体,达到护坡、护趾、护底,也可以制作 U 形薄壁渠道,用于农田灌溉等用途。
   4.3 网兜、网箱用于构筑挡土墙、护坡、护趾、护底,堰坝、溪滩治理    用网石箱构建山区性小流域堤防的挡土墙,对块石的形状没有严格的要求,可实现就地取材,由于网箱本身具有良好的渗透性,不需要另设排水管,排水性能良好,能减少水流对挡土墙内侧造成的静压力,提高挡土墙的稳定性和使用寿命。使用网石兜(箱)构筑挡土墙、丁坝、顺坝和堰坝,可用于水下护坡、护趾、护底,减免围堰及排水费用,简化施工工艺保证施工进度不受水淹的影响,可降低综合费用网兜吊装可带水作业,整体稳定性好,可用于堤防、路基围垦工程水下基础施工,施工时,挖掘机开挖设计深度和宽度,然后用吊机将网兜吊装到开挖好的基槽内,分层安装直至露出水面,网兜挡墙内侧用卵石或道渣、土工布做反滤层,减免缩短施工工期。经济对比而言,用于围堰和排水的费用转化为网石兜和反滤层的费用,一般情况下,足足有余,在溪滩治理中,卵石直径大于网眼卵石装入网石兜(袋)内,串接成较大的柔性整体,用来护岸、护趾、护坡,护堤,提高堤顶的高度和宽度,就地取材,既节省块石的费用,同时又疏通了河道,提高了泄洪能力。(工程应用如图所示)
应用示意图(一)( 点击查看 ) 应用示意图(二)( 点击查看 )
   4.4河流(床、道)防护 采用合金网板块或带状相连接的网石兜(箱),用于河床、河道的防护,具有隔离水流,缓解流速,消能、导流的作用;以不同的形式组合用于山区性小流域堤防治理和建设。    4.5围垦工程中的应用 由于围垦时,淤积深度大,软基承载强度小,易发生深层滑狐,导致堤防开裂、滑坡等工程事故,故采用了爆破挤淤法,排水板固结法,块石重力置换法,来满足堤防基础的稳定要求。 现推出网件法:采用网件铺设加固堤防地基,增加地基的整体稳定性和承载强度,在设计计算中稳定系数应满足1.2,由于采用了网件,使基础具有分散、均匀荷载,增加承载强度,是基础和地基融为一体,以满足堤防的整体稳定,在重力的作用下,网件的间隙大、排水畅通,固结效果快,使基础快速提高承载强度,以排水板法经济对比,排水板法需投入排水板、碎石、土工布,边坡多填的工程量,而采用网件法仅为网的成本。费用比较便宜5-10%,并能提前一年左右发挥效益,同时对今后的维护、提高的防波、防冲的作用,将产生更大的效益。

5、应用实例

   5.1  温州苍南县龙港河道 500m 凹岸顶冲保滩工程,每年累计加固费用 50 万元,不断抛入块石 5000 m3 ,分析原因,受急流冲击当单个块石的重力减去浮力产生的摩擦力小于急流产生的动能冲击力时,块石被冲失基础被掏空,导致堤坝滑波。后用木材 36 万元打桩 护堤,由于基础被掏空,险工段不能彻底根除,又造成堤坝滑波开裂, 需不断补抛块石投入人力、物力、财力除险加固并造成江河淤积。该地段过去因抢险需要,一年要抛投块石 3 次左右,平均每年每米断面耗费 1000 元以上, 1999 年 5 月采用浙江银河防汛物资有限公司专利成果网石兜柔性块体后,经过流速 8 ~ 9m /s 急流多次的冲击,经二年的运行网石兜未出现锈蚀、漂移和基础掏空现象,在网石兜的应用滩地出现了大量泥沙淤积,使网石兜和堤趾、河床融为一体,堤趾滩地得到稳固。该段对比试验, 1 年即可收回成本,随着时间的延长其综合经济效益更加明显
   5.2  省内外水利、交通工程的应用和防洪抢险、除险加固、防汛储备:浙江省:衢州、台州、宁波、杭州温州、丽水等;外省:江苏、安徽、江西、三峡、河南等,采用合金网兜(箱)等产品用于被冲毁的丁坝头部、堤趾的应用,获得良好效果。
   5.3  水闸工程应用。温州市瓯北镇新建的新桥水闸;温州乐清红卫水闸,台州椒江霞子闸、特别温州朱站水闸、金清新闸属于浙江大型水闸之一,并且闸下冲刷严重,冲刷坑较深,最大流速 7 米 / 秒,网兜、网箱用于水闸工程和除险加固,该地区低潮位时,采用网箱抢潮露地施工,深水位时采用网兜吊装施工,采用网石兜除险治理,浙江省水利厅 2001 年 4 月 28 日 立项,文号:浙水管 [2001]19 号;于 2001 年 12 月份实施除险治理, 2002 年组织有关部门和专家进行鉴定。
   5.4 1998 年 8 月合金网石兜(箱)在钱塘江入海口强涌潮地段,水流冲击强度 8t/ ㎡、流速 4 ~ 11m /s 、潮高 2.5m 、潮差 8m 左右海水环境中试用,经浙江水利厅等有关专家鉴定,获得好评,《浙江水利科技》、《中国水利》 2001 年第二期、 2000 年 5 月 11 日 《中国水利报》作了《浙江海塘防冲护趾有新材料》专题报导。阳春三月,退潮时分,来自浙江省水利厅、钱塘江管理局、省水科院、围垦局和萧山市农机水利局等单位的一批水利专家们,在钱塘江河口,萧山标准海塘的 20#-30# 工段,专家们在现场看到杭州银河防汛物资有限公司放在海塘护坦前的自研自制产品 - 合金网石兜柔性块体半露出水面,串连网兜的钢缆长满了厚厚的铁锈,像长了一层厚厚的绒毛,而装石块的合金丝兜却铮亮如初。专家们进一步查看,发现在这个水流速达度达 4 ~ 11 米 每秒、涌浪冲击强度剧烈的强涌潮地段抛投下的这些合金网石兜, 19 个月来整体保持稳定,并能自动适应地基的变化,补偿地基的塌陷; 2002 年 5 月再次考验现场查看合金网兜、网兜整体稳定,没有出现漂移和锈蚀效果良好。试验期间,合金网石兜,整体没有出现漂移、锈蚀等问题,较好地达到了防冲、消能和护趾的目的,防护效果显著。合金网石兜(箱)试用成功。杭州银河防汛物资有限公司研制的合金网兜(箱),填装块石,块石间具有良好的透水性和柔韧性,块石经急流冲击后可以产生蠕动,但基本结构仍保持不变,并能达到新的平衡。经比较,采用相同的石料和铺设厚度,有合金网石兜(箱)装填块石能够承受的水流速度是散抛块石的 3 ~ 4 倍。目前,合金网石兜(箱)除在钱塘江海塘萧山段试用外,还省内、外多处江堤和围海工程中运用。
    专家们经现场查看分析后认为,采用这种   合金网兜、格宾网、合金网袋、合金石笼、合金网软体排、金属扩张网 等产品 (箱)施工,方便、高效、快捷、经济性好,且合金网丝在海水环境中耐腐蚀性能强,整体柔软性和稳定性好,此项技术是一项在水利工程和抗洪抢险中值得推广使用的防冲护堤新技术。专家建议进一步做好该项技术的试验研究和完善提高工作。

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公司经营范围包括:防汛物资、抢险物资、抗旱物资、防洪物资。

   防汛物资、抢险物资、防洪物资 :(1)合金网、网兜、钢丝网兜、合金网兜、合金钢网兜、合金钢网石兜、合金网袋、合金钢网袋、合金钢丝网袋;(2)石笼网、合金石笼;(3)网石箱、合金网箱、合金网石箱、合金钢网石箱、镀锌镀塑网石箱、金属扩张网、金属扩张网网石箱、合金扩张网箱;(4)格宾网、钢丝格宾网、合金格宾网、合金钢丝格宾网、镀锌镀塑格宾网;六角网、合金钢丝六角网、合金钢丝四角网;(5)合金生态护坡板、合金网软体排、合金网生态护坡组合板、柔性砼板块;(6)安全网、合金安全网、密目合金安全网;(7)喷浆网、镀锌网、拧花网、护栏网、金属丝网;(8)充石网袋、充石网箱、 网石袋 、 金属扩张网 , 网罩、拉锚索 (2T-1000T) 、草包、麻袋、编织袋、救生衣的制造加工;土工布、毛竹、建筑材料。

   抗旱物资 :机电设备、喷灌设备、五金等批发零售。

   工程技术 :合金钢丝网袋系列产品在工程应用中,施工、安装的技术指导及土石方工程和抢险安装。

制作单位:浙江银河防汛物资有限公司(原杭州银河防汛物资有限公司)

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