中小河流治理中雷諾護(hù)墊設(shè)計(jì)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(xué)研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省山洪災(zāi)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(jì)研究院有限責(zé)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(zāi)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(diǎn)內(nèi)容[2]。中小河流河道具有水流流速較大，流態(tài)較為復(fù)雜的特點(diǎn)，而且河岸地質(zhì)情況各異，導(dǎo)致河道防護(hù)工程一直是一個棘手的問題[3]。傳統(tǒng)河道護(hù)岸多采用混凝土、漿砌石、干砌石等剛性防護(hù)，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(yán)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(jiān)持生態(tài)設(shè)計(jì)理念，實(shí)行生態(tài)治理，防護(hù)工程盡量采用具有生態(tài)功能的護(hù)坡形式。

雷諾護(hù)墊作為一種生態(tài)防護(hù)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(hù)墊護(hù)坡的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，為生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒；鄧麗等[9]分析了雷諾護(hù)墊護(hù)坡在波浪作用下的破壞機(jī)理，對其各項(xiàng)性能特點(diǎn)、相關(guān)試驗(yàn)研究、具體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等做了詳細(xì)的介紹；尹志勤[10]從設(shè)計(jì)和施工的角度論述了生態(tài)護(hù)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(hù)岸的特點(diǎn)，結(jié)合雷諾護(hù)墊防護(hù)的基本原理，對中小河流治理中雷諾護(hù)墊穩(wěn)定、變形、厚度、粒徑等設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以期為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供良好的技術(shù)支撐。

1 雷諾護(hù)墊設(shè)計(jì)需考慮的因素

在進(jìn)行雷諾護(hù)墊防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察資料、斷面等進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算，如果岸坡的穩(wěn)定達(dá)不到要求，則應(yīng)進(jìn)行削坡處理。雷諾護(hù)墊設(shè)計(jì)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(jì)算

河岸坡腳處的最大沖刷深度(見圖1)和雷諾護(hù)墊沿坡面的抗滑穩(wěn)定性基本決定了坡腳處雷諾護(hù)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(jì)算坡腳沖刷深度

順壩及平順護(hù)岸沖刷深度的計(jì)算采用現(xiàn)行規(guī)范計(jì)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(hù)墊進(jìn)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(jì)算的結(jié)果，選用較大值作為護(hù)腳的長度。

圖2 雷諾護(hù)墊護(hù)岸穩(wěn)定性分析示意

1.2 護(hù)墊厚度確定

在實(shí)際設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮雷諾護(hù)墊系統(tǒng)的抗沖能力和雷諾護(hù)墊防護(hù)的厚度、石料粒徑大小、以及雷諾護(hù)墊自身的力學(xué)性能。對于雷諾護(hù)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(jì)厚度。

1.2.1流速因素

1) 流速臨界值法

馬克菲爾在20世紀(jì)80年代對雷諾護(hù)墊進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，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(hù)墊的經(jīng)驗(yàn)抗沖流速[13]，但僅用于初步設(shè)計(jì)的選用。

表2 雷諾護(hù)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(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。

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

(5)

2) 基于深度平均局部速度的方法

Maynord17]認(rèn)為基于剪應(yīng)力的雷諾護(hù)墊厚度設(shè)計(jì)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(tuán)1991年的“防洪渠道的水力設(shè)計(jì)”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(jì)方法，該方法使設(shè)計(jì)人員能夠比局部邊界剪切更好地估計(jì)局部速度，而且揭示了雷諾護(hù)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(hù)墊填石粒徑的設(shè)計(jì)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(yàn)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(hù)墊的填石平均粒徑計(jì)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(hù)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(hù)墊厚度：

t=2.0Dm

(7)

式中t為雷諾護(hù)墊的最小厚度。實(shí)際使用中應(yīng)選用厚度不小于t的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格雷諾護(hù)墊。

1.2.2波浪因素

K.W.Pilarczyk等人[20]認(rèn)為波浪打到護(hù)坡結(jié)構(gòu)上的過程是一個復(fù)合流動，波浪爬高過程中，會有一個與護(hù)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(hù)坡覆層的拖拽力(吸力)和揚(yáng)壓力更容易使護(hù)坡結(jié)構(gòu)破壞，見圖3所示；另外，波浪對護(hù)坡基礎(chǔ)土體(特別是當(dāng)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(dǎo)致滑動和圓弧滑動破壞，見圖4所示。

圖3 波浪作用下護(hù)坡結(jié)構(gòu)荷載示意

圖4 護(hù)坡基礎(chǔ)土體可能的局部滑動模式示意

為了準(zhǔn)確了解波浪對雷諾護(hù)坡的影響，文獻(xiàn)[21]在大量的試驗(yàn)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(jì)準(zhǔn)則：

當(dāng)tanα≥1/3時，

(8)

當(dāng)tanα<1/3時，

(9)

式中α為河岸傾角,°；n為雷諾護(hù)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(jì)高度，m，取值可按文獻(xiàn)[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(yàn)站公式：

(10)

式中符號意義參照《堤防工程設(shè)計(jì)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(dāng)tanα≥1/3時，

(11)

當(dāng)tanα<1/3時，

(12)

1.3 反濾層設(shè)計(jì)

雷諾護(hù)墊具有較大的孔隙，為了防止被保護(hù)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(hù)基土不受侵蝕。

1) 反濾層與地基土界面流速要求

前述文獻(xiàn)[16]根據(jù)水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雷諾護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)土中含有細(xì)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(yàn)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(hù)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(zhǔn)則[25]：

當(dāng)被保護(hù)土級配良好，水力梯度低和預(yù)計(jì)不致發(fā)生淤堵(凈砂、中粗砂)時：

Kg≥Ks

(16)

當(dāng)排水失效導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)破壞，修理費(fèi)用高，水力梯度高，流態(tài)復(fù)雜時：

Kg≥10Ks

(17)

2 工程實(shí)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(biāo)準(zhǔn)不一的防護(hù)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(zāi)嚴(yán)重。本工程洪水標(biāo)準(zhǔn)均在20年一遇及以下，工程范圍內(nèi)防護(hù)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(hù)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(hù)墊進(jìn)行護(hù)坡，根據(jù)前述理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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

1) 坡腳護(hù)墊長度計(jì)算

① 平順護(hù)岸沖刷深度

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)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(jìn)流速U=3.5 m/s，與防護(hù)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(jì)成果，該標(biāo)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(hù)墊護(hù)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(hù)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(jì)算：

雷諾護(hù)墊與岸坡土體的摩擦系數(shù)；fcs=tan28°=0.53。本工程雷諾護(hù)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(jì)算結(jié)果，雷諾護(hù)墊護(hù)腳長度為3 m。

2) 雷諾護(hù)墊厚度計(jì)算

① 水流速度的影響

雷諾護(hù)墊填石粒徑采用流速法進(jìn)行計(jì)算。

首先根據(jù)表2進(jìn)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(hù)墊厚度D=0.3 m，填石粒徑為70～120 mm，d50=0.10 m。但實(shí)際上還需根據(jù)流速法和波浪法的理論進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)算。

第二步，對于經(jīng)驗(yàn)流速公式(公式(5))，本工程雷諾護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(jìn)行修正，取0.98。雷諾護(hù)墊填石粒徑：

因此，雷諾護(hù)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(jì)資料(由公式(10)計(jì)算)，波浪高度Hs=0.5 m，再根據(jù)式(11)，雷諾護(hù)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(biāo)準(zhǔn)尺寸，最終選定雷諾護(hù)墊厚度為0.3 m。

3) 反濾層設(shè)計(jì)

本工程岸坡土體為中密實(shí)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(jì)資料，被保護(hù)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(hù)土的細(xì)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(hù)土的細(xì)粒滲透系數(shù)Ks，滿足要求。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，雷諾護(hù)墊護(hù)岸設(shè)計(jì)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(hù)墊，以上則采用植草護(hù)坡。

圖5 某中小河流治理工程岸坡護(hù)岸設(shè)計(jì)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(hù)墊應(yīng)考慮的護(hù)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(jì)準(zhǔn)則。最后，以某中小河流治理工程為例，說明了采用雷諾護(hù)墊進(jìn)行設(shè)計(jì)的具體計(jì)算流程，通過工程的實(shí)際應(yīng)用分析，為采用雷諾護(hù)墊這一護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式提供了科學(xué)依據(jù)。