張桂榮，張家勝,2，王遠(yuǎn)明，邵 勇

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029；2.河海大學(xué)，江蘇南京 210098；3.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江哈爾濱 150040；4.江蘇省水利工程建設(shè)管理局，江蘇南京 210029)

傳統(tǒng)的河流岸坡防護形式大多是采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)、干砌石、預(yù)制混凝土塊體等剛性結(jié)構(gòu)。這種剛性結(jié)構(gòu)在保護岸坡穩(wěn)定性、防止水土流失等方面起到了一定的作用，但同時對河道岸坡的生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的破壞。業(yè)內(nèi)人士提出了基于生態(tài)護坡、河流健康和生態(tài)河流的“生態(tài)河道”等概念，即在保證岸坡穩(wěn)定性的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)，改善岸坡生態(tài)環(huán)境；集景觀性、安全高效性、生態(tài)性于一體，實現(xiàn)“人與自然和諧共處”、“回歸自然”、“修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)”，從而實現(xiàn)真正意義上建設(shè)生態(tài)河流的目標(biāo)。

1 河流岸坡生態(tài)護坡發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 河流岸坡生態(tài)治理的內(nèi)涵與特點

針對河道岸坡失穩(wěn)破壞以及對河流的生態(tài)性要求，國外相關(guān)學(xué)者最先開始對河道治理技術(shù)進行反思，并提出了相應(yīng)的理念和技術(shù)，如“土壤生物工程”護岸技術(shù)、透水生態(tài)混凝土、“自然型護岸”技術(shù)等[1-2]。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在借鑒國外生態(tài)理念、技術(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)提出了更為系統(tǒng)的治理理念。生態(tài)航道的提出[3]更加豐富了河流岸坡生態(tài)治理的內(nèi)涵，景觀性、安全高效性與生態(tài)性是不可缺少的組成要素。曹民雄等[4]指出我國的生態(tài)航道建設(shè)起步于生態(tài)護坡，岸坡的生態(tài)治理應(yīng)滿足生態(tài)航道的要求；杜林鳳[5]提出河流的生態(tài)治理應(yīng)包括數(shù)字航道優(yōu)化岸坡的治理；劉均衛(wèi)[6]從生態(tài)長江的角度出發(fā)，指出岸坡的生態(tài)防護應(yīng)與水生態(tài)監(jiān)測、航道生態(tài)工程、船舶生態(tài)工程相適應(yīng)；張威等[7-8]認(rèn)為岸坡的生態(tài)治理應(yīng)考慮到航道的線性選擇、疏浚拋泥處理等方面；馬殿光等[9]認(rèn)為河流岸坡生態(tài)治理的內(nèi)涵應(yīng)同時兼顧合理設(shè)計結(jié)構(gòu)形式、因地制宜選擇護岸材料、合理運用植被措施、航道的景觀與水質(zhì)、生態(tài)施工、健康的管理組織與措施6個方面，同時具備安全性、綠色性、生態(tài)性、景觀性與人水和諧的特點。

因此，河流岸坡的生態(tài)治理應(yīng)基于生態(tài)護坡技術(shù)，同時滿足護岸、防洪、通航等生態(tài)航道要求，把岸坡治理和生態(tài)環(huán)境緊密聯(lián)系在一起。

1.2 河流岸坡防護材料與應(yīng)用研究

岸坡生態(tài)治理工程首先要滿足岸坡穩(wěn)定性、耐久性、施工簡易性、經(jīng)濟性的要求，21世紀(jì)以來生態(tài)護坡技術(shù)與生態(tài)護坡材料的研究得到了飛速發(fā)展。黃奕龍[10]總結(jié)了日本植被型生態(tài)護岸技術(shù)；Thyy V等[11]以老撾湄公河為例論述了Soda護岸技術(shù)；史云霞等[12]通過研究英國布雷克諾克河岸坡的防護措施，介紹了椰子纖維卷護岸技術(shù)；李一兵[13]總結(jié)常用的生態(tài)護岸技術(shù)，提出了土工格室、三維土工網(wǎng)墊在護底工程、護灘工程的不同應(yīng)用；丁清華[14]通過工程案例的介紹，闡明了生態(tài)袋在河湖岸坡治理中的優(yōu)點。表1列出了目前河流岸坡治理工程中最常用的生態(tài)材料及生態(tài)護坡技術(shù)[11,13,15-17]，總體上分為植被型生態(tài)護岸和綜合型生態(tài)護岸。

表1 不同生態(tài)護坡材料、技術(shù)研究對比Tab.1 Comparison of different materials and techniques of ecological slope protection

1.3 石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

圖1 河流岸坡、堤防石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of stone cage net in river bank slope and embankment

河流岸坡穩(wěn)定性主要受控于水流沖刷作用、岸坡巖土體抗沖性能等。因此，河流岸坡護岸結(jié)構(gòu)首先要考慮抗水流沖刷的性能。相較于其他生態(tài)護坡技術(shù)，石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)在抗水流沖刷方面有著很大的優(yōu)勢，其多孔隙結(jié)構(gòu)防浪效果好，并且結(jié)構(gòu)本身抗水流沖刷能力強，能抵抗最高達(dá)到8 m/s的水流沖刷。

20世紀(jì)初石籠網(wǎng)護墊第1次應(yīng)用到意大利雷諾河的岸坡防護工程上。我國在20世紀(jì)90年代初引進這項技術(shù)，并將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在護岸和擋墻兩個領(lǐng)域。圖1是石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)在我國東北地區(qū)河流岸坡、堤防上的應(yīng)用。最初的石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)多采用單一的石籠網(wǎng)與填石料結(jié)合作用于岸坡，經(jīng)過工程的實踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)與植被相互結(jié)合能達(dá)到更好的防護效果，更能契合生態(tài)護坡的要求。王沛芳等[18]學(xué)者利用石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)與植被的相互作用，改良石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工工藝，用于河流凈污工程。

圖2 南京江心洲石籠網(wǎng)墊生態(tài)護岸工程實例(完工5個月后)Fig.2 Application of stone cage net structure in engineering of central shoal in Nanjing

目前，工程中較多采用石籠網(wǎng)與植被的組合結(jié)構(gòu)。塊石間的空隙能為河流中的微生物、魚類及其他水生物提供一個良好的生態(tài)環(huán)境；在塊石表面形成的生物膜有利于水質(zhì)的改善；石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)空隙中生長出的植被除了為生物提供遮蔽層、避難所及有機物的來源外，亦可減緩水流沖擊，促進泥沙淤積。以圖2南京江心洲石籠網(wǎng)墊護岸工程為例，網(wǎng)墊下土層基本為岸坡原狀土，含有大量的蘆葦根系及其他植被根系和種子，岸坡鋪設(shè)石籠網(wǎng)墊數(shù)月后植被從網(wǎng)墊塊石縫隙中長出，岸坡生態(tài)環(huán)境得到優(yōu)化，實現(xiàn)了固土、綠化與凈化水質(zhì)的多重效應(yīng)。

雖然石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用到護岸工程中，但其研究大多數(shù)集中在石籠網(wǎng)擋墻技術(shù)的研究。英國的Sogge 1974年首次提出了平面應(yīng)力分析在石籠擋墻研究中的適應(yīng)性[19]；柴賀軍等[20]采用有限元分析法深入研究了石籠網(wǎng)擋墻的穩(wěn)定性，為石籠網(wǎng)擋墻的工程應(yīng)用提供了可靠的理論支撐。但是，在河道岸坡治理工程中應(yīng)用較多的貼坡式石籠結(jié)構(gòu)研究相對較少，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等方面仍然存在諸多問題，如石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的厚度、防波浪沖刷性能、坡腳設(shè)計等。國內(nèi)多數(shù)石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和相應(yīng)的理論都是依據(jù)國外標(biāo)準(zhǔn)或國內(nèi)現(xiàn)有施工經(jīng)驗。已有工程案例表明，石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的破壞與石籠網(wǎng)內(nèi)填石料級配及填石料流失有密切關(guān)系。因此，網(wǎng)墊中顆粒的遜徑含量對網(wǎng)墊穩(wěn)定性的影響；水流沖刷作用下石籠網(wǎng)抗沖刷破壞臨界流速和極限流速的界定，這些都將是今后研究的重點。

2 石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)勢

2.1 石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點

石籠結(jié)構(gòu)主要分為直立式、臺階式和貼坡式(見圖3)。直立式護岸結(jié)構(gòu)橫斷面多為“品”字結(jié)構(gòu)，在工程中多以石籠擋墻的形式出現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)往往對地基要求較高，要有一定的承載力；臺階式護岸結(jié)構(gòu)使用石籠網(wǎng)箱構(gòu)成臺階式結(jié)構(gòu)，適用于不同高度的岸坡；貼坡式護岸結(jié)構(gòu)主要用于斜坡的防護，單元網(wǎng)墊為機器編制的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)墊，其表面涂有高爾凡或鍍鋅等防腐措施，內(nèi)部填充相應(yīng)級配的塊石，由塊石和鋼絲網(wǎng)箱構(gòu)成整體防護結(jié)構(gòu)，其斜坡段和水平段長度可以根據(jù)工況進行不同程度的調(diào)整。

圖3 石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)Fig.3 Slope protection structure with stone cage net

2.2 石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

目前，坡面植草護坡技術(shù)在坡面防護中廣為應(yīng)用，雖然植被護坡在加固邊坡和生態(tài)綠化等方面有著不可替代的優(yōu)越性，但是依靠植被根系只能對表層土體進行加固，而對于深層土體其強度并沒有得到明顯的加強；在防沖刷方面只能做到防降雨徑流沖刷，對于河流沖刷防護效果很差。石籠網(wǎng)護墊以其結(jié)構(gòu)特點在河流沖刷防護方面則有獨特的優(yōu)勢。選取了一般的柔性護岸結(jié)構(gòu)和石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行對比，具體見表2。

表2 石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)與一般柔性護岸結(jié)構(gòu)對比分析Tab.2 Comparative analysis of cage net structure and general flexible slope protection

3 石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)分析

石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)用于岸坡防護取得良好效果的同時，其結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和施工等方面仍存在許多問題。國內(nèi)外對其可行性的研究分析較少，大多數(shù)工程都是依靠施工經(jīng)驗或是國外的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外對石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)研究主要集中在如下幾個方面。

3.1 石籠網(wǎng)墊厚度與臨界流速的關(guān)系

馬克菲爾公司早在20世紀(jì)80年代就在美國科羅拉多大學(xué)進行了大量模型試驗和對已建工程的反分析，最后得出了各種厚度網(wǎng)墊的抗沖流速，見表3[21]。

表3 石籠網(wǎng)墊厚度與流速關(guān)系Tab.3 Relationship between thickness and velocity of flow

表4 石籠網(wǎng)墊厚度(含瀝青覆蓋層)與流速關(guān)系Tab.4 Relationship between thickness and velocity of flow (assphalt overlay)

表3的石籠網(wǎng)抗沖流速與厚度的關(guān)系僅單獨考慮了石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)，相關(guān)試驗[21]表明，當(dāng)石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)表面有覆蓋物時，將會對臨界流速產(chǎn)生一定的影響。表4給出了石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)面層覆有瀝青時的厚度與流速關(guān)系。

對比表3和4，瀝青墊層對石籠網(wǎng)墊厚度和流速的關(guān)系有很大的影響，在覆蓋瀝青后發(fā)現(xiàn)，同一厚度的網(wǎng)墊抵抗沖刷的能力明顯提高。而實際工程多是石籠網(wǎng)與植被根系的結(jié)合，如果采用覆蓋瀝青的方式提高網(wǎng)墊的抗水流沖刷能力，則失去了石籠網(wǎng)護岸結(jié)構(gòu)的多孔隙特性，并且瀝青覆蓋層的存在影響植被有效生長，這樣就失去了生態(tài)護坡的意義。可利用水槽沖刷物理模型，且在石籠網(wǎng)底部鋪腐殖土種植植被，待植被長成后進行水槽沖刷試驗，從而得出相應(yīng)結(jié)果。利用該試驗成果研究植被根系對網(wǎng)墊和流速關(guān)系的影響，更加接近工程實際，同時滿足生態(tài)護坡要求。

3.2 波浪荷載作用下石籠網(wǎng)厚度設(shè)計參數(shù)

對于大型河道、航道而言，風(fēng)力和航船都會產(chǎn)生不同程度的波浪，而波浪作用在石籠網(wǎng)上將產(chǎn)生復(fù)雜的水動力問題，且波浪的漲退會產(chǎn)生兩種作用效果截然不同的波推力和波吸力。Maccaferri總部、荷蘭Delft水力實驗室及巖土工程研究所相互合作研究，得出了波浪作用下石籠網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)[22]?？紤]坡內(nèi)地下水的滲透力時，利用極限平衡法計算分析可知下滑比頂出危險，則控制下滑穩(wěn)定性的石籠網(wǎng)厚度采用如下經(jīng)驗式[23]計算。

(1)

式中：h為石籠面層塊體內(nèi)外水頭差，可由穿過石籠滲透坡降推算或滲流數(shù)值計算求得；θ為坡角；φ為摩擦角；n為石籠填充孔隙率，n=0.2～0.3；s為塊體密度與水密度的比值，約為2.4。

考慮到滲流水頭h是控制坡面局部穩(wěn)定性設(shè)計的重要作用力，因此h的取值變得尤為關(guān)鍵。穩(wěn)定流場中h的確定較為容易，而在非穩(wěn)定滲流下就變得非常困難。考慮這些情況，相關(guān)專家[23-24]通過對潮涌波浪誘發(fā)滲流場的研究計算，得出了h的經(jīng)驗取值，即取波浪高度的1.2倍，見經(jīng)驗式(2)。

(2)

式中：H為波高，對于不規(guī)則波，采用有效波高。

毛昶熙等[24]認(rèn)為，式(1)和(2)比常用的赫式公式更為合理，在赫式公式的推導(dǎo)中只考慮了堤外作用的波浪力，并沒有考慮堤內(nèi)的滲流場；在公式比較和驗證資料的分析中，也表明赫式公式在較陡的坡面上不能適用。上述經(jīng)驗式僅適用波浪作用下護坡結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)，對于涉及護坡結(jié)構(gòu)的塊石大小尚無計算式，而在實際工程中發(fā)現(xiàn)，石籠網(wǎng)中填石料粒徑的大小對石籠網(wǎng)的穩(wěn)定性有較大影響。因此筆者認(rèn)為，通過水槽沖刷物理模型試驗，得出不同坡比、不同流速下石籠網(wǎng)填石料粒徑的最佳配比，對完善計算式具有一定的意義。

圖4 江西武功山袁河流域河流岸坡坡腳失穩(wěn)Fig.4 Instability of river bank slope in Yuanhe River Basin,Wugong Mountain,Jiangxi

3.3 石籠網(wǎng)坡腳防護設(shè)計

在河水側(cè)向沖蝕淘刷的作用下，岸坡坡腳的巖土體往往會遭到嚴(yán)重破壞，引起岸坡失穩(wěn)下滑(圖4)，這種由坡腳破壞引起的近壩庫岸下滑的現(xiàn)象十分常見。建議可采用石籠網(wǎng)柔性防護結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有多孔隙，防浪效果好，整體穩(wěn)定性好的特點，結(jié)構(gòu)本身的抗水流沖刷能力較強，厚度50 cm的石籠網(wǎng)其抗沖臨界流速為6 m/s，能夠抵御山區(qū)河流高勢能水頭的水流沖刷。目前，國內(nèi)石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)用于坡腳防護的設(shè)計中，多數(shù)采用《堤防設(shè)計工程規(guī)范》計算坡腳處石籠網(wǎng)水平鋪設(shè)長度，主要從兩個方面進行考慮：①坡腳處沖刷深度；②石籠網(wǎng)抗滑穩(wěn)定性。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)及相關(guān)研究[25]，石籠網(wǎng)抗滑穩(wěn)定性可考慮其滑動力矩和抗滑力矩并以靜力平衡條件求解滿足要求的安全系數(shù)F；平順護岸沖刷深度可按式(3)計算：

(3)

(4)

(5)

式中：hs為局部沖刷深度(m)；Uc為泥沙起動流速，用式(4)計算，其中d50為床沙的中值粒徑(m)，γs和γ為泥沙與水的重度(kN/m3)；H0為沖刷處的水深(m)；Ucp為近岸垂線平均流速(m/s)；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)，可根據(jù)水流流向與岸坡夾角α用式(5)算得。通過以上公式計算得到岸坡坡腳沖刷深度，將之作為坡腳處石籠網(wǎng)垂直鋪設(shè)的深度。

4 石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)研究熱點與難點問題

(1)河流沖刷作用下石籠網(wǎng)遜徑顆粒流失破壞研究。在無護坡結(jié)構(gòu)情況下，河流岸坡破壞多由水流沖刷下岸坡土體顆粒不斷流失；岸坡土體顆粒是否起動取決于近岸水流沖刷能力和岸坡抗沖能力的大小。在鋪設(shè)石籠網(wǎng)的岸坡上，水流沖刷將直接作用在網(wǎng)箱和箱內(nèi)塊石上。在長期水流沖刷下，石籠網(wǎng)破壞的其中一種形式是原本填充密實的網(wǎng)箱，隨著遜徑顆粒的不斷流出，使得箱內(nèi)出現(xiàn)較大的空間，大粒徑填充塊石在水流作用下開始運動并不斷撞擊石籠網(wǎng)，使得網(wǎng)墊發(fā)生變形破壞。另有研究[26]表明,各種河岸抗沖力計算模型存在不同程度的缺陷，各模型只考慮了某些局部的影響因素，很難完全真實地反映各種土體的沖刷特性。石籠網(wǎng)墊中遜徑顆粒的約束條件和天然泥沙也有所不同，運用理論計算模型很難反應(yīng)塊石起動情況。

(2)石籠網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)抗沖刷試驗中臨界流速和極限流速的確定。臨界流速是河道邊界不發(fā)生侵蝕條件下水流的最大流速，也被稱為允許流速，是反映石籠網(wǎng)抗沖刷性能的最重要指標(biāo)。但是，在石籠網(wǎng)抗沖刷試驗中，如何確定臨界流速和極限流速及其兩者之間的界限尚未有明確的定義。

(3)植被根系-石籠網(wǎng)共同作用的生態(tài)護坡系統(tǒng)。植被根系不僅對石籠網(wǎng)起到了錨固作用，同時植被與其周圍淤積的土對石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)形成有效的加筋作用，石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也將發(fā)生相應(yīng)的改變。已有學(xué)者對根系-石籠網(wǎng)的工作機理進行研究[27]，但尚缺少石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其對變形特性和穩(wěn)定性能的研究。

結(jié)合以上三點，石籠網(wǎng)抗沖性能主要受到填石料粒徑的控制，同時也與網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)的厚度、岸坡坡比有關(guān)；通過單純的理論分析很難建立計算模型，而根據(jù)實際工況的特點進行分類，進而采用有效的物理模型縮尺試驗分類試驗研究。通過室內(nèi)水槽模型試驗，控制縱坡比和不同的流速、水深，研究揭示水流侵蝕作用下石籠網(wǎng)護岸結(jié)構(gòu)破壞過程；研究石籠網(wǎng)護岸結(jié)構(gòu)網(wǎng)孔大小、填石料粒徑及網(wǎng)墊厚度、岸坡坡比等與其防沖刷性能的關(guān)系。采用大型直剪儀繼續(xù)開展石籠網(wǎng)單體結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的研究，同時考慮單體結(jié)構(gòu)中根系等的加筋作用，這對完善根系-石籠網(wǎng)生態(tài)護坡系統(tǒng)具有一定的意義。

5 結(jié) 語

石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為生態(tài)型護岸方式的一種，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到實際工程中并取得良好效果；石籠網(wǎng)護坡工程的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)護岸形式對岸坡生態(tài)壞境造成破壞的問題，加快了施工進度，減少了施工成本，達(dá)到岸坡防護的同時實現(xiàn)了岸坡內(nèi)外水循環(huán)的效果。

雖然石籠網(wǎng)生態(tài)護坡技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到我國河流岸坡生態(tài)防護工程中，但理論研究尚且缺乏，石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)以及石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)面臨的熱點、難點問題還需要進一步研究。而這些問題的解決將會完善石籠網(wǎng)理論技術(shù)的研究，更好地推動石籠網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促進石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)在我國生態(tài)護坡領(lǐng)域的應(yīng)用，助力水生態(tài)文明建設(shè)。