羅日洪，黃錦林，王立華，張 令，張志偉

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省山洪災害防治工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635；3.南京市市政設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210008；4.常州新美水務(wù)有限公司，江蘇 常州 213001)

我國河流眾多，流域面積在200～3 000 km2的中小河流有9 900多條，由于治理滯后，中小河流的洪澇災害發(fā)生頻繁，每年造成的損失占全部河流的2/3以上[1]。因此，中小河流治理成為近年來水利工作的重點內(nèi)容[2]。中小河流河道具有水流流速較大，流態(tài)較為復雜的特點，而且河岸地質(zhì)情況各異，導致河道防護工程一直是一個棘手的問題[3]。傳統(tǒng)河道護岸多采用混凝土、漿砌石、干砌石等剛性防護，阻絕水循環(huán)，破壞河岸生態(tài)，生物種群的生存環(huán)境受到嚴重破壞。在生態(tài)日益受重視的今天，中小河流治理也盡可能堅持生態(tài)設(shè)計理念，實行生態(tài)治理，防護工程盡量采用具有生態(tài)功能的護坡形式。

雷諾護墊作為一種生態(tài)防護結(jié)構(gòu)形式，在國外已得到廣泛的應(yīng)用[4-7]。目前，國內(nèi)也開展了較多的研究和應(yīng)用，潘美元[8]闡述了雷諾護墊護坡的設(shè)計理念和設(shè)計方法，為生態(tài)護坡設(shè)計提供經(jīng)驗借鑒；鄧麗等[9]分析了雷諾護墊護坡在波浪作用下的破壞機理，對其各項性能特點、相關(guān)試驗研究、具體設(shè)計準則等做了詳細的介紹；尹志勤[10]從設(shè)計和施工的角度論述了生態(tài)護坡在黑龍江省松花江干流治理工程中的應(yīng)用。本文根據(jù)中小河流護岸的特點，結(jié)合雷諾護墊防護的基本原理，對中小河流治理中雷諾護墊穩(wěn)定、變形、厚度、粒徑等設(shè)計進行研究，以期為相關(guān)工程設(shè)計提供良好的技術(shù)支撐。

1 雷諾護墊設(shè)計需考慮的因素

在進行雷諾護墊防護結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察資料、斷面等進行整體穩(wěn)定計算，如果岸坡的穩(wěn)定達不到要求，則應(yīng)進行削坡處理。雷諾護墊設(shè)計主要考慮坡腳長度、厚度及填石粒徑、反濾層等影響因素。

1.1 坡腳長度計算

河岸坡腳處的最大沖刷深度(見圖1)和雷諾護墊沿坡面的抗滑穩(wěn)定性基本決定了坡腳處雷諾護墊的水平鋪設(shè)長度[11]。水平段的鋪設(shè)長度L與最大沖刷深度ΔZ的關(guān)系如下：

L≥1.5～2.0ΔZ

(1)

1) 計算坡腳沖刷深度

順壩及平順護岸沖刷深度的計算采用現(xiàn)行規(guī)范計算[12]：

(2)

(3)

表1 水流流速不均勻系數(shù)

圖1 坡腳沖刷深度和長度的關(guān)系示意

2) 抗滑穩(wěn)定性分析

原則上，在工程中自重的坡向分力下不允許產(chǎn)生滑動，因此在對平鋪型雷諾護墊進行受力分析、確定了滑動力R和抗滑力T的基礎(chǔ)上(見圖2)，根據(jù)靜力平衡條件，得到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs：

(4)

最后，根據(jù)(1)、(2)計算的結(jié)果，選用較大值作為護腳的長度。

圖2 雷諾護墊護岸穩(wěn)定性分析示意

1.2 護墊厚度確定

在實際設(shè)計時，應(yīng)當綜合考慮雷諾護墊系統(tǒng)的抗沖能力和雷諾護墊防護的厚度、石料粒徑大小、以及雷諾護墊自身的力學性能。對于雷諾護墊厚度確定，主要考慮水流速度、波浪高度和河岸的傾角。同時受水流沖刷和波浪作用時，取兩者較大值作為設(shè)計厚度。

1.2.1流速因素

1) 流速臨界值法

馬克菲爾在20世紀80年代對雷諾護墊進行了大量的模型試驗，還對已建工程的反分析，最后得出了如表2所示的各種厚度雷諾護墊的經(jīng)驗抗沖流速[13]，但僅用于初步設(shè)計的選用。

表2 雷諾護墊/格賓厚度與流速參照

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。

流速臨界值的另一種方法是應(yīng)用經(jīng)驗公式。K.W.Pilarczyk在流速已知的情況下，綜合工程中一些實用公式，提出了雷諾護墊厚度通用計算公式[14-15]：

(5)

2) 基于深度平均局部速度的方法

Maynord17]認為基于剪應(yīng)力的雷諾護墊厚度設(shè)計方法在河道彎曲、輕度傾斜的河岸時將變得不可靠；而且現(xiàn)有的基于流速的方法采用的是平均流速，沒有考慮渠道橫斷面的形狀和線形。因此，提出了一種以美國陸軍工程師兵團1991年的“防洪渠道的水力設(shè)計”規(guī)范[18]為基礎(chǔ)的、基于深度平均局部速度的石籠墊尺寸設(shè)計方法，該方法使設(shè)計人員能夠比局部邊界剪切更好地估計局部速度，而且揭示了雷諾護墊的穩(wěn)定性取決于石籠中巖石的大小，而不是其厚度。因此，Maynord在確定拋石穩(wěn)定性時，考慮了水流速度剖面、河岸坡度效應(yīng)、穩(wěn)定安全系數(shù)和拋石層厚度系數(shù)。得到雷諾護墊填石粒徑的設(shè)計方程如下：

(6)

式中Sf為安全系數(shù)，最小取1.1；Cs為填石的穩(wěn)定系數(shù)，Cs大多數(shù)情況取0.1，適用于有棱角填石，且最大與最小填石尺寸比在1.5～2.0之間；Cv為流速分配系數(shù)，為1.283-0.2log(R/W)，R和W為主槽水流的中心線彎曲半徑和水面寬度，不包括河岸區(qū)；Vss為水面線和坡腳之間的平均流度，一般取坡腳沿岸坡向上20%處的流速；K1為岸坡修正系數(shù)，根據(jù)Maynord[19]的原型試驗結(jié)果，坡度1:1取0.46，1:1.5取0.71，1:2取0.88，1:3取0.98，1:4以上取1.0。

該法可用于厚度為150～500 mm的雷諾護墊的填石平均粒徑計算，可用于河流坡降小于2%的緩流河段。用于河道轉(zhuǎn)彎處外側(cè)的雷諾護墊填石Dm應(yīng)乘以系數(shù)1.2。

通常情況下，填石粒徑確定后，應(yīng)按下式確定雷諾護墊厚度：

t=2.0Dm

(7)

式中t為雷諾護墊的最小厚度。實際使用中應(yīng)選用厚度不小于t的標準規(guī)格雷諾護墊。

1.2.2波浪因素

K.W.Pilarczyk等人[20]認為波浪打到護坡結(jié)構(gòu)上的過程是一個復合流動，波浪爬高過程中，會有一個與護坡結(jié)構(gòu)重力抵消的上托力。相對于爬高，波浪下落、碰撞中對護坡覆層的拖拽力(吸力)和揚壓力更容易使護坡結(jié)構(gòu)破壞，見圖3所示；另外，波浪對護坡基礎(chǔ)土體(特別是當基礎(chǔ)土為砂土，或者采用較厚的級配不良的砂礫石濾層時)產(chǎn)生張拉和超張拉作用，有導致滑動和圓弧滑動破壞，見圖4所示。

圖3 波浪作用下護坡結(jié)構(gòu)荷載示意

圖4 護坡基礎(chǔ)土體可能的局部滑動模式示意

為了準確了解波浪對雷諾護坡的影響，文獻[21]在大量的試驗研究和已建工程調(diào)查的基礎(chǔ)上，給出了波浪作用下的設(shè)計準則：

當tanα≥1/3時，

(8)

當tanα<1/3時，

(9)

式中α為河岸傾角,°；n為雷諾護墊填石孔隙率,%；Δm為水下材料的相對單位重度，Δm=(γs-γw)/γw；Hs為波浪設(shè)計高度，m，取值可按文獻[12]中附錄C中波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式：

(10)

式中符號意義參照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，此處不贅述。

大多數(shù)情況下，(1-n)Δm≈1.0，所以(8)、(9)式簡化為：

當tanα≥1/3時，

(11)

當tanα<1/3時，

(12)

1.3 反濾層設(shè)計

雷諾護墊具有較大的孔隙，為了防止被保護土流失，引起滲透變形，以及保障滲透水通暢排出，提高岸坡穩(wěn)定性，下部需要設(shè)置反濾層，一般采用土工織物作為反濾層，保護基土不受侵蝕。

1) 反濾層與地基土界面流速要求

前述文獻[16]根據(jù)水槽試驗發(fā)現(xiàn)雷諾護墊下方的流速與上方的水流條件和自身厚度無關(guān)。由曼寧公式得到雷諾護墊(或反濾層)與地基土界面處的速度方程：

(13)

式中Vb為反濾層與地基土界面處的流速；nf為糙率，雷諾護墊下無反濾層或土工布做反濾層時取0.02；碎石反濾層時取0.025。

2) 土工織物的等效孔徑要求

土工織物的等效孔徑需要滿足以下要求[24]：

O95≤Bd85

(14)

式中O95為土工織物的等效孔徑，mm；d85為被保護土中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土粒質(zhì)量的85%；B為與被保護土的類型、級配、織物品種和狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)，應(yīng)按表3的規(guī)定采用。

表3 系數(shù)B的取值

注：① 只要被保護土中含有細粒(≤0.075 mm)，應(yīng)采用通過4.75 mm的篩孔的土料供選擇土工織物之用；②Cu為不均勻系數(shù)，Cu=d60/d10，d60、d10為土中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土粒質(zhì)量的60%和10%,mm。

土工織物的滲透系數(shù)要滿足以下要求：

Kg≥AKs

(15)

式中A為系數(shù)，按工程經(jīng)驗確定，不宜小于10，來水量大，水力梯度高時應(yīng)增加A值；Kg為土工織物的垂直滲透系數(shù),cm/s；Ks為被保護土的滲透系數(shù),cm/s。

A反映了各種影響，包括安全系數(shù)，采用以下準則[25]：

當被保護土級配良好，水力梯度低和預計不致發(fā)生淤堵(凈砂、中粗砂)時：

Kg≥Ks

(16)

當排水失效導致土結(jié)構(gòu)破壞，修理費用高，水力梯度高，流態(tài)復雜時：

Kg≥10Ks

(17)

2 工程實例

2.1 概況

某中小河流需治理河段上游集雨面積44.13 km2，河床底高程范圍為2.3～21.0 m，漫灘地貌發(fā)育，河道兩側(cè)部分地段修筑有標準不一的防護堤岸，規(guī)模較小，等級較低，大多屬于4級，堤頂高程一般10～15 m，堤內(nèi)地面高程一般7～15 m。為大片農(nóng)田及魚塘，地勢整體較平坦，略為北高南低，東高西低，局部零落分布有殘丘，高程27.0～38.0 m。近年來該河段周邊受災嚴重。本工程洪水標準均在20年一遇及以下，工程范圍內(nèi)防護對象以鎮(zhèn)區(qū)、村莊、農(nóng)田為主。該河段治理長度10.2 km，護岸長度8 km，岸坡優(yōu)先采用生態(tài)斷面形式，以其中樁號S5+486.828～S7+188.897(岸坡長度1 702 m)為例，采用雷諾護墊進行護坡，根據(jù)前述理論進行設(shè)計。

2.2 S5+486.828～S7+188.897樁號河道護坡綜合設(shè)計

1) 坡腳護墊長度計算

① 平順護岸沖刷深度

根據(jù)設(shè)計資料，設(shè)計流量Q=121 m3/s，床沙中值粒徑d50=0.08 m，水的重度取γw=10 kN/m3，石頭重度取γs=23 kN/m3，常水位水深h=3 m，水流行進流速U=3.5 m/s，與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)的參數(shù)n取0.25。根據(jù)公式(2)、公式(3)得：

根據(jù)坡腳沖刷深度和長度的關(guān)系L≥(1.5～2.0)hs，坡腳長度L應(yīng)在1.66 m以上。

② 抗滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)整體穩(wěn)定設(shè)計成果，該標段典型斷面岸坡坡比m=3，坡高為H=5 m。由上述已知常水位為h=3 m，雷諾護墊護坡的高度應(yīng)比常水位高，一般高出Δh=0.2～0.3 m，因此初步確定出雷諾護墊高度坡身長度為L1=10 m，坡腳長度為L2=3 m，根據(jù)勘察資料，岸坡土體內(nèi)摩擦角φ=28°，按公式(4)計算：

雷諾護墊與岸坡土體的摩擦系數(shù)；fcs=tan28°=0.53。本工程雷諾護墊下部鋪設(shè)土工布，建議將摩擦系數(shù)減少20%，因此fcs=0.53×0.8=0.43。

因此綜合步驟①和②計算結(jié)果，雷諾護墊護腳長度為3 m。

2) 雷諾護墊厚度計算

① 水流速度的影響

雷諾護墊填石粒徑采用流速法進行計算。

首先根據(jù)表2進行初選，按照臨界流速Ucr=4.2 m/s、極限流速Umax=5.5 m/s，查表2，取雷諾護墊厚度D=0.3 m，填石粒徑為70～120 mm，d50=0.10 m。但實際上還需根據(jù)流速法和波浪法的理論進行進一步驗算。

第二步，對于經(jīng)驗流速公式(公式(5))，本工程雷諾護墊的相對密度Δ≈1.0，穩(wěn)定參數(shù)Φ=0.75(邊角處)，平均流速uavg=3.5 m/s，臨界防護參數(shù)C*取0.07，重力加速度g=9.81 m/s2，紊流系數(shù)KT=1，深度系數(shù)Kh=1，雷諾護墊內(nèi)填石的內(nèi)摩擦角φ=41°，坡度參數(shù)Ks=0.88。因此雷諾護墊的厚度：

第三步，對于公式(6)的方法，根據(jù)本工程情況，安全系數(shù)Sf=1.1，填石的穩(wěn)定系數(shù)Cs=0.1，流速分配系數(shù)Cv=1，局部水深d=3 m，對應(yīng)的平均流度V=3.5 m/s，K1根據(jù)坡比進行修正，取0.98。雷諾護墊填石粒徑：

因此，雷諾護墊最小厚度t=2.0Dm=2×0.082=0.164 m。

② 波浪的影響

根據(jù)設(shè)計資料(由公式(10)計算)，波浪高度Hs=0.5 m，再根據(jù)式(11)，雷諾護墊的厚度應(yīng)滿足：

綜合流速法和波浪法結(jié)果，再結(jié)合廠家生產(chǎn)的標準尺寸，最終選定雷諾護墊厚度為0.3 m。

3) 反濾層設(shè)計

本工程岸坡土體為中密實中壤土，鋪設(shè)土工布作為反濾層，糙率nf取0.02，河道比降J=0.000 2，根據(jù)式(13)反濾層與地基土界面處的速度：

采用土工織物等效孔徑為O95=2 mm，其垂直滲透系數(shù)為Kg=1.8×10-3cm/s。根據(jù)設(shè)計資料，被保護土顆粒d85=1 mm，不均勻系數(shù)Cu=4，滲透系數(shù)Ks=5.4×10-4cm/s。被保護土的細粒(d≤0.075 mm)含量≤50%。

查表3，確定B=0.5Cu=2。因此土工織物等效孔徑符合O95≤Bd85的要求。

本工程符合公式(16)條件，土工織物的的垂直滲透系數(shù)為Kg大于被保護土的細粒滲透系數(shù)Ks，滿足要求。

根據(jù)上述計算結(jié)果，雷諾護墊護岸設(shè)計斷面結(jié)果如圖5所示，受河水影響的區(qū)域采用列雷諾護墊，以上則采用植草護坡。

圖5 某中小河流治理工程岸坡護岸設(shè)計斷面示意(單位：mm)

3 結(jié)語

本文綜合考慮了中小河流治理中雷諾護墊應(yīng)考慮的護腳長度、填石粒徑和厚度、反濾層、穩(wěn)定及變形等問題，并給出了具體的設(shè)計準則。最后，以某中小河流治理工程為例，說明了采用雷諾護墊進行設(shè)計的具體計算流程，通過工程的實際應(yīng)用分析，為采用雷諾護墊這一護岸結(jié)構(gòu)形式提供了科學依據(jù)。