石笼网技术在梯田建设中的应用

陈新军 ,邓海瑜 ,苗德志 ,李印儒,丁明波

(1.临沂市水利局，山东 临沂 276001； 2.沂水县水土保持局，山东 沂水 276400；3.费县水土保持局，山东 费县 273400； 4.莒南县相沟镇水利服务中心，山东 莒南 276600)

石笼网技术在梯田建设中的应用

陈新军1,邓海瑜2,苗德志2,李印儒3,丁明波4

(1.临沂市水利局，山东 临沂 276001； 2.沂水县水土保持局，山东 沂水 276400；3.费县水土保持局，山东 费县 273400； 4.莒南县相沟镇水利服务中心，山东 莒南 276600)

坡改梯； 石笼网； 田坎

结合沂水县坡耕地治理工程实践，介绍了石笼网技术在梯田建设中的应用，以及田坎断面设计、工程量计算和施工组织等。从石笼网的整体性、柔韧性、透水性等特点分析了田坎的稳定性和寿命，并就田坎占地、工程投资等方面与石坎梯田、土坎梯田进行了对比分析。相比于石坎梯田，石笼网梯田能就地取材，利用田间粒径较小的砾石作为材料，节省了投资成本；相对于土坎梯田，石笼网梯田稳定性好，寿命长，田坎占地较少。在工程建设实践中，在小块砾石比较多的地方，利用石笼网技术修建梯田，能有效节省投资、延长工程使用寿命、减少田坎占地。

梯田是在山丘坡地上沿等高线方向修筑的条状台阶式或波浪式断面的田地，是治理坡耕地水土流失的有效措施。梯田的通风透光条件较好，有利于作物生长和营养物质的积累，蓄水、保土、增产作用十分显著。梯田按修建田坎材料不同可分为土坎梯田、石坎梯田等。石坎梯田和土坎梯田是我国比较常见的两种梯田修筑方式。土坎梯田投资小，易于整理，为了稳定性需要，田坎占地面积一般较大，且易损毁、寿命短。石坎梯田占地面积小且稳定，但投资较高，尤其是在石料短缺地区。随着技术的发展，对新的田坎修筑方式的尝试一直没有中断。在贵州省思南县，部分坡改梯采用了混凝土框格护坡[1]；在山东省平邑县采用了植草砖护坡[2]。所有这些虽在一定程度上增加了土坎梯田的使用寿命，但都没有解决田坎占地问题，且基础难处理，经过一年沉降后容易坍塌，最终在农田留下大量的人工预制构件，影响农业生产。

“石笼网”是将抗腐蚀、耐磨损、高强度的低碳高镀锌钢丝或铝锌合金涂层钢丝编织成绞合状、六边形网目的网片，再根据工程设计要求由专用设备裁剪制作而成的不同规格的网制品。网制品运输到施工现场后，按设计要求和施工规范连接组装成箱笼，并装入块石等填充物，使之成为有规则和一定质量的集合砌体，在工程中用作挡墙、护坡、护底、护脚、水下抛石等[3]。山东省沂水县在2013年坡耕地治理中，借鉴河道护岸的石笼网技术，对坡耕地田坎修筑方式进行了新的尝试。

1 项目区概况

山东省沂水县坡耕地治理项目峙山项目区涉及院东头镇、许家湖镇两个乡镇共6个行政村。多年平均降水量765.1 mm，汛期(6—9月)降水集中，占全年总降水量的75%左右。土地总面积1 575 hm2，其中：<5°土地面积为422.42 hm2，占26.82%；5°～15°土地面积为975.08 hm2，占61.91 %；15°～25°土地面积为115.13 hm2，占7.31%；25°以上土地面积为62.37 hm2，占3.96%。耕地1 151.12 hm2，占土地总面积的73.1%，人均耕地0.14 hm2。该区坡耕地面积612.17 hm2，占总耕地面积的53.18%，人均耕地少，土壤瘠薄，土地生产力低。项目区地面坡度不大，但坡长较长，水土流失面积1 008 hm2，占项目区总面积的64%，平均土壤侵蚀模数3 200 t/(km2·a)。

项目区内多直径5～30 cm不规则块状砾石，周围无石料来源，土壤以火成岩母质的棕壤土为主，土壤颗粒大，质地粗，黏粒含量低。

2 工程设计及施工组织

防御暴雨标准按10年一遇3～6 h最大暴雨标准进行设计。石笼网梯田与石坎梯田利用材料不同，但作用与受力一致，故采用断面一致，田坎断面形式见图1。坎外坡坡度α=79°，内侧接近垂直，顶宽d=0.3 m，坎顶高出田面0.2 m。

2.1 梯田断面设计

田面外高内低，内侧设排水沟，梯田断面设计结合土层厚度，修平后内侧活土层厚度大于0.3 m，田面宽度与田坎高度计算公式为

B=2(T-h)cotθ

H=B/(cotθ-cotα)

式中：H为田坎高度，m；B为田面宽度，m；θ为地面坡度，(°) ；α为田坎坡度，(°)；T为原坡地土层厚度，m；h为修平后挖方处后缘保留的土层厚度，m。

图1 石笼网梯田断面

2.2 田坎基础处理

为保持田坎稳定，对田坎进行基础处理，开挖基槽，基槽深度h0=0.2 m，基槽宽度为田坎底宽。各参数计算方法为

S0=(d+Hcotα)h0

V0=S0L

L=10 000/B

式中：S0为基槽断面面积，m2；d为田坎顶宽，m；H为田坎高度，m；B为田面宽度，m；α为田坎坡度，(°)；h0为基槽深度，m；L为每公顷田面长度，m；V0为每公顷基槽开挖体积，m3。

2.3 梯田工程量计算

从保持田坎稳定性考虑，总的原则是田坎越高，侧坡越缓，设计中确定田坎侧坡时，考虑的因素还有地质条件、土层厚度等，并扣除田坎占地。

每公顷田面平整土方开挖量(m3)：V土=1 250H

田坎断面面积(m2)：S=(d+d+Hcotα)H/2

每公顷田坎需碎石方量(m3)：V2=SL

根据以上公式，不同自然坡度坡耕地修建石笼网梯田断面尺寸及工程量见表1。

2.4 梯田施工

石笼网梯田施工包括定线、清基、削填田面及捡拾碎石、石笼安装及碎石填充、坎后填膛修平田面等五道工序。

2.4.1 梯田定线

确定埂线。在规划划定的梯田区的坡面，在其正中(距左右两端大致相等)从上到下划一竖直中轴线。根据梯田断面设计的原坡面斜宽B′(B′=H/sinθ，见图1)，在中轴线上划出各台梯田的B′基点。从各台梯田的B′基点出发，用手水准仪向左右两端分别测定其等高点；连各等高点成线，即为各台梯田埂线。

确定挖填分界线。当梯田区各台梯田规则、坡面顺直、坡面变化不大时，以各台梯田施工线的中心线为挖填分界线；当地形复杂时，应进行测量，并通过土方平衡计算，确定每一台面上的挖填分界线和不同部位的开挖深度。

表1 石笼网梯田断面尺寸及工程量

2.4.2 田坎清基

以各台梯田的施工线为中心，上下各划出50～60cm宽作为清基线；在清基线范围内清除表土，留出基槽深度20cm，清除石砾等杂物，整平夯实。

2.4.3 削高填洼及捡拾碎石

主要目的是通过初步翻平获取填充碎石。先用机械把表层土剥离堆放，根据田面宽度和培埂情况，下挖上填和上挖下填两种方法相结合。在田坎线上下各1.5m范围，采用下挖上填法，从田坎下方取土，填到田坎上方；其余田面采取上挖下填法，从田面中心线以上取土，填到中心线以下，这样可提高工效。捡拾在挖填田面过程中得到的碎石并集中堆放到田坎附近，作为石笼网填充料。

2.4.4 安装石笼网及填充碎石

间隔网与网身呈90°相交，经绑扎形成长方形或砌体断面网箱。相邻网箱组的上下四角连接，相邻网箱组的上下框线或折线，每间隔20cm绑扎一道；相邻网箱组的网片结合面绑扎2处/m2；在有下层网箱组的情况下，绑扎上层网箱组间相邻边的底部框线时，必须将下方网箱组面层框线或网片绑扎在一起，以求连成一体；裸露部位的网片，应在每次箱内填石1/3高时设置拉筋线，呈八字形向内拉紧固定。

网箱内填充石料前，在网箱前后面绑扎竹竿或木棒等加固网箱，以保证网箱裸露面的平整度，待填充石料施工结束后拆除竹竿或木棒。控制每层投料厚度在30cm左右，一般1m高网箱分四层投料，同时均匀地向同层的各箱格内投料。填充石料要大块石头放在下面和外面，并用小碎石填塞空隙，采取妥当的捣实措施，确保箱体填充料的密实度，填充石料容重应≥1.70t/m3。不要将单格网箱一次性投满，且填充石料顶面宜适当高出网箱上部框线。裸露的填充石料表面，人工砌垒整平，石料间应相互搭接。

2.4.5 坎后填膛，修平田面

将填充石笼网剩余的砾石块捡起，分层堆放在石笼网箱后，形成一个三角形断面，对箱体起支撑作用。堆放砾石块的顺序是：从下向上先堆大块后堆小块，然后填土进行田面平整，将表土回覆。通过坎后填膛，要求平整后的田面30～50cm深以内没有砾石块。

3 石笼网梯田分析

3.1 投资分析

本项目区特殊的火成岩地质结构，导致土层薄，土壤中夹杂5～30cm大小的碎砾石较多，但无法作为石坎梯田石料。如修建石坎梯田，石料要从5km外的石灰岩采石场购买。如果砾石较少，整平田面时，直接把田面翻出的碎砾石作为田面垫层，不考虑人工捡拾；如果砾石较多，田面整平时，需要把碎砾石人工拣出，并运到采石场的弃渣场，因此会增加砾石的捡拾和运输费用。不考虑砾石的捡拾和运输费用时，石坎梯田修筑包括整平田面、田坎垒砌、田坎水泥沙浆压顶、横向排水等4个部分。石笼网梯田是人工现场组装石笼，石笼网孔规格6cm×8cm，将田面拣出的碎石装入石笼网，田面捡拾的碎石数量能满足田坎需要。用小粒径砾石填膛，上面覆土。因此，石笼网梯田修筑投资包括田面整平、人工捡碎石、田坎垒砌、横向排水等4个部分。鉴于石坎梯田与石笼网梯田断面一致，田面整平、横向排水投资一致，因此只比较石坎梯田田坎垒砌、压顶投资与石笼网梯田田坎垒砌、人工捡碎石投资。不同坡度石坎梯田与石笼网梯田投入情况见表2，表中碎石运输费用系根据有关定额计算而来，供参考。

表2 石坎、石笼网梯田投资分析

从表2可以看出，自然坡度7°的坡耕地修建梯田，选用石坎梯田，每公顷田坎垒砌需要7.57万元(含购石料费用)，水泥沙浆压顶需要0.12万元，合计需要7.69万元；石笼网梯田人工捡拾碎石需要1.79万元，田坎垒砌需要4.52万元，合计需要6.31万元。可见，不考虑田面内碎石清理，原地面坡度 7°时修1hm2石坎梯田比石笼网梯田多花1.38万元，若把田中碎石捡出后运出场地，石坎梯田还需增加费用1.79万元。从表中可以看出，随着坡耕地坡度的增加，石坎梯田与石笼网梯田投入差异进一步扩大。 石笼网田坎由箱笼加上填充物构成，填充物可以就地取材，通过废弃物利用节省费用。箱笼对地基处理要求较其他结构低，因而在土质、基础较差的地段，也可以大大节约地基处理费用，并且养护简单，工程施工速度快，建设造价明显低于石坎梯田。即使在石砾填充物不足的情况下，也可购买部分价格相对较低的石块作为补充，投资仍然低于纯石坎梯田。在使用周期上，特殊的结构及材质使得石笼网田坎使用寿命可达50年，超过了石坎梯田的使用寿命。

3.2 生态分析

石笼网的网箱和乱石堆砌的护垫结构具有透水性，并且对泥沙有过滤作用，水流中的泥土得以沉淀于填石石缝中，这不但有利于护垫结构与梯田基岩的结合，而且有利于草被植物在缝隙中生长，与土坎梯田一样，实现了田坎与田面土体之间的自然对流交换功能[4]，田坎顶部可以种植地边植物，植物根系可以在碎石缝隙中延伸，增添了景观绿化效果，实现了工程措施和植物措施相结合，水土保持工程和自然生态环境的协调统一。相对于土坎梯田，农民在耕作时无法利用田坎种植，从而有利于保持田坎的稳定。

3.3 稳定耐用分析

石笼网单根网丝拉断时的应力可达3 500～4 000kg，网箱结构抗压强度达300～400t/m2，抗拉强度达到495N/m2以上，即使单根钢丝断裂，箱笼整体结构也不会造成破坏，稳定性好。在整体性上，石笼网抗氧化作用强，抗腐耐磨，抗老化，使用年限长。箱笼及组成箱笼的网片之间用同质材料绑扎连接，整体体积可调控且稳定性强。在柔韧性上，石笼网结构(填满石块后)受压达到极限强度时能承受相当大的变形，在田坎地基有不均匀沉陷或墙后垫层有小的变形时，石笼网结构能进行自身适应性的微调，达到新的平衡，整体结构不会遭到破坏。在透水性上，石笼网网箱内填充物中存在空隙，梯田田面集水一旦渗入墙后垫层，则可以通过网箱较快地排到下一田面横向排水沟，从而减少墙后的水压力，有利于田坎稳定。综上所述，石笼网的整体性、柔韧性、透水性保证了田坎的稳定。当地基发生变化，如发生不均匀沉降、地震等时，箱内填充料受箱笼的约束不会跑到箱笼外，而会自行调整形成新的平衡；又因箱笼系柔性结构，因此防护工程表面可能会发生小的变异，但不会发生裂缝、网箱被拉断从而造成防护体被破坏的现象。

3.4 田坎占地分析

土坎梯田田坎为保持坡脚稳定，占地较多，会导致坡改梯后耕地面积减少，农户为扩大种植面积，在田坎耕作种植农作物，导致田坎逐渐摊平，回到坡耕地状态[5]。从表3可看出，设计相同高度和田面宽度的梯田，石笼网梯田田坎占地要比土坎梯田田坎占地少，随着坡面坡度增加，这种差异更加明显。

表3 梯田田坎占地分析

4 结论及建议

石笼网技术应用到梯田田坎建设中，工程设计与施工类同石坎梯田。石笼网的整体性、柔韧性、透水性等特点，有利于石笼网梯田田坎的稳定。相对于石坎梯田，石笼网梯田能就地取材，利用田间粒径较小的砾石作为材料，节省了投资成本；相对于土坎梯田，石笼网梯田稳定性好、寿命长、田坎占地较少，同时具备土坎梯田田坎能绿化的特性。在工程建设实践中，在砾石比较多的地方，利用石笼网技术修建梯田，能有效地节省投资，延长梯田寿命，减少田坎占地。

[1] 王朝军.混凝土框格护坡坡改梯工程设计初探[J].中国水土保持，2015(10)：23-24.

[2] 陈新军，张德国，公衍涛.蒙阴县水土保持生态文明建设的主要做法[J].中国水土保持，2012(11)：64-66.

[3] 李晓刚，覃建华，何强，等. 深圳市大沙河上游段河岸生态治理实践[J].中国水土保持，2015(10)：39-40.

[4] 陈新军，田里，张望林. 基于“生态系统控制论”原理的小流域综合治理对策研究[J].中国水土保持，2010(5)：58-60.

[5] 陈新军，刘青松，王明利，等. 沂蒙山区土坎梯田田坎防护补偿评价体系研究[J].中国水土保持，2013(1)：19-21.

(责任编辑 张培虎)

S157

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1000-0941(2017)06-0009-04

陈新军(1978—)，男，山东济宁市人，高级工程师，硕士，从事水土保持规划及小流域治理工作。

2016-10-10