雷諾護(hù)墊技術(shù)在河道護(hù)坡工程中的應(yīng)用及其生態(tài)意義

劉 瓊 張晨曦

（長沙理工大學(xué)河海學(xué)院 長沙市 410076）

天然河道水流流速較大，流態(tài)較為復(fù)雜，行船引起大浪以及河道邊坡地質(zhì)情況差異等，河道防護(hù)工程一直是護(hù)岸工程的棘手問題。傳統(tǒng)的水下拋石護(hù)根、干砌石、漿砌石和混凝土預(yù)制塊護(hù)坡等剛性護(hù)砌方法，對基床土壤不均勻沉陷適應(yīng)性差，而且阻斷水循環(huán)，隔絕生態(tài)，對環(huán)境造成了破壞。

國外在生態(tài)護(hù)坡方面的研究比我國早。日本最早提出“親水”觀念，并在生態(tài)護(hù)坡技術(shù)方面進(jìn)行了實(shí)踐，推出了植被型生態(tài)混凝土護(hù)坡技術(shù)；法國要求城市河道建設(shè)時地面工程盡量建成透水的草地，城市較低的地區(qū)或河道兩岸灘地，開辟成公園、綠地球場、道路等，平時作為交通、公共娛樂場所，當(dāng)洪水位較高時作為臨時調(diào)蓄洪水設(shè)施；德國萊茵河的堤防工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)和治理緊密結(jié)合。為不影響城市景觀，城市附近的堤防采用了活動式堤防。平時河邊沒有堤防，人們可以盡情地與河水接觸，增加人們的親水性。當(dāng)預(yù)報有洪水時，及時安裝活動式堤防。我國生態(tài)護(hù)坡技術(shù)近年也有長足發(fā)展，應(yīng)用植被草、水力噴播植草技術(shù)、土工材料綠化網(wǎng)、植被型生態(tài)混凝土、水泥生態(tài)種植基、土壤固化劑等形式多樣的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，形成了水與綠結(jié)合的濱水環(huán)境[1～2]。

雷諾護(hù)墊作為一種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，是人們對水環(huán)境要求越來越高、追求與自然和諧相處的背景下逐步發(fā)展起來的。這一技術(shù)在1894年最先由馬克菲爾公司開發(fā)并在意大利雷諾河的河道整治工程中應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)具有整體性、柔性、經(jīng)濟(jì)性及施工便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)理論研究與設(shè)計方法亦已日趨成熟。主要應(yīng)用于堤坡、岸坡坡面防沖刷護(hù)砌和河（渠）床底、坡腳等淘刷防護(hù)。本文通過闡述雷諾護(hù)墊的技術(shù)原理和在水利工程中的實(shí)際應(yīng)用，歸納其應(yīng)用價值，論述其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

1 護(hù)坡雷諾護(hù)墊的技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

雷諾護(hù)墊（RENOMATRESS）是以經(jīng)鍍覆表面防腐處理的低碳鋼絲，采用六邊形雙絞合工藝，用機(jī)器編織而成的鋼絲網(wǎng)面制成的墊狀工程防護(hù)構(gòu)件（附圖）。墊中填以合乎要求的石塊，共同構(gòu)成岸坡護(hù)砌結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)具有整體性、柔性、經(jīng)濟(jì)性及施工便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于堤坡、岸坡坡面防沖刷護(hù)砌和河（渠）床底、坡腳等淘刷防護(hù)[3～4]。

附圖 雷諾護(hù)墊（RENOMATTRESS）的結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

高強(qiáng)度、高柔韌性、抗腐蝕性、整體性、優(yōu)良的壓載性能、良好的透水性和促淤性、施工便捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

2 采用雷諾護(hù)墊技術(shù)進(jìn)行護(hù)坡的應(yīng)用案例

2.1 工程概況

合豐垸瀏陽河大堤防洪綜合整治二期工程主要項目為兩段堤防整治，即上游段為從眠羊山渡口沿瀏陽河左岸合豐垸老堤防至湘府東路1.41km，下游段為從勞動?xùn)|路開始沿瀏陽河左岸合豐垸老堤防至花橋圭塘河口5.92 km，分別與已建或在建堤防相接，全長7.34km。工程方案為：按防洪標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范進(jìn)行大堤的加高、加固、培厚，堤基防滲，外坡防護(hù)處理，并進(jìn)行綠化、美化，同時，改造穿堤建筑物和建設(shè)配套設(shè)施。

2.2 護(hù)岸工程護(hù)坡型式

設(shè)計枯水位以上的護(hù)岸工程，主要防御風(fēng)浪和水流沖刷岸坡，一般有漿砌塊石護(hù)坡、混凝土預(yù)制塊護(hù)坡和草皮護(hù)坡等形式。合豐垸瀏陽河大堤外平臺以下至腳槽，對部分堤段設(shè)計采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡，對外河護(hù)坡采用優(yōu)凝舒布洛克護(hù)墊護(hù)坡。外坡在外平臺以下5.0m高程設(shè)混凝土腳槽，腳槽設(shè)800mm×800mm混凝土結(jié)構(gòu)，腳槽以下采用拋石護(hù)腳，頂寬2.0m，外坡1∶2。

2.3 護(hù)坡工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）雷諾護(hù)墊厚度計算。

根據(jù)K.W.Pilarczyk的《護(hù)岸的設(shè)計》，壩體的裹護(hù)體的所需厚度在水的流速可知的情況下，可以采用下式進(jìn)行計算：

式中 △——裹護(hù)體的相對密度；

D——雷諾護(hù)墊的厚度(m)；

ucr——平均流速；

Φ——穩(wěn)定參數(shù)，對于雷諾護(hù)墊取為0.75；

C*——臨界防護(hù)參數(shù)，對于雷諾護(hù)墊取為0.07；

KT——紊流系數(shù)，取1.0；

Kh——深度系數(shù)，取1.0；

KS——邊坡系數(shù)，，

θ——丁壩護(hù)坡的坡腳，當(dāng)邊坡為1∶2時為26.6°；

Φ——雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角，采用41°。

根據(jù)式（1），當(dāng)水流流速為3m/s時，如果采用雷諾護(hù)墊，厚度達(dá)到0.239m即可。依照雷諾護(hù)墊的規(guī)格，選用0.30m厚的雷諾護(hù)墊。

（2）雷諾護(hù)墊的穩(wěn)定計算。

穩(wěn)定計算包括：雷諾護(hù)墊的抗漂浮校核、雷諾護(hù)墊抗邊緣掀動校核、雷諾護(hù)墊抗順坡下滑校核。

① 雷諾護(hù)墊的抗漂浮校核：堤防出險往往是在風(fēng)雨交加的惡劣天氣條件下發(fā)生的，因此，先要進(jìn)行風(fēng)浪作用下的穩(wěn)定性計算。根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（SL/T225-98），按照連鎖壓載考慮，要求的穩(wěn)定系數(shù)SN＜5.7：

式中 H——浪高，取（1.1～1.5）m；

δm——雷諾護(hù)墊厚度，取0.3m；

γ′γ——雷諾護(hù)墊的浮相對容重；

γα、γω——雷諾護(hù)墊容重與水容重，取22kN/m3和10kN/m3；

求得：SN=4.167，滿足要求。

② 雷諾護(hù)墊抗邊緣掀動校核：根據(jù)SL/T225-98規(guī)定，當(dāng)水下流速不大于按下式算得的臨界流速Vcr時，則雷諾護(hù)墊是穩(wěn)定的。

式中 θ——系數(shù)，按規(guī)范要求取1.4；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

求得：Vcr=2.63m/s，作用于河底的水流流速一般在（0.8～1.5）m/s之間，滿足要求。

③ 雷諾護(hù)墊抗順坡下滑校核：雷諾護(hù)墊的抗順坡下滑穩(wěn)定性計算考慮極限狀態(tài)，即設(shè)計沖刷深度在15.0m的情況。

護(hù)面穩(wěn)定性的極限狀態(tài)發(fā)生在石塊將要移動的臨界點(diǎn)，此時如果護(hù)坡上產(chǎn)生的剪應(yīng)力小于臨界剪應(yīng)力，則護(hù)坡為穩(wěn)定狀態(tài)。即：τm≤τs

式中 τm——作用于坡面的剪應(yīng)力；

τs——臨界狀態(tài)下坡面上的允許剪應(yīng)力。

其中：

臨界狀態(tài)下坡面上允許剪應(yīng)力的表達(dá)式為：

式中 KS——坡度參數(shù)；

θ——護(hù)坡的坡度，當(dāng)邊坡為1∶2時為26.56°；

Φ——雷諾護(hù)墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角，采用41°。

計算表明，在最大沖刷水深的條件下，坡面上的剪應(yīng)力τm=0.0259kN/m2小于采用雷諾護(hù)墊時的允許剪應(yīng)力τs=0.0768kN/m2，雷諾護(hù)墊護(hù)坡是穩(wěn)定的。

2.4 應(yīng)用效果評價

（1）雷諾護(hù)墊施工完畢即可投入使用，避免了水泥圬工結(jié)構(gòu)需要一定時期養(yǎng)護(hù)，結(jié)構(gòu)發(fā)揮效益需延時的問題。

（2）雷諾護(hù)墊作為整體性和柔軟性良好的結(jié)構(gòu)，較好的適應(yīng)了基床土壤的局部沉降，并且通過內(nèi)部的小變形可釋放結(jié)構(gòu)內(nèi)的集中應(yīng)力，不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷。避免采用剛性砌體結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不均勻沉降開裂、破壞點(diǎn)易迅速擴(kuò)散的問題。

（3）雷諾護(hù)墊是一種生態(tài)性、透水性防護(hù)，保護(hù)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的原生性，利于環(huán)境的自然平衡。而剛性封閉式護(hù)砌，會硬性阻隔水與周邊地下水自然交換，切斷水中微生物遷徙途徑與破壞這些自然生態(tài)的敷衍生息的環(huán)境。

（4）該工程采用雷諾護(hù)墊技術(shù)，較傳統(tǒng)的漿砌石或混凝土預(yù)制塊方案，經(jīng)粗略估算，工程造價節(jié)省了12%～20%。

3 護(hù)坡雷諾護(hù)墊技術(shù)的生態(tài)意義

（1）對于沖崩岸嚴(yán)重的岸坡護(hù)砌，傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)。

雷諾護(hù)墊護(hù)砌具有柔性結(jié)構(gòu)特征，可自適應(yīng)被護(hù)砌岸坡基床土壤的局部變形；其鋼絲經(jīng)防腐處理，具有很好的耐久性能；施工便捷、價格較低廉；結(jié)構(gòu)本身可自然生長植物，美化環(huán)境。

（2）雷諾護(hù)墊技術(shù)避免使自然河流出現(xiàn)渠道化和非連續(xù)化的態(tài)勢，不會攔截天然徑流、可調(diào)節(jié)地表徑流、土壤水分與河水可以交換[5]。

對于生物群落至關(guān)重要的營養(yǎng)物質(zhì)可保持輸移的連續(xù)性，隨著自然水文周期的豐枯變化以及洪水漫溢，進(jìn)行交換、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化、積累和釋放。沿河的水生與陸生生物隨之生存繁衍，能夠調(diào)動自然生態(tài)因子，與環(huán)境高度親和[6]。幫助和促進(jìn)原生植物生長，這些植物的根系反過來又起到穩(wěn)固岸坡的作用，若干年后甚至達(dá)到基本取代防護(hù)結(jié)構(gòu)，成為自然平衡的主導(dǎo)因素。在國外，那些建成數(shù)十年、上百年的雷諾護(hù)墊護(hù)砌工程，很多已達(dá)到了這樣的效果。因此，雷諾護(hù)墊技術(shù)與環(huán)境高度融合，生態(tài)效果良好，值得推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 語

水利工程與環(huán)境的融合，越來越受到關(guān)注和重視。生態(tài)護(hù)坡是融現(xiàn)代水利工程學(xué)、生物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、美學(xué)等學(xué)科于一體的水利工程，有助于生物多樣性，河流水質(zhì)的改善，以及提供給人們一個見水、近水、親水的美好環(huán)境，重現(xiàn)大自然的勃勃生機(jī)。因此，生態(tài)護(hù)坡是現(xiàn)代河流治理的發(fā)展趨勢，是水利建設(shè)發(fā)展到一種相對高級形態(tài)的必然結(jié)果[7]。雷諾護(hù)墊技術(shù)具有良好的性能，在水利護(hù)坡、水堰、丁壩、護(hù)岸、防波堤、渠道等工程中必將得到廣泛的應(yīng)用[8～9]。

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