雷诺护垫技术在河道护坡工程中的应用及其生态意义

刘 琼 张晨曦

（长沙理工大学河海学院 长沙市 410076）

天然河道水流流速较大，流态较为复杂，行船引起大浪以及河道边坡地质情况差异等，河道防护工程一直是护岸工程的棘手问题。传统的水下抛石护根、干砌石、浆砌石和混凝土预制块护坡等刚性护砌方法，对基床土壤不均匀沉陷适应性差，而且阻断水循环，隔绝生态，对环境造成了破坏。

国外在生态护坡方面的研究比我国早。日本最早提出“亲水”观念，并在生态护坡技术方面进行了实践，推出了植被型生态混凝土护坡技术；法国要求城市河道建设时地面工程尽量建成透水的草地，城市较低的地区或河道两岸滩地，开辟成公园、绿地球场、道路等，平时作为交通、公共娱乐场所，当洪水位较高时作为临时调蓄洪水设施；德国莱茵河的堤防工程建设与环境保护和治理紧密结合。为不影响城市景观，城市附近的堤防采用了活动式堤防。平时河边没有堤防，人们可以尽情地与河水接触，增加人们的亲水性。当预报有洪水时，及时安装活动式堤防。我国生态护坡技术近年也有长足发展，应用植被草、水力喷播植草技术、土工材料绿化网、植被型生态混凝土、水泥生态种植基、土壤固化剂等形式多样的生态护坡技术，形成了水与绿结合的滨水环境[1～2]。

雷诺护垫作为一种生态护坡技术，是人们对水环境要求越来越高、追求与自然和谐相处的背景下逐步发展起来的。这一技术在1894年最先由马克菲尔公司开发并在意大利雷诺河的河道整治工程中应用，其结构具有整体性、柔性、经济性及施工便捷等诸多优点，相关理论研究与设计方法亦已日趋成熟。主要应用于堤坡、岸坡坡面防冲刷护砌和河（渠）床底、坡脚等淘刷防护。本文通过阐述雷诺护垫的技术原理和在水利工程中的实际应用，归纳其应用价值，论述其生态环境效应。

1 护坡雷诺护垫的技术原理

1.1 技术原理

雷诺护垫（RENOMATRESS）是以经镀覆表面防腐处理的低碳钢丝，采用六边形双绞合工艺，用机器编织而成的钢丝网面制成的垫状工程防护构件（附图）。垫中填以合乎要求的石块，共同构成岸坡护砌结构。其结构具有整体性、柔性、经济性及施工便捷等诸多优点，主要应用于堤坡、岸坡坡面防冲刷护砌和河（渠）床底、坡脚等淘刷防护[3～4]。

附图 雷诺护垫（RENOMATTRESS）的结构

1.2 技术特点

高强度、高柔韧性、抗腐蚀性、整体性、优良的压载性能、良好的透水性和促淤性、施工便捷、经济、环保。

2 采用雷诺护垫技术进行护坡的应用案例

2.1 工程概况

合丰垸浏阳河大堤防洪综合整治二期工程主要项目为两段堤防整治，即上游段为从眠羊山渡口沿浏阳河左岸合丰垸老堤防至湘府东路1.41km，下游段为从劳动东路开始沿浏阳河左岸合丰垸老堤防至花桥圭塘河口5.92 km，分别与已建或在建堤防相接，全长7.34km。工程方案为：按防洪标准及设计规范进行大堤的加高、加固、培厚，堤基防渗，外坡防护处理，并进行绿化、美化，同时，改造穿堤建筑物和建设配套设施。

2.2 护岸工程护坡型式

设计枯水位以上的护岸工程，主要防御风浪和水流冲刷岸坡，一般有浆砌块石护坡、混凝土预制块护坡和草皮护坡等形式。合丰垸浏阳河大堤外平台以下至脚槽，对部分堤段设计采用雷诺护垫护坡，对外河护坡采用优凝舒布洛克护垫护坡。外坡在外平台以下5.0m高程设混凝土脚槽，脚槽设800mm×800mm混凝土结构，脚槽以下采用抛石护脚，顶宽2.0m，外坡1∶2。

2.3 护坡工程结构设计

（1）雷诺护垫厚度计算。

根据K.W.Pilarczyk的《护岸的设计》，坝体的裹护体的所需厚度在水的流速可知的情况下，可以采用下式进行计算：

式中 △——裹护体的相对密度；

D——雷诺护垫的厚度(m)；

ucr——平均流速；

Φ——稳定参数，对于雷诺护垫取为0.75；

C*——临界防护参数，对于雷诺护垫取为0.07；

KT——紊流系数，取1.0；

Kh——深度系数，取1.0；

KS——边坡系数，，

θ——丁坝护坡的坡脚，当边坡为1∶2时为26.6°；

Φ——雷诺护垫内填石的内摩擦角，采用41°。

根据式（1），当水流流速为3m/s时，如果采用雷诺护垫，厚度达到0.239m即可。依照雷诺护垫的规格，选用0.30m厚的雷诺护垫。

（2）雷诺护垫的稳定计算。

稳定计算包括：雷诺护垫的抗漂浮校核、雷诺护垫抗边缘掀动校核、雷诺护垫抗顺坡下滑校核。

① 雷诺护垫的抗漂浮校核：堤防出险往往是在风雨交加的恶劣天气条件下发生的，因此，先要进行风浪作用下的稳定性计算。根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98），按照连锁压载考虑，要求的稳定系数SN＜5.7：

式中 H——浪高，取（1.1～1.5）m；

δm——雷诺护垫厚度，取0.3m；

γ′γ——雷诺护垫的浮相对容重；

γα、γω——雷诺护垫容重与水容重，取22kN/m3和10kN/m3；

求得：SN=4.167，满足要求。

② 雷诺护垫抗边缘掀动校核：根据SL/T225-98规定，当水下流速不大于按下式算得的临界流速Vcr时，则雷诺护垫是稳定的。

式中 θ——系数，按规范要求取1.4；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

求得：Vcr=2.63m/s，作用于河底的水流流速一般在（0.8～1.5）m/s之间，满足要求。

③ 雷诺护垫抗顺坡下滑校核：雷诺护垫的抗顺坡下滑稳定性计算考虑极限状态，即设计冲刷深度在15.0m的情况。

护面稳定性的极限状态发生在石块将要移动的临界点，此时如果护坡上产生的剪应力小于临界剪应力，则护坡为稳定状态。即：τm≤τs

式中 τm——作用于坡面的剪应力；

τs——临界状态下坡面上的允许剪应力。

其中：

临界状态下坡面上允许剪应力的表达式为：

式中 KS——坡度参数；

θ——护坡的坡度，当边坡为1∶2时为26.56°；

Φ——雷诺护垫内填石的内摩擦角，采用41°。

计算表明，在最大冲刷水深的条件下，坡面上的剪应力τm=0.0259kN/m2小于采用雷诺护垫时的允许剪应力τs=0.0768kN/m2，雷诺护垫护坡是稳定的。

2.4 应用效果评价

（1）雷诺护垫施工完毕即可投入使用，避免了水泥圬工结构需要一定时期养护，结构发挥效益需延时的问题。

（2）雷诺护垫作为整体性和柔软性良好的结构，较好的适应了基床土壤的局部沉降，并且通过内部的小变形可释放结构内的集中应力，不会产生结构性损伤。避免采用刚性砌体结构可能产生的不均匀沉降开裂、破坏点易迅速扩散的问题。

（3）雷诺护垫是一种生态性、透水性防护，保护了当地生态的原生性，利于环境的自然平衡。而刚性封闭式护砌，会硬性阻隔水与周边地下水自然交换，切断水中微生物迁徙途径与破坏这些自然生态的敷衍生息的环境。

（4）该工程采用雷诺护垫技术，较传统的浆砌石或混凝土预制块方案，经粗略估算，工程造价节省了12%～20%。

3 护坡雷诺护垫技术的生态意义

（1）对于冲崩岸严重的岸坡护砌，传统刚性结构难以适应。

雷诺护垫护砌具有柔性结构特征，可自适应被护砌岸坡基床土壤的局部变形；其钢丝经防腐处理，具有很好的耐久性能；施工便捷、价格较低廉；结构本身可自然生长植物，美化环境。

（2）雷诺护垫技术避免使自然河流出现渠道化和非连续化的态势，不会拦截天然径流、可调节地表径流、土壤水分与河水可以交换[5]。

对于生物群落至关重要的营养物质可保持输移的连续性，随着自然水文周期的丰枯变化以及洪水漫溢，进行交换、扩散、转化、积累和释放。沿河的水生与陆生生物随之生存繁衍，能够调动自然生态因子，与环境高度亲和[6]。帮助和促进原生植物生长，这些植物的根系反过来又起到稳固岸坡的作用，若干年后甚至达到基本取代防护结构，成为自然平衡的主导因素。在国外，那些建成数十年、上百年的雷诺护垫护砌工程，很多已达到了这样的效果。因此，雷诺护垫技术与环境高度融合，生态效果良好，值得推广应用。

4 结 语

水利工程与环境的融合，越来越受到关注和重视。生态护坡是融现代水利工程学、生物科学、环境科学、生态学、美学等学科于一体的水利工程，有助于生物多样性，河流水质的改善，以及提供给人们一个见水、近水、亲水的美好环境，重现大自然的勃勃生机。因此，生态护坡是现代河流治理的发展趋势，是水利建设发展到一种相对高级形态的必然结果[7]。雷诺护垫技术具有良好的性能，在水利护坡、水堰、丁坝、护岸、防波堤、渠道等工程中必将得到广泛的应用[8～9]。

1 夏继红,严忠民.浅论城市河道的生态护坡[J].中国水土保持,2003 , (3 ):11 -16 .

2 杨宏伟,吴吉祥.浅谈防洪工程的生态护坡 [J].黑龙江科技信息, 2008 ,(1 ):10 -15 .

3 刘新,黄伦超,张韬.雷诺护垫在海漫及防冲槽中的应用[J].水道港口,2009 (3 ):36 -44 .

4 罗楠.生态护坡在河道治污工程中的应用[J].中国水土保持,2006 , (4 ):2 -6 .

5 蔺秋生,黄莉.水利工程对环境影响及其工程补偿措施浅析[J].水利电力科技,2007 .33 (1 ):12 -19 .

6 董哲仁.筑坝河流的生态补偿[J].中国工程科学,2006 .8 (1 ):5 -10 .

7 吴兴亚,李永顺,张艳秋.钢筋网结构在水利工程中的应用[J].黑龙江水利科技,2001 ,(3 ):12 -15 .

8 邢玉卿,李旭东,张建辉.钢筋焊接网在水利工程中的应用[J].海河水利,2002 ,(2 ):22 -25 .

9 王克强.钢筋焊接网在水利工程中的应用[J].海河水利,2009 ,(10 ): 10 -11 .