雷諾護墊在豐溪河整治工程中的應用

戴 霖，簡鴻福，呂 輝，楊 霞

(1.江西省水利科學院，江西 南昌 330000；2.江西省洪圖技術咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

江西省河流眾多，分布廣泛，為了保障人民的生命財產安全，保障河流航運能力等，修筑了一系列的堤防、護岸工程[1]。傳統的河道護岸工程往往側重于耐用性和安全性，選用漿砌石、澆筑混凝土等硬質材料對河岸進行加固，但這種護岸型式由于其弱透水性阻隔了水土之間的聯系，不利于生態環境的可持續發展。近年來，隨著生態理念、環境保護與可持續發展意識的提高，生態護岸由于其在滿足結構安全及穩定的同時，又能兼顧對周邊生態環境的協調，成為了現代河道治理的發展主流[2- 3]。

雷諾護墊作為生態護岸其中一種結構形式，因其結構整體性、柔韌性、抗沖性等性能優勢，在河道岸坡襯護中適用性較廣[4- 6]，應用較多，多用于受水流沖刷、風浪侵襲和水土流失嚴重的護岸、護堤工程。本文以豐溪河項家段岸坡治理工程為例，介紹了雷諾護墊在設計過程中坡腳長度、護墊厚度等相關參數的選取及計算方法，以期對類似堤防設計提供一定的參考價值。

1 雷諾護墊特性

雷諾護墊最早由意大利的馬克菲爾公司于1894年提出并在河道工程中進行應用。雷諾護墊是將符合要求的石料填充到經過特殊加工的機編的高伸張率低碳鋼絲扎成的柔性立體網籠中，使整體具有一定的孔隙率，然后綁扎蓋網，形成的石墊整體岸坡護面。雷諾護墊厚度一般為0.17～0.3m之間，長度為3～6m之間，寬度為2m，雷諾護墊網面所用材料根據不同的使用環境進行相應選擇，一般為鍍鋅絲、鍍5%～10%鋁鋅合金鋼絲、鍍高爾凡鋼絲、PE涂層鋼絲、PVC涂層鋼絲等[7]。因此，由于雷諾護墊其材料為剛性及柔性相結合，使其結構具有顯著的特點。

(1)整體性。雷諾護墊是通過網片的緊密連接形成的一種蜂巢網格的雙絞結構，單元箱網格與隔片之間、相鄰箱籠之間均使用同質材料進行綁扎，使其形成一個結構連貫、強度較高的整體，在拼裝過程中采取連續拼裝連接，避免了伸縮縫或沉降縫等施工縫施工。

(2)柔韌性。雷諾護墊中所使用的低碳鋼絲由于其柔性特征使得雷諾護墊具有很強的適應變形能力，即使在坡面土體局部沉陷或有發生小的變形影響時，結構能根據自身良好的延展性和柔韌性進行適應性微調，不像傳統剛性結構一樣產生局部破裂，并逐步擴散。

(3)抗沖性。石籠內填塊石存在一定空隙，可減小浪壓的沖擊力，并破壞風浪的真空吸力，且整體結構可在風浪力作用時進行微調。通過馬克菲爾公司通過試驗結果以及多年的工程經驗的總結，得到各種厚度雷諾護墊的經驗抗沖流速[8]，見表1，其承受水流沖刷能力較強。

(4)自透水性。網箱內填充料之間的孔隙具有天然的透水性，使其結構形成一種“可滲透性”，當降雨或其他原因導致的地下水位過高時，可以迅速降低并消散孔隙水壓力，保持土體強度，降低坡面滑動的風險。

表1 雷諾護墊系列防護與流速的關系表

注:臨界流速指鋪面保持穩定而沒有因填石發生移動的流速，極限流速指盡管由于護墊間隔中石塊的移動導致雷諾護墊部分變形而仍可接受的流速。

(5)耐久性。雷諾護墊所使用的網箱由具有高強度的鋼絲經過機械編織、組裝而成，加上優良的鍍層工藝，增加了鋼絲的抗腐蝕性，使其具有較強的耐久性能。

(6)生態環保性。結構內存在較多的填石孔隙，在與土壤長期接觸過程中會被土壤逐漸填滿，從而有利于自然植物的生長，逐步恢復原有的生態環境。結構填充料之間的縫隙可以促進水體交換的能力，同時增強水體的自凈能力。

(7)經濟性。填充材料一般為卵石和塊石，來源較豐富，便于就地取材。網箱可進行折疊運輸，施工工藝簡單，對人工及機械設備要求不高。

(8)施工便捷性。雷諾護墊施工中操作簡便，對技術工人要求不高，在有機械進行配合的情況下，能夠加快施工進度，且效果易于保證。

2 工程案例

2.1 工程概況

豐溪河是信江流域第二大支流，位于江西省東北部。主河道長117.0km，坡降1.8‰。流域面積2258.0km2。項家段位于豐溪河中游段左岸，屬廣豐區五都鎮境內。工程防護對象主要以村莊及農田為主。該段長770m，現狀岸坡頂高程為123.07～124.88m，現狀岸坡高2.7～4.0m，岸坡較陡，迎水坡坡比一般為1∶1.5～1∶1.75，為土質岸坡，現狀為簡易干砌石護坡，近年來因沖刷能力較低，存在局部堤段塊石剝落缺失、堤腳淘空等問題，給沿岸居民的生命財產安全造成了隱患。本次采用雷諾護墊生態護坡對該段進行加固整治。

2.2 設計計算

雷諾護墊結構設計主要考慮護墊坡腳長度、填石粒徑及護墊厚度等影響因素[9]。

2.2.1護墊坡腳長度計算

護墊坡腳長度可根據坡腳最大沖刷深度及護墊抗滑穩定性進行綜合確定[10]。

(1)坡腳沖刷深度計算

根據CECS 353—2013《生態格網結構技術規程》[11]，護坡坡腳采用護墊時，其防護范圍應向河床中延伸1.5～2.0倍的最大沖刷深度，因此，坡腳水平段的鋪設長度L與最大沖刷深度ΔhB的關系如下:

L≥(15～20)ΔhB

(1)

根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[12]，結合本河段地形特征，采用水流平行于防護工程產生的沖刷深度計算公式：

(2)

式中，ΔhB—局部沖刷深度，m；hP—沖刷處沖刷前的水深，m；VCP—平均流速，m/s；V允—河床面上允許不沖流速，m/s；n—取值與防護岸坡在平面上的形狀有關，可取n=1/4。

根據(2)式，計算出該河段局部最大沖刷深度ΔhB為0.60m，由(1)式得到坡腳水平段的鋪設長度L最小為0.9～1.2m。

(2)護墊抗滑穩定性復核

根據靜力平衡條件，對雷諾護墊進行受力分析，需滿足在自重的坡向分力下不會產生滑動，如圖1所示，即坡面抗滑穩定系數Fs≥1.5。如下式：

(3)

式中，L1、L2—坡面及坡腳護墊長度，m；α—岸坡與水平面的夾角，(°)；fcs—護墊與坡面土間的摩擦系數，fcs=tanφ，φ—坡內土體內摩擦角，當雷諾護墊下設土工布時，摩擦系數建議減小20%。

圖1 雷諾護墊抗滑穩定分析示意圖

根據(3)式，計算所需護墊坡腳長度L2為5m。

綜和上述兩種計算方法，選用坡腳長度計算較大值作為護腳的長度。但根據實際情況，若坡腳長度為5m時，會相應增加施工難度，如施工面及圍堰填筑均需向河道中心偏移；且對于其它固腳形式而言，投資較大，因此本次采用1.0m×1.0m格賓石籠固腳設計。

2.2.2雷諾護墊的厚度計算

(1)對于工程初步設計，可根據表1對雷諾護墊的厚度進行初選。

(2)雷諾護墊的厚度可參照《生態格網結構技術規程》中方法計算，該方法可適用于緩流河段(河道坡降一般小于2%)，且計算護墊厚度在150至500mm范圍內。公式如下所示：

T=20Dm

(4)

(5)

Cv=1.283-0.21lg(R/b)

(6)

式中，T—護墊的最小厚度；Dm—護墊中填石的平均粒徑；So—安全系數，最小取1.1；Cs—填石的穩定系數，一般取0.1(適用于有棱角填石，且最大與最小填石尺寸比例應在1.5至2.0之間)；Cv—流速分布系數；d—流速V處的局部水深度，m；rw、rs—水及填石的重度，kN/m3；V—斷面平均流速，m/s；g—重力加速度，9.81m/s2；K1—邊坡修正因子，坡度1∶1、1∶1.15、1∶2、1∶3分別取0.46、0.71、0.88、0.98，坡度1∶4以上取1.0；R—水力半徑，m；b—水面寬度，m。

根據(5)式，計算出該河段雷諾護墊填石的平均粒徑Dm為0.095m，再由(4)式則得到護墊最小厚度T為0.19m，結合雷諾護墊常規的生產規格，確定本次選用0.23m厚雷諾護墊。

2.3 典型斷面設計

根據上述設計計算，結合該段地形條件，最終確定本次治理方案為：采用格賓石籠固腳，固腳以上采用雷諾護墊厚度0.23m，邊坡1∶2.0，護墊下設置聚酯長纖無紡布。典型斷面設計如圖2所示。

圖2 豐溪河項家段典型斷面設計圖

3 結語

(1)雷諾護墊因其結構特點，在滿足傳統護坡安全性的同時，更具生態環保的優勢，在河道岸坡整治中的應用更加廣泛。

(2)本文以實際工程為案例，介紹了在雷諾護墊設計中，對護墊坡腳長度、填石粒徑及護墊厚度等問題的具體計算方法，可以為今后采用雷諾護墊這一生態護岸結構形式的相關工程提供了一定的參考依據。