無銹熔接網生態石籠在魚類產卵場修復中的應用

葉智峰，程南寧，朱冬舟，成必新，嚴 鑫

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

前 言

水利水電工程中攔河壩的修筑，改變了天然河流的流量和水深，直接影響了下游河流的水文條件，導致河道中魚類的適宜生境面積被大幅度壓縮。產卵場作為魚類生存最重要的生境“三場”(產卵場、越冬場、索餌場)之一，其適宜面積的大小，直接影響了河流魚類種類和數量。魚類產卵場修復可有效緩解水電工程建設對水生生物資源的不利影響，是工程開發中生態環境保護的重要措施之一[1]。

魚類產卵場修復主要是針對在流水砂礫石底質中產黏沉性卵的魚類所設置，通常選擇與繁殖生境需求符合度較高的礫石底淺灘場地進行建設，通過實施地形塑造、新建構筑物、底質重構等措施，改變區域水深、流速、水溫、底質、環境復雜度等關鍵生境因子，提升魚類產卵場棲息地的適宜性[2]。

近年來，隨著生態保護補償機制逐步健全，兩河口、阿海、安谷、樂昌峽、大藤峽等水電站工程都規劃了魚類產卵場修復項目[1～4]?？傮w來說，現階段針對魚類產卵場修復的研究仍然較少，且大多停留在調查分析研究或實驗模擬階段，缺乏一定的工程實踐經驗與效果驗證，針對生境參數、場址選擇、修復措施、結構型式、工程材料等技術方案的研究，仍有大量工作亟待開展。少數已建工程案例中，新建構筑物多采用干砌石、木材或鋼筋混凝土作為工程材料，部分項目存在結構遭洪水沖刷破壞、功能和形象不及預期的問題；部分項目出現結構阻隔水流造成生態性差、與周邊景觀不協調的現象。就目前國內工程案例情況來說，常用的、傳統的建筑材料均未取得良好的效果，工程材料的限制影響了產卵場修復目標的實現。因此，確定適宜的工程材料，對于產卵場修復領域的發展至關重要。

針對目前國內外研究存在的問題，本文首次提出將無銹熔接網生態石籠應用于魚類產卵場修復中，通過對工程材料自身特點、產卵場修復項目特征進行分析，評判無銹熔接網生態石籠應用的可行性、適用性及優勢；通過對工程案例資料進行分析，評價無銹熔接網生態石籠應用的效果與不足，以期得出相關結論和啟示，為類似研究或工程設計提供參考。

1 無銹熔接網生態石籠在魚類產卵場修復中的應用優勢

1.1 無銹熔接網生態石籠

1.1.1 網片特點

按照網片類型不同，生態石籠主要分為六角格賓網生態石籠和無銹熔接網生態石籠兩種。六角格賓網采用機編絞捻鋼絲成型，常用絲徑2～3 mm，常用網孔尺寸有60 mm×80 mm和80mm×100mm兩種；無銹熔接網采用無銹熔接HAIPA專利技術將鋁鋅合金鋼絲熔接成網片，常用網絲絲徑有3mm～6mm，常用網孔尺寸有62 mm×100 mm和100mm×100mm兩種。無銹熔接網具有以下特點及優勢[5]：

(1)網絲熔接點抗剪強度>250 Mpa，網絲抗拉強度≥500 MPa，較之六角格賓網，自身強度具有明顯優勢；

(2)網絲鍍層厚度為400～450g/m2，使用年限長達90 a，耐腐蝕性和使用壽命是六角網的2倍；

(3)無銹熔接網網絲粗、硬度大，網片成型度高，填充材質平整順滑，外觀規整順直，立面視覺效果極佳，景觀效果好；

(4)不同于格賓石籠網的扎絲綁扎，網箱之間采用專用扣件連接，整體性高，不易發生形變；

(5)網絲、綁扎件和工具均為廠家提供，成品質量有保障。

六角格賓網生態石籠和無銹熔接網生態石籠示意圖分別見圖1、圖2。

圖1 六角格賓網生態石籠Fig.1 Hexagonal gabion mesh ecological stone cage

圖2 無銹熔接網生態石籠Fig.2 Rust-free welding mesh ecological stone cage

1.1.2 結構型式

無銹熔接網生態石籠用作工程材料，其應用結構型式大體可分為兩種，一種是結構完全采用石籠網箱構建，不同位置可使用不同尺寸的網箱；另一種為結構內部采用砂、土、砂礫石、塊石、木材等傳統透水材料堆砌，結構表面采用石籠網箱護砌。

1.1.3 施工流程

無銹熔接網生態石籠施工主要步驟如下：

(1)平整建基面；

(2)預制好的石籠網箱放置于設計位置；

(3)同一層相鄰網箱采用金屬環扣連接；

(4)機械填裝石料，配合人工整平，確保加蓋前石塊密實；

(5)網箱加蓋并采用金屬環扣鎖緊；

(6)按照上述步驟進行第二層網箱施工。

1.2 魚類產卵場修復項目特點

魚類產卵場修復項目中構筑物的主要功能是控制水流流速、流態、水深，保護底質不被沖刷、營造生境多樣性等。根據國內外工程案例及傳統水利工程相關知識，實現以上功能的構筑物的類型主要有堰、順壩、丁壩、潛堤等。結合生態修復理念，產卵場修復項目中構筑物具有以下特點：

1.2.1 強度要求不高

根據“人工引導自然修復”的生態工程設計理念，產卵場修復項目中構筑物一般被定義為“臨時構筑物”，安全系數較低，允許發生一定程度的變形和位移，自身強度要求不高。

1.2.2 需抵御洪水沖擊和沖刷

建設地點一般位于河流礫石邊灘，汛期流量大、流速快。受水流沖擊的影響，構筑物易發生橫向變形和位移；受水流掏刷地基的影響，易產生豎向變形和位移。變形的不可避免，要求構筑物自身具有良好的柔韌性和穩定性，不會因局部破壞或變形而發生整體破壞。

1.2.3 應具備生態性

工程的任務是引導修復，構筑物功能是創造良好的水生生境，因此生態性是工程的最重要特征，也是工程設計的基本理念之一。生態性具體體現為透水、透氣，不對水流造成阻隔，水位低時，不形成死水區；同時也表現為與周邊天然材料物質協調、和諧，滿足當地水生植物自然生長需求。

1.2.4 景觀性有一定要求

建設地點在河流邊灘，處于露天環境，工程不宜過分突出人為痕跡，應與周邊景觀相協調，滿足人、車輛駐足小憩、俯瞰江景的需求。

1.2.5 施工工藝可滿足特殊施工環境

產卵場修復施工環境特殊性主要體現在：1)河水流量大，灘面透水性好，干地施工難度大、成本高；2)水位變化快、幅度大，有效作業時間短，需趕潮施工。因此，施工工藝應滿足可帶水作業、施工速度快、在建工程可抵御水流沖刷等要求。

1.3 應用可行性與優勢

無銹熔接網生態石籠與傳統材料特性對比見表1。針對魚類產卵場修復項目特點，相對于傳統材料，無銹熔接網生態石籠主要具有以下應用優勢。

表1 材料特性對比表Tab.1 Comparison of material properties

1.3.1 生態性好

生態石籠為多孔隙結構，具有極好的透水性和透氣性，可以很好的過濾地表水和地下水，同時截留住土壤、泥沙等水中懸浮物，便于植物汲取營養，為植物的生長提供適宜的環境。

1.3.2 耐久性好

無銹熔接網網絲強度及熔接點強度高，不易發生破環；網絲表面采用熱鍍鋁鋅合金工藝處理，提高了鍍層的附著力，抗氧化作用強、耐磨性好，有很強的抵御自然破壞、抵抗惡劣氣候影響的能力，使用年限長。

1.3.3 柔韌性好

無銹熔接網網片自身擁有良好的延展性，相鄰網箱采用扣件連接，使得構筑物具備一定柔韌性，不會因局部變形而產生整體破壞。若構筑物基底被沖刷掏空，可仰仗自身重力下沉填補空位，防止地基被進一步掏刷；同時無銹熔接網生態石籠可以有效解決溫度應力、水流沖擊、地基不均勻沉降等帶來的裂縫或其它問題。

1.3.4 穩定能力強

生態石籠屬于蜂巢結構，具有透水和自排水功能，可使地下水及時的從石縫中滲透出去，能有效解決孔隙水壓力的影響。與其他結構相比，可不設排水孔，對結構體本身提供了額外的安全系數，利于結構的穩定。

1.3.5 景觀效果好

無銹熔接網網絲較細，且采用大網孔間距制作，在遠處肉眼難以發現；網箱內部石料自然堆疊，避免了水泥漿粘結產生的人工痕跡，看上去更加自然；填料間的縫隙增加了立體感，光影效果明顯，形成一種剛中帶柔的獨特美感。

1.3.6 施工簡單高效

可根據施工圖制成半成品后現場組裝完成，操作過程簡單；不受天氣干擾，可帶水作業；在建工程可抵御水流沖刷，可間歇性施工；整體施工效率高，質量容易保證。

1.3.7 經濟性好

內部填充礫石或卵石，可就地取材、節約成本，同時可以增加施工速度。與傳統結構相比，成本更低，具有經濟性優勢。

2 案例分析

2.1 工程概況

根據烏東德及白鶴灘兩水電站項目環評批復，由中國長江三峽集團公司組織實施“烏東德庫尾魚類棲息地保護項目”，通過項目建設充分發揮烏東德水電站庫尾回水變動區流水生境對長江上游特有魚類的保護作用，為庫區喜流水生境魚類提供產卵場，減緩電站建設及運行對魚類的影響。

“金雅匯口魚類產卵場修復工程”為項目的主要內容之一，工程位于金沙江、雅礱江匯口上游約150m～450m右岸邊灘，占地面積約26600m2，建設內容主要包括丁壩1座、三角形透水堰1座、保底質順壩長885m、底質改良約24042m2及蠻石點綴。受上游金沙、銀江、桐子林及下游烏東德等梯級電站的疊加調度影響，金沙江、雅礱江匯口區域水位、流量具有日變幅巨大的特點，日水位變化2.59～2.54m。工程位置示意圖見圖3。

圖3 工程位置示意圖Fig.3 Project location diagram

2.2 設計方案

2.2.1 設計對象及參數

工程具體設計參數詳見表2。

表2 工程設計參數Tab.2 Engineering design parameters

2.2.2 場址現狀

根據現場調查資料，現狀灘地底質以大粒徑礫石(粒徑>100mm)為主，灘地中部存在暗礁；根據模型計算結果，相對于目標魚類生境要求，邊灘西北角區域水深、流速分布偏大，邊灘靠岸邊30m寬區域水深、流速分布較小，其余部分水深、流速條件相對適中?，F狀灘面實拍見圖4，水深、流速模型計算結果見圖5、圖6。

圖4 現狀灘面實拍圖Fig.4 Real picture of current beach surface

圖5 現狀灘面水深模型計算結果Fig.5 Current water depth model calculation results

圖6 現狀灘面流速模型計算結果Fig.6 Calculation results of current beach surface velocity model

2.2.3 總體思路

邊灘上游側設置三角形堰，阻擋上游來水并向邊灘側引流，適當抬高南側上游水位及下游邊灘區域流速、降低邊灘西北角區域流速；進行底質換填并設置約束底質順壩；透水堰上游側布置一道丁壩，降低區域整體流速，提高汛期透水堰抗沖能力；堰、壩頂部設置開孔，營造多樣性生境。

2.2.4 設計分區

根據目標魚類不同，將產卵場劃分若干區域。分區設計參數見表3。

表3 產卵場分區設計參數Tab.3 Design parameters of spawning area

2.2.5 平面布置

邊灘上游側邊界處布置透水丁壩，壩軸線與河道中心線交角約60°，壩頂高程977.5m，長度約51m，壩根與河道岸坡順接，壩頭與邊灘邊界齊平；透水丁壩下游側約20m處布置三角形透水堰，堰軸線與河道中心線交角約60°，根部與河道岸坡距離約20m，頭部與邊灘邊界齊平，頂高程978m；透水堰下游側、沿邊灘邊界至岸坡依次布置三道順壩，第一道順壩總長340m，第二道總長275m，第三道總長269m；岸坡至邊灘外邊界依次為A、B、C三個區，其中A區面積13227m2，B區面積5610m2，C區面積5205m2。工程總平面圖見圖7。

圖7 金雅匯口產卵場總平面圖Fig.7 Design parameters of spawning area

2.2.6 結構設計

(1)丁壩。壩身寬4m，壩頭寬8m，壩頂高程977.5m，底高程976.0m～976.5m；壩身采用無銹熔接網生態石籠堆砌，上下共2～3層，單個網箱分為1m×1m×0.5m、1m×1m×1m兩種尺寸；上游側鄰網箱位置間隔布置蠻石(粒徑≥600mm，重量≥0.3t，下同)。丁壩結構圖見圖8、圖9。

圖8 丁壩平面布置圖Fig.8 Plan of groin dam

圖9 丁壩斷面圖1-1Fig.9 Cross-section map of groin 1-1

(2)三角形透水堰。堰頂寬度7～39m，堰頂高程978m，底高程976.5m～977.0m；堰身內部采用礫石堆砌，表面采用無銹熔接網生態石籠護砌；頂層中間區域采用蠻石間隔填充；上游側鄰網箱間隔布置蠻石。透水堰結構圖見圖10、圖11。

(3)保底質順壩。采用無銹熔接網生態石籠堆砌，壩身寬度2m，由4個1m×1m×0.5m的網箱組合成一個2m×2m×0.5m單元，相鄰石籠網箱采用扣件連接固定。壩軸線方向、各單元之間設0.5～1.5m空隙，空隙位置間隔布置蠻石。順壩結構圖見圖12、圖13。

圖10 三角形透水堰平面圖Fig.10 Plan of standard section of triangular permeable weir

圖11 三角形透水堰剖面圖1-1Fig.11 Cross-section map of triangular permeable weir 1-1

圖12 順壩標準段平面圖Fig.12 Plan of standard section of longitudinal dam

圖13 順壩斷面圖1-1Fig.13 Cross-section map of longitudinal dam 1-1

2.2.7 底質改善設計

根據產卵場分區設計、灘面現狀底質情況進行底質改善布置。具體布置方案見表4。

表4 底質改善布置方案Tab.4 Substrate quality improvement scheme

2.2.8 生態石籠網箱設計

生態石籠網箱結構圖見圖14、圖15，設計參數如下：

(1)網箱類型：無銹熔接網石籠；

(2)規格：1m×1m×0.5m、1m×1m×1m；

(3)網片尺寸：網孔62×100mm，面板橫筋直徑4.0mm，縱筋直徑5.0mm；

(4)無銹熔接網網片鋼絲技術參數見表5，焊接點剪斷強度≥250Mpa。

表5 網片鋼絲技術參數表Tab.5 Mesh wire technical parameters

圖14 網箱結構圖Fig.14 Cage structure diagram

2.3 應用效果分析

本工程中丁壩、三角形透水堰、順壩均采用無銹熔接網生態石籠結構，擬從工程形象、水力生境及底質、施工特點等方面評價無銹熔接網生態石籠的應用效果。

2.3.1 工程形象

工程形象主要依據工程影像資料分析，圖16～圖20為工程完工經歷汛期后的實拍圖，由圖可知：

圖15 網片詳圖Fig.15 Detail drawing of the screen

1)構筑物未發生破壞，整體工程形象完好；2)部分石籠網片輕度變形、部分石籠網箱發生輕微豎向、橫向位移，總體看來，構筑物變形程度在設計允許范圍內，不影響工程功能的發揮；3)經歷汛期之后，構筑物適應了地基變形和洪水沖擊，結構形態更加自然、穩固；4)自然灘面為礫石地基，無壤土、無水生植物生長，構筑物石籠網箱表面被苔蘚類植物覆蓋，內部卵礫石光滑潔凈，無雜質堵塞孔隙，構筑物與自然灘面景觀協調、觀感一致，工程顯現出良好的生態性；5)站在遠處，很難用肉眼發現石籠網箱本身的存在，工程很好的融入周圍環境中，無明顯的人工痕跡，不同水位下，體現出不同的美感。

圖16 工程實拍圖1Fig.16 Project real picture 1

圖17 工程實拍圖2Fig.17 Project real picture 2

圖18 工程實拍圖3Fig.18 Project real picture 3

圖19 三角形透水堰實拍圖Fig.19 Real picture of triangular permeable weir

2.3.2 施工特點

施工特點主要依據施工過程記錄進行分析，針對施工工藝、進度控制、成本控制、質量控制方面，主要有以下記錄：1)施工采取不設圍堰、不設人工降水、低水位帶水作業的施工方案，利用每日低水位時段趕潮施工；2)工程提前于原進度計劃完工；3)各分項工程質量等級評定均為優良；4)工程中石籠網箱內填充料全部利用灘面礫石，無任何外購石材，工程造價較低。

圖20 無銹熔接網網箱實拍圖Fig.20 Real picture of rust-free welding mesh box

對以上施工過程記錄進行分析可知，本工程施工具有以下特點：1)施工工藝簡單高效，適用于水位變化快、幅度大、有效作業時間短的特殊施工環境；2)施工速度快，進度易保證，質量易控制；3)與傳統結構相比，費用較低，可有效控制工程投資。

2.3.3 水力生境及底質

水力生境主要依據水文監測數據分析，底質主要依據影像資料分析。水文監測數據采用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)測量獲得，2020年12月、2021年5月兩次監測結果見表6，汛期后的河床底質實拍圖見圖2。由表6可知，實施產卵場修復工程后，設計工況下，A、B、C區的流速、水深均能夠滿足設計生境要求；由圖21、圖22可知，經歷一個汛期后，產卵場沙礫混合型底質仍維持較好級配，說明改善后的底質能夠抵御汛期洪水沖刷。以上分析結果表明，無銹熔接網生態石籠應用于產卵場修復，水力生境、底質等工程目標能夠得到有效保證。

表6 水文監測數據Tab.6 Hydrological monitoring data

圖21 產卵場底質實拍圖1Fig.21 Actual picture of spawning ground substrate 1

圖22 產卵場底質實拍圖2Fig.22 Actual picture of spawning ground substrate 2

3 結 論

本文闡述了無銹熔接網生態石籠應用于魚類產卵場修復的可行性與優勢，并對“金雅匯口魚類產卵場修復工程”的監測資料進行分析，評價無銹熔接網生態石籠的實施效果，主要結論如下：

(1)無銹熔接網生態石籠結構能夠抵御洪水沖擊和沖刷影響，自身強度、穩定性可以滿足魚類產卵場修復工程要求。

(2)無銹熔接網生態石籠結構能夠很好的適應地基變形和洪水沖擊，經歷汛期之后，構筑物形態更加自然、穩固，滿足“人工引導自然修復”的設計思路。

(3)無銹熔接網生態石籠應用于魚類產卵場修復工程，體現出良好的生態性、景觀性、經濟性，可充分發揮其施工簡單高效、質量進度容易保證的優勢。

(4)無銹熔接網生態石籠的成功應用，解決了魚類產卵場修復項目中工程材料限制的問題，為該領域研究和工程設計提供了新的思路和方向。

(5)水溫、溶解氧、濁度等水質指標也是影響魚類產卵和繁殖的重要指標，在后續的研究中，可在本文研究結論的基礎上，重點開展無銹熔接網生態石籠對水質指標的影響分析。