雷諾護(hù)墊在豐溪河整治工程中的應(yīng)用

戴 霖，簡鴻福，呂 輝，楊 霞

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330000；2.江西省洪圖技術(shù)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(cái)產(chǎn)安全，保障河流航運(yùn)能力等，修筑了一系列的堤防、護(hù)岸工程[1]。傳統(tǒng)的河道護(hù)岸工程往往側(cè)重于耐用性和安全性，選用漿砌石、澆筑混凝土等硬質(zhì)材料對河岸進(jìn)行加固，但這種護(hù)岸型式由于其弱透水性阻隔了水土之間的聯(lián)系，不利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。近年來，隨著生態(tài)理念、環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展意識的提高，生態(tài)護(hù)岸由于其在滿足結(jié)構(gòu)安全及穩(wěn)定的同時，又能兼顧對周邊生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)，成為了現(xiàn)代河道治理的發(fā)展主流[2- 3]。

雷諾護(hù)墊作為生態(tài)護(hù)岸其中一種結(jié)構(gòu)形式，因其結(jié)構(gòu)整體性、柔韌性、抗沖性等性能優(yōu)勢，在河道岸坡襯護(hù)中適用性較廣[4- 6]，應(yīng)用較多，多用于受水流沖刷、風(fēng)浪侵襲和水土流失嚴(yán)重的護(hù)岸、護(hù)堤工程。本文以豐溪河項(xiàng)家段岸坡治理工程為例，介紹了雷諾護(hù)墊在設(shè)計(jì)過程中坡腳長度、護(hù)墊厚度等相關(guān)參數(shù)的選取及計(jì)算方法，以期對類似堤防設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

1 雷諾護(hù)墊特性

雷諾護(hù)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(jìn)行應(yīng)用。雷諾護(hù)墊是將符合要求的石料填充到經(jīng)過特殊加工的機(jī)編的高伸張率低碳鋼絲扎成的柔性立體網(wǎng)籠中，使整體具有一定的孔隙率，然后綁扎蓋網(wǎng)，形成的石墊整體岸坡護(hù)面。雷諾護(hù)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(hù)墊網(wǎng)面所用材料根據(jù)不同的使用環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)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(hù)墊其材料為剛性及柔性相結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)具有顯著的特點(diǎn)。

(1)整體性。雷諾護(hù)墊是通過網(wǎng)片的緊密連接形成的一種蜂巢網(wǎng)格的雙絞結(jié)構(gòu)，單元箱網(wǎng)格與隔片之間、相鄰箱籠之間均使用同質(zhì)材料進(jìn)行綁扎，使其形成一個結(jié)構(gòu)連貫、強(qiáng)度較高的整體，在拼裝過程中采取連續(xù)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(hù)墊中所使用的低碳鋼絲由于其柔性特征使得雷諾護(hù)墊具有很強(qiáng)的適應(yīng)變形能力，即使在坡面土體局部沉陷或有發(fā)生小的變形影響時，結(jié)構(gòu)能根據(jù)自身良好的延展性和柔韌性進(jìn)行適應(yīng)性微調(diào)，不像傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)一樣產(chǎn)生局部破裂，并逐步擴(kuò)散。

(3)抗沖性。石籠內(nèi)填塊石存在一定空隙，可減小浪壓的沖擊力，并破壞風(fēng)浪的真空吸力，且整體結(jié)構(gòu)可在風(fēng)浪力作用時進(jìn)行微調(diào)。通過馬克菲爾公司通過試驗(yàn)結(jié)果以及多年的工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，得到各種厚度雷諾護(hù)墊的經(jīng)驗(yàn)抗沖流速[8]，見表1，其承受水流沖刷能力較強(qiáng)。

(4)自透水性。網(wǎng)箱內(nèi)填充料之間的孔隙具有天然的透水性，使其結(jié)構(gòu)形成一種“可滲透性”，當(dāng)降雨或其他原因?qū)е碌牡叵滤贿^高時，可以迅速降低并消散孔隙水壓力，保持土體強(qiáng)度，降低坡面滑動的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 雷諾護(hù)墊系列防護(hù)與流速的關(guān)系表

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

(5)耐久性。雷諾護(hù)墊所使用的網(wǎng)箱由具有高強(qiáng)度的鋼絲經(jīng)過機(jī)械編織、組裝而成，加上優(yōu)良的鍍層工藝，增加了鋼絲的抗腐蝕性，使其具有較強(qiáng)的耐久性能。

(6)生態(tài)環(huán)保性。結(jié)構(gòu)內(nèi)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(fù)原有的生態(tài)環(huán)境。結(jié)構(gòu)填充料之間的縫隙可以促進(jìn)水體交換的能力，同時增強(qiáng)水體的自凈能力。

(7)經(jīng)濟(jì)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(wǎng)箱可進(jìn)行折疊運(yùn)輸，施工工藝簡單，對人工及機(jī)械設(shè)備要求不高。

(8)施工便捷性。雷諾護(hù)墊施工中操作簡便，對技術(shù)工人要求不高，在有機(jī)械進(jìn)行配合的情況下，能夠加快施工進(jìn)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(xiàng)家段位于豐溪河中游段左岸，屬廣豐區(qū)五都鎮(zhèn)境內(nèi)。工程防護(hù)對象主要以村莊及農(nóng)田為主。該段長770m，現(xiàn)狀岸坡頂高程為123.07～124.88m，現(xiàn)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(zhì)岸坡，現(xiàn)狀為簡易干砌石護(hù)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(cái)產(chǎn)安全造成了隱患。本次采用雷諾護(hù)墊生態(tài)護(hù)坡對該段進(jìn)行加固整治。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮護(hù)墊坡腳長度、填石粒徑及護(hù)墊厚度等影響因素[9]。

2.2.1護(hù)墊坡腳長度計(jì)算

護(hù)墊坡腳長度可根據(jù)坡腳最大沖刷深度及護(hù)墊抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行綜合確定[10]。

(1)坡腳沖刷深度計(jì)算

根據(jù)CECS 353—2013《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11]，護(hù)坡坡腳采用護(hù)墊時，其防護(hù)范圍應(yīng)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(shè)長度L與最大沖刷深度ΔhB的關(guān)系如下:

L≥(15～20)ΔhB

(1)

根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，結(jié)合本河段地形特征，采用水流平行于防護(hù)工程產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)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(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，可取n=1/4。

根據(jù)(2)式，計(jì)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(shè)長度L最小為0.9～1.2m。

(2)護(hù)墊抗滑穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)靜力平衡條件，對雷諾護(hù)墊進(jìn)行受力分析，需滿足在自重的坡向分力下不會產(chǎn)生滑動，如圖1所示，即坡面抗滑穩(wěn)定系數(shù)Fs≥1.5。如下式：

(3)

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

圖1 雷諾護(hù)墊抗滑穩(wěn)定分析示意圖

根據(jù)(3)式，計(jì)算所需護(hù)墊坡腳長度L2為5m。

綜和上述兩種計(jì)算方法，選用坡腳長度計(jì)算較大值作為護(hù)腳的長度。但根據(jù)實(shí)際情況，若坡腳長度為5m時，會相應(yīng)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(shè)計(jì)。

2.2.2雷諾護(hù)墊的厚度計(jì)算

(1)對于工程初步設(shè)計(jì)，可根據(jù)表1對雷諾護(hù)墊的厚度進(jìn)行初選。

(2)雷諾護(hù)墊的厚度可參照《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中方法計(jì)算，該方法可適用于緩流河段(河道坡降一般小于2%)，且計(jì)算護(hù)墊厚度在150至500mm范圍內(nèi)。公式如下所示：

T=20Dm

(4)

(5)

Cv=1.283-0.21lg(R/b)

(6)

式中，T—護(hù)墊的最小厚度；Dm—護(hù)墊中填石的平均粒徑；So—安全系數(shù)，最小取1.1；Cs—填石的穩(wěn)定系數(shù)，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(yīng)在1.5至2.0之間)；Cv—流速分布系數(shù)；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(jù)(5)式，計(jì)算出該河段雷諾護(hù)墊填石的平均粒徑Dm為0.095m，再由(4)式則得到護(hù)墊最小厚度T為0.19m，結(jié)合雷諾護(hù)墊常規(guī)的生產(chǎn)規(guī)格，確定本次選用0.23m厚雷諾護(hù)墊。

2.3 典型斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)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(hù)墊厚度0.23m，邊坡1∶2.0，護(hù)墊下設(shè)置聚酯長纖無紡布。典型斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 豐溪河項(xiàng)家段典型斷面設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)語

(1)雷諾護(hù)墊因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在滿足傳統(tǒng)護(hù)坡安全性的同時，更具生態(tài)環(huán)保的優(yōu)勢，在河道岸坡整治中的應(yīng)用更加廣泛。

(2)本文以實(shí)際工程為案例，介紹了在雷諾護(hù)墊設(shè)計(jì)中，對護(hù)墊坡腳長度、填石粒徑及護(hù)墊厚度等問題的具體計(jì)算方法，可以為今后采用雷諾護(hù)墊這一生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)工程提供了一定的參考依據(jù)。