雷诺护垫在丰溪河整治工程中的应用

戴 霖，简鸿福，吕 辉，杨 霞

(1.江西省水利科学院，江西 南昌 330000；2.江西省洪图技术咨询有限公司，江西 南昌 330000)

江西省河流众多，分布广泛，为了保障人民的生命财产安全，保障河流航运能力等，修筑了一系列的堤防、护岸工程[1]。传统的河道护岸工程往往侧重于耐用性和安全性，选用浆砌石、浇筑混凝土等硬质材料对河岸进行加固，但这种护岸型式由于其弱透水性阻隔了水土之间的联系，不利于生态环境的可持续发展。近年来，随着生态理念、环境保护与可持续发展意识的提高，生态护岸由于其在满足结构安全及稳定的同时，又能兼顾对周边生态环境的协调，成为了现代河道治理的发展主流[2- 3]。

雷诺护垫作为生态护岸其中一种结构形式，因其结构整体性、柔韧性、抗冲性等性能优势，在河道岸坡衬护中适用性较广[4- 6]，应用较多，多用于受水流冲刷、风浪侵袭和水土流失严重的护岸、护堤工程。本文以丰溪河项家段岸坡治理工程为例，介绍了雷诺护垫在设计过程中坡脚长度、护垫厚度等相关参数的选取及计算方法，以期对类似堤防设计提供一定的参考价值。

1 雷诺护垫特性

雷诺护垫最早由意大利的马克菲尔公司于1894年提出并在河道工程中进行应用。雷诺护垫是将符合要求的石料填充到经过特殊加工的机编的高伸张率低碳钢丝扎成的柔性立体网笼中，使整体具有一定的孔隙率，然后绑扎盖网，形成的石垫整体岸坡护面。雷诺护垫厚度一般为0.17～0.3m之间，长度为3～6m之间，宽度为2m，雷诺护垫网面所用材料根据不同的使用环境进行相应选择，一般为镀锌丝、镀5%～10%铝锌合金钢丝、镀高尔凡钢丝、PE涂层钢丝、PVC涂层钢丝等[7]。因此，由于雷诺护垫其材料为刚性及柔性相结合，使其结构具有显著的特点。

(1)整体性。雷诺护垫是通过网片的紧密连接形成的一种蜂巢网格的双绞结构，单元箱网格与隔片之间、相邻箱笼之间均使用同质材料进行绑扎，使其形成一个结构连贯、强度较高的整体，在拼装过程中采取连续拼装连接，避免了伸缩缝或沉降缝等施工缝施工。

(2)柔韧性。雷诺护垫中所使用的低碳钢丝由于其柔性特征使得雷诺护垫具有很强的适应变形能力，即使在坡面土体局部沉陷或有发生小的变形影响时，结构能根据自身良好的延展性和柔韧性进行适应性微调，不像传统刚性结构一样产生局部破裂，并逐步扩散。

(3)抗冲性。石笼内填块石存在一定空隙，可减小浪压的冲击力，并破坏风浪的真空吸力，且整体结构可在风浪力作用时进行微调。通过马克菲尔公司通过试验结果以及多年的工程经验的总结，得到各种厚度雷诺护垫的经验抗冲流速[8]，见表1，其承受水流冲刷能力较强。

(4)自透水性。网箱内填充料之间的孔隙具有天然的透水性，使其结构形成一种“可渗透性”，当降雨或其他原因导致的地下水位过高时，可以迅速降低并消散孔隙水压力，保持土体强度，降低坡面滑动的风险。

表1 雷诺护垫系列防护与流速的关系表

注:临界流速指铺面保持稳定而没有因填石发生移动的流速，极限流速指尽管由于护垫间隔中石块的移动导致雷诺护垫部分变形而仍可接受的流速。

(5)耐久性。雷诺护垫所使用的网箱由具有高强度的钢丝经过机械编织、组装而成，加上优良的镀层工艺，增加了钢丝的抗腐蚀性，使其具有较强的耐久性能。

(6)生态环保性。结构内存在较多的填石孔隙，在与土壤长期接触过程中会被土壤逐渐填满，从而有利于自然植物的生长，逐步恢复原有的生态环境。结构填充料之间的缝隙可以促进水体交换的能力，同时增强水体的自净能力。

(7)经济性。填充材料一般为卵石和块石，来源较丰富，便于就地取材。网箱可进行折叠运输，施工工艺简单，对人工及机械设备要求不高。

(8)施工便捷性。雷诺护垫施工中操作简便，对技术工人要求不高，在有机械进行配合的情况下，能够加快施工进度，且效果易于保证。

2 工程案例

2.1 工程概况

丰溪河是信江流域第二大支流，位于江西省东北部。主河道长117.0km，坡降1.8‰。流域面积2258.0km2。项家段位于丰溪河中游段左岸，属广丰区五都镇境内。工程防护对象主要以村庄及农田为主。该段长770m，现状岸坡顶高程为123.07～124.88m，现状岸坡高2.7～4.0m，岸坡较陡，迎水坡坡比一般为1∶1.5～1∶1.75，为土质岸坡，现状为简易干砌石护坡，近年来因冲刷能力较低，存在局部堤段块石剥落缺失、堤脚淘空等问题，给沿岸居民的生命财产安全造成了隐患。本次采用雷诺护垫生态护坡对该段进行加固整治。

2.2 设计计算

雷诺护垫结构设计主要考虑护垫坡脚长度、填石粒径及护垫厚度等影响因素[9]。

2.2.1护垫坡脚长度计算

护垫坡脚长度可根据坡脚最大冲刷深度及护垫抗滑稳定性进行综合确定[10]。

(1)坡脚冲刷深度计算

根据CECS 353—2013《生态格网结构技术规程》[11]，护坡坡脚采用护垫时，其防护范围应向河床中延伸1.5～2.0倍的最大冲刷深度，因此，坡脚水平段的铺设长度L与最大冲刷深度ΔhB的关系如下:

L≥(15～20)ΔhB

(1)

根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[12]，结合本河段地形特征，采用水流平行于防护工程产生的冲刷深度计算公式：

(2)

式中，ΔhB—局部冲刷深度，m；hP—冲刷处冲刷前的水深，m；VCP—平均流速，m/s；V允—河床面上允许不冲流速，m/s；n—取值与防护岸坡在平面上的形状有关，可取n=1/4。

根据(2)式，计算出该河段局部最大冲刷深度ΔhB为0.60m，由(1)式得到坡脚水平段的铺设长度L最小为0.9～1.2m。

(2)护垫抗滑稳定性复核

根据静力平衡条件，对雷诺护垫进行受力分析，需满足在自重的坡向分力下不会产生滑动，如图1所示，即坡面抗滑稳定系数Fs≥1.5。如下式：

(3)

式中，L1、L2—坡面及坡脚护垫长度，m；α—岸坡与水平面的夹角，(°)；fcs—护垫与坡面土间的摩擦系数，fcs=tanφ，φ—坡内土体内摩擦角，当雷诺护垫下设土工布时，摩擦系数建议减小20%。

图1 雷诺护垫抗滑稳定分析示意图

根据(3)式，计算所需护垫坡脚长度L2为5m。

综和上述两种计算方法，选用坡脚长度计算较大值作为护脚的长度。但根据实际情况，若坡脚长度为5m时，会相应增加施工难度，如施工面及围堰填筑均需向河道中心偏移；且对于其它固脚形式而言，投资较大，因此本次采用1.0m×1.0m格宾石笼固脚设计。

2.2.2雷诺护垫的厚度计算

(1)对于工程初步设计，可根据表1对雷诺护垫的厚度进行初选。

(2)雷诺护垫的厚度可参照《生态格网结构技术规程》中方法计算，该方法可适用于缓流河段(河道坡降一般小于2%)，且计算护垫厚度在150至500mm范围内。公式如下所示：

T=20Dm

(4)

(5)

Cv=1.283-0.21lg(R/b)

(6)

式中，T—护垫的最小厚度；Dm—护垫中填石的平均粒径；So—安全系数，最小取1.1；Cs—填石的稳定系数，一般取0.1(适用于有棱角填石，且最大与最小填石尺寸比例应在1.5至2.0之间)；Cv—流速分布系数；d—流速V处的局部水深度，m；rw、rs—水及填石的重度，kN/m3；V—断面平均流速，m/s；g—重力加速度，9.81m/s2；K1—边坡修正因子，坡度1∶1、1∶1.15、1∶2、1∶3分别取0.46、0.71、0.88、0.98，坡度1∶4以上取1.0；R—水力半径，m；b—水面宽度，m。

根据(5)式，计算出该河段雷诺护垫填石的平均粒径Dm为0.095m，再由(4)式则得到护垫最小厚度T为0.19m，结合雷诺护垫常规的生产规格，确定本次选用0.23m厚雷诺护垫。

2.3 典型断面设计

根据上述设计计算，结合该段地形条件，最终确定本次治理方案为：采用格宾石笼固脚，固脚以上采用雷诺护垫厚度0.23m，边坡1∶2.0，护垫下设置聚酯长纤无纺布。典型断面设计如图2所示。

图2 丰溪河项家段典型断面设计图

3 结语

(1)雷诺护垫因其结构特点，在满足传统护坡安全性的同时，更具生态环保的优势，在河道岸坡整治中的应用更加广泛。

(2)本文以实际工程为案例，介绍了在雷诺护垫设计中，对护垫坡脚长度、填石粒径及护垫厚度等问题的具体计算方法，可以为今后采用雷诺护垫这一生态护岸结构形式的相关工程提供了一定的参考依据。