堤防防浪林寬度設(shè)計方法探討

田雨普 劉娟 潘明強

摘要：在堤防工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置必要的超高，以抵御洪水波浪的沖擊。堤防臨水側(cè)的防浪林可削弱波浪的沖擊破壞，進而降低堤防設(shè)計超高，減少工程造價。以國內(nèi)某河道堤防超高設(shè)計為例，借用海堤設(shè)計規(guī)范中的喬木消波計算公式，采用國內(nèi)成熟的灌木消波計算公式，尋找最佳的防浪林林相結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)以最小的防浪林寬度取得最優(yōu)的消波效果。同時提出了不同水位下堤防對削減波浪能量的不同要求，以及防浪林寬度和林相結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方法。國內(nèi)多年實踐表明，防浪林能夠有效削減波浪爬高，削弱波浪對堤防的破壞，有效降低堤防超高。

關(guān)鍵詞：堤防；超高；防浪林；寬度；林相結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TV871 文獻標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.007

堤防防浪工程是指為了減少波浪對江河堤防的沖擊破壞、有效降低堤防超高，通常在堤防迎水坡前沿采取的消浪和防護措施，一般分為生物措施（如草皮、蘆葦、防浪林）和工程措施（如塊石、混凝土板護坡、防浪墻、防波堤等）兩類。

防浪林是種植于堤防臨水側(cè)灘地、用于防浪護堤和搶險取材的專用林，是堤防的重要組成部分和抵御洪水的一道有效防線，也是沿河地區(qū)的綠色生態(tài)屏障。在我國，防浪林的種植已有近千年的歷史。據(jù)《荊江大堤志》記載：“清定例，大堤離腳五十丈以內(nèi)不準(zhǔn)人民耕種，興工（歲修）之時，亦復(fù)在五十丈以外取土，限制極嚴(yán)。一則恐礙堤腳致有崩銼之患，一則留有余地以便栽種蘆葦楊柳，藉以擋護?！?998年，長江流域發(fā)生了百年罕見的特大洪災(zāi)，洞庭湖的洪水幾乎要漫過大堤，當(dāng)時抗洪軍民把防浪林繁密的枝條砍下，沉人水中，緩解了洪水對大堤的猛烈沖擊，保護了大堤的安全。

防浪林的消浪作用與防浪林帶的寬度、林相結(jié)構(gòu)（喬木、灌木組合方式）密切相關(guān)。本文以國內(nèi)某河道堤防超高設(shè)計為例，結(jié)合防浪林消波計算，提出一種防浪林寬度和林相結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方法。1無防浪林條件下的堤防超高計算

《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）（以下簡稱“規(guī)范”）要求，設(shè)計堤頂高程為設(shè)計洪水位加超高。超高為波浪爬高、風(fēng)壅增高及安全加高三者之和，按下式計算：

Y=R+e+A（1）式中：Y為堤頂超高，m；R為設(shè)計波浪爬高，m；e為設(shè)計風(fēng)壅增水高度，m；A為安全加高，m。

1.1 設(shè)計波浪爬高

（1）設(shè)計波浪爬高按下式計算：式中：R，為累計頻率為尸的波浪爬高，m，對不允許越浪的堤防，爬高累計頻率宜取2%；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，草皮護坡取0.90；K，為經(jīng)驗系數(shù)，可根據(jù)風(fēng)速V（m/s）、堤前水深d（m）、重力加速度g（m/s2）組成的無維量

確定，KV取1.25～1.28；KP為爬高累計頻率換算系數(shù)，對不允許越浪的堤防，爬高累計頻率宜取2%，KP取2.07；m為斜坡坡率，m=ctgα=3.0，α為斜坡坡角；H為堤前波浪的計算平均波高，m；L為堤前波浪的計算波長，m。

（2）計算波浪要素H和L，采用“規(guī)范”推薦的莆田試驗站公式：式中：T為計算平均波周期，s；V為計算風(fēng)速，取歷年汛期最大風(fēng)速平均值20m/s的1.5倍，即30m/s；F為風(fēng)區(qū)長度，F(xiàn)=2000～9000m；d為水域的平均水深，取d=4～7m。

波浪爬高計算結(jié)果見表1。

1.2 風(fēng)壅增水高度及安全加高

依據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，設(shè)計風(fēng)壅增水高度e可按下式計算：式中：e為計算點的風(fēng)壅增水高度，m；K為綜合摩阻系數(shù)，可取K=3.6×10-6；β為風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角，（°）。

經(jīng)計算，風(fēng)壅增水高度為0.16～0.20m，數(shù)值較小，為方便討論，忽略不計。

計算堤段為1級堤防土堤，不允許越浪，安全加高取1.0m。各堤段應(yīng)采用的超高見表2。

由表2可以看出，在沒有采取消浪措施的情況下，應(yīng)采用的堤防超高在3.87～4.83m之間。超高過大將大幅增加工程量，需采取有效措施，降低波浪爬高。

2 防浪林消波設(shè)計

根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》（SL 435-2008），對于堤前植防浪林的波浪爬高，應(yīng)先確定防浪林消波后的堤腳前波高，再計算波浪爬高值。

2.1 喬木消波計算公式

根據(jù)海堤設(shè)計規(guī)范，經(jīng)喬木林消波后的堤腳前波高可按下式計算：

Hf=（1-J）H（5）

其中式中：Hf為經(jīng)林帶消波后的波高，m；H為林帶消波前的波高，m；J為防浪林消波系數(shù)；α1為林木枝葉遮蔽系數(shù)，0≤α≤1.00；α2為林木主干遮蔽系數(shù)，0.0006≤α2≤0.0091；R0為林木主干的平均半徑，m；R為林木整體（包括主干和枝葉）的平均半徑，m；w為林木成等邊三角形交錯排列的株距，m；B為林帶寬度，m；L為波長，m。

2.2 灌木消波計算公式

河海大學(xué)傅宗甫對低水狀態(tài)下水中灌木（柔性植物）的消浪能力進行了深入研究，得到波高傳遞率Jt與柔性植物栽植寬度B和水深d之比的關(guān)系式，進而得到柔性植物的消波系數(shù)J：

J=1-Jt（6）式中：Jt為波高傳遞率，Jt=0.9748B/d×100%。

2.3 消波計算結(jié)果分析[1]

根據(jù)該河道實際情況，防浪林由高柳和叢柳組成。初步方案防浪林寬度取50m，其中：高柳24m，叢柳26m：高柳株距2m，叢柳株距1m。

根據(jù)上述林相結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，計算得出消波后的有關(guān)數(shù)據(jù)，見表3。

將消波后的波高Hf代入波浪爬高公式，得出消波后的波浪爬高，見表4。

由表4可看出，經(jīng)防浪林消波后，各堤段波浪爬高削減幅度在1.61～1.99m之間。根據(jù)該河段實際情況，還可以通過調(diào)整高柳和叢柳的寬度組合，即調(diào)整防浪林的林相結(jié)構(gòu)，進一步削減波浪爬高，達到降低堤防超高的目的。

3 林相結(jié)構(gòu)對防浪林消波效果的影響

設(shè)計河段防浪林帶由高柳、叢柳組成。高柳主要削減設(shè)防流量下的波浪沖擊和爬高，叢柳則削減漫灘低水位的波浪能量。二者相輔相成，分別削減不同水位下的波浪能量[2]。

為提高設(shè)防流量下防浪林的消波能力，一應(yīng)增加防浪林帶的寬度；二應(yīng)在防浪林寬度不變或減小的情況下，調(diào)整林相結(jié)構(gòu)，即增加高柳種植寬度、減小叢柳種植寬度。為減少土地占壓面積，在保持高柳株距2m、叢柳株距1m不變的情況下，通過計算，得出多個不同防浪林寬度配合不同林相結(jié)構(gòu)的消浪效果，從中選取較優(yōu)方案。

現(xiàn)列出以下4個方案以供比較。

方案一：防浪林寬度50m，其中高柳寬24m、叢柳寬26m。

方案二：防浪林寬度40m，其中高柳寬20m、叢柳寬20m。

方案三：防浪林寬度35m，其中高柳寬24m、叢柳寬11m。

方案四：防浪林寬度30m，其中高柳寬20m、叢柳寬10m。

方案一的計算結(jié)果已在表4中列出，不再重復(fù)；方案二至方案四的計算結(jié)果見表5至表7。

通過方案一至方案四的不同防浪林帶寬度和不同的林相結(jié)構(gòu)比較，可以得出以下結(jié)論。

（1）設(shè)防流量下防浪林的消波功能主要由高柳承擔(dān)，叢柳主要削減漫灘低水位的波浪能量。

（2）防浪林帶越寬，消波能力越強。

（3）通過增加高柳的種植寬度，可有效削減波浪爬高。如方案三比方案二雖然總寬度減少5m，但高柳寬度增加了4m，其設(shè)計條件下的消波能力優(yōu)于方案二的，但方案三漫灘低水位下的消波能力劣于方案二的。

（4）通過試算不同防浪林寬度和林相結(jié)構(gòu)的消波能力，可找出較優(yōu)的防浪林設(shè)計方案。但要兼顧不同水位下堤防對消減波浪能量的要求，不能片面追求設(shè)防條件下的防浪林消波能力而忽略了堤防的整體功能。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)海堤大多采用較為成熟的工程消浪措施，如消浪平臺、反弧形斷面、消力齒（墩）、灌砌外凸塊石和預(yù)制混凝土異型塊體等，但大江大河仍習(xí)慣采用生物措施，如植樹、種草來抵御波浪沖擊。防浪林的作用突出表現(xiàn)在以下幾方面：一是能夠有效消減波浪爬高，削弱波浪對堤防的破壞，減輕堤防防汛壓力，有效降低堤防超高；二是能夠有效消耗水流能量，減緩順堤行洪的流速，減輕水流對堤防的沖擊破壞；三是能夠有效地緩流落淤、加快沿堤低洼地帶的淤積抬高，塑造高灘、低槽的有利河道形態(tài)；四是能夠為河道防汛提供較好的搶險料物，同時也是沿河地區(qū)的綠色生態(tài)屏障。

參考文獻：

[1]張茂章，宋正明.不同林相結(jié)構(gòu)防浪林的消波性能計算[J].水利水電科技進展，2013，33（6），40-43.

[2]吉紅香，黃本勝，邱秀云.植物消波消浪研究綜述[J].水利水運工程學(xué)報，2005，3（1）：75-78.