中小河流治理中雷諾護墊設計方法探討

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研究中心，廣東 廣州 510635；3.南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210008；4.常州新美水務有限公司，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容[2]。中小河流河道具有水流流速較大，流態較為復雜的特點，而且河岸地質情況各異，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，破壞河岸生態，生物種群的生存環境受到嚴重破壞。在生態日益受重視的今天，中小河流治理也盡可能堅持生態設計理念，實行生態治理，防護工程盡量采用具有生態功能的護坡形式。

雷諾護墊作為一種生態防護結構形式，在國外已得到廣泛的應用[4-7]。目前，國內也開展了較多的研究和應用，潘美元[8]闡述了雷諾護墊護坡的設計理念和設計方法，為生態護坡設計提供經驗借鑒；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、相關試驗研究、具體設計準則等做了詳細的介紹；尹志勤[10]從設計和施工的角度論述了生態護坡在黑龍江省松花江干流治理工程中的應用。本文根據中小河流護岸的特點，結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定、變形、厚度、粒徑等設計進行研究，以期為相關工程設計提供良好的技術支撐。

1 雷諾護墊設計需考慮的因素

在進行雷諾護墊防護結構設計之前，應根據地質勘察資料、斷面等進行整體穩定計算，如果岸坡的穩定達不到要求，則應進行削坡處理。雷諾護墊設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定性基本決定了坡腳處雷諾護墊的水平鋪設長度[11]。水平段的鋪設長度L與最大沖刷深度ΔZ的關系如下：

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行規范計算[12]：

(2)

(3)

表1 水流流速不均勻系數

圖1 坡腳沖刷深度和長度的關系示意

2) 抗滑穩定性分析

原則上，在工程中自重的坡向分力下不允許產生滑動，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的基礎上(見圖2)，根據靜力平衡條件，得到抗滑穩定安全系數Fs：

(4)

最后，根據(1)、(2)計算的結果，選用較大值作為護腳的長度。

圖2 雷諾護墊護岸穩定性分析示意

1.2 護墊厚度確定

在實際設計時，應當綜合考慮雷諾護墊系統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驗抗沖流速[13]，但僅用于初步設計的選用。

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。

流速臨界值的另一種方法是應用經驗公式。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]認為基于剪應力的雷諾護墊厚度設計方法在河道彎曲、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“防洪渠道的水力設計”規范[18]為基礎的、基于深度平均局部速度的石籠墊尺寸設計方法，該方法使設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在確定拋石穩定性時，考慮了水流速度剖面、河岸坡度效應、穩定安全系數和拋石層厚度系數。得到雷諾護墊填石粒徑的設計方程如下：

(6)

式中Sf為安全系數，最小取1.1；Cs為填石的穩定系數，Cs大多數情況取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，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；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，根據Maynord[19]的原型試驗結果，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。用于河道轉彎處外側的雷諾護墊填石Dm應乘以系數1.2。

通常情況下，填石粒徑確定后，應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。實際使用中應選用厚度不小于t的標準規格雷諾護墊。

1.2.2波浪因素

K.W.Pilarczyk等人[20]認為波浪打到護坡結構上的過程是一個復合流動，波浪爬高過程中，會有一個與護坡結構重力抵消的上托力。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構破壞，見圖3所示；另外，波浪對護坡基礎土體(特別是當基礎土為砂土，或者采用較厚的級配不良的砂礫石濾層時)產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 波浪作用下護坡結構荷載示意

圖4 護坡基礎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查的基礎上，給出了波浪作用下的設計準則：

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《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)，此處不贅述。

大多數情況下，(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，提高岸坡穩定性，下部需要設置反濾層，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]根據水槽試驗發現雷諾護墊下方的流速與上方的水流條件和自身厚度無關。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量占土粒質量的85%；B為與被保護土的類型、級配、織物品種和狀態等有關的系數，應按表3的規定采用。

表3 系數B的取值

注：① 只要被保護土中含有細粒(≤0.075 mm)，應采用通過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，Cu=d60/d10，d60、d10為土中小于該粒徑的土粒質量占土粒質量的60%和10%,mm。

土工織物的滲透系數要滿足以下要求：

Kg≥AKs

(15)

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

A反映了各種影響，包括安全系數，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生淤堵(凈砂、中粗砂)時：

Kg≥Ks

(16)

當排水失效導致土結構破壞，修理費用高，水力梯度高，流態復雜時：

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，漫灘地貌發育，河道兩側部分地段修筑有標準不一的防護堤岸，規模較小，等級較低，大多屬于4級，堤頂高程一般10～15 m，堤內地面高程一般7～15 m。為大片農田及魚塘，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，工程范圍內防護對象以鎮區、村莊、農田為主。該河段治理長度10.2 km，護岸長度8 km，岸坡優先采用生態斷面形式，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，根據前述理論進行設計。

2.2 S5+486.828～S7+188.897樁號河道護坡綜合設計

1) 坡腳護墊長度計算

① 平順護岸沖刷深度

根據設計資料，設計流量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的參數n取0.25。根據公式(2)、公式(3)得：

根據坡腳沖刷深度和長度的關系L≥(1.5～2.0)hs，坡腳長度L應在1.66 m以上。

② 抗滑穩定性分析

根據整體穩定設計成果，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，根據勘察資料，岸坡土體內摩擦角φ=28°，按公式(4)計算：

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

因此綜合步驟①和②計算結果，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。但實際上還需根據流速法和波浪法的理論進行進一步驗算。

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

第三步，對于公式(6)的方法，根據本工程情況，安全系數Sf=1.1，填石的穩定系數Cs=0.1，流速分配系數Cv=1，局部水深d=3 m，對應的平均流度V=3.5 m/s，K1根據坡比進行修正，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

根據設計資料(由公式(10)計算)，波浪高度Hs=0.5 m，再根據式(11)，雷諾護墊的厚度應滿足：

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

3) 反濾層設計

本工程岸坡土體為中密實中壤土，鋪設土工布作為反濾層，糙率nf取0.02，河道比降J=0.000 2，根據式(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，其垂直滲透系數為Kg=1.8×10-3cm/s。根據設計資料，被保護土顆粒d85=1 mm，不均勻系數Cu=4，滲透系數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為Kg大于被保護土的細粒滲透系數Ks，滿足要求。

根據上述計算結果，雷諾護墊護岸設計斷面結果如圖5所示，受河水影響的區域采用列雷諾護墊，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計斷面示意(單位：mm)

3 結語

本文綜合考慮了中小河流治理中雷諾護墊應考慮的護腳長度、填石粒徑和厚度、反濾層、穩定及變形等問題，并給出了具體的設計準則。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計的具體計算流程，通過工程的實際應用分析，為采用雷諾護墊這一護岸結構形式提供了科學依據。