箱體與插板組合型生態(tài)護(hù)岸消浪試驗(yàn)研究

廖 鵬 丁天平 鄭 龍 陳一梅

(1東南大學(xué)交通學(xué)院， 南京 211189)(2 江蘇省無錫市航道管理處， 無錫 214031)(3 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 武漢 430040)

在通航河流和人工航道中，為防止水土流失、船行波淘刷、船舶撞擊等破壞河岸，同時強(qiáng)調(diào)防洪與通航等功能，一般采用石塊、混凝土等硬質(zhì)材料覆蓋岸坡.然而，隨著人們越來越重視生態(tài)環(huán)境，這些硬質(zhì)護(hù)岸割裂了水體與土壤，破壞了土-植物-生物之間的物質(zhì)和能量循環(huán)系統(tǒng)，對生態(tài)環(huán)境和景觀造成了一定的脅迫[1-2].為此，提出了生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，利用植物及工程材料[3-4]，構(gòu)建具有生態(tài)功能的岸坡系統(tǒng)，通過生態(tài)工程的自組織與自我修復(fù)等功能[5]，實(shí)現(xiàn)岸坡的抗沖蝕、抵風(fēng)浪、減污染[6]，維持岸坡植物生存環(huán)境、提高岸坡動物和微生物棲息地質(zhì)量、營造健康的航道生態(tài)系統(tǒng)和改善人居環(huán)境等[7].

為構(gòu)建暢通高效安全綠色交通運(yùn)輸系統(tǒng)，適用新時代航道整治工程向生態(tài)環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變，促進(jìn)航道建設(shè)對河流生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與保護(hù)，近年來我國在航道生態(tài)護(hù)岸建設(shè)方面進(jìn)行了大量探索與實(shí)踐.特別是在長江中下游地區(qū)，生態(tài)護(hù)岸已在航道整治工程中得到大量應(yīng)用.根據(jù)航道自然條件以及所采用的材料，生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式可歸納為兩大類：①以植物保護(hù)為主的柔性植被型生態(tài)護(hù)岸，如木樁、蘆葦、香根草、棕櫚纖維墊等，適用于水域?qū)掗熐覛夂驕嘏暮哟矠┑鼗蚓徠?；②采用植物與天然或人工材料相結(jié)合的綜合型生態(tài)護(hù)岸，適用于河寬受限或需要人工硬化處理的岸坡，避免河岸因受到持續(xù)荷載作用破壞而影響通航功能，在生態(tài)岸坡的防護(hù)費(fèi)用和生態(tài)效益之間取得平衡[8].

長三角地區(qū)的航道受自然條件影響，絕大部分屬于水面狹窄、斷面系數(shù)小的限制性航道，通航船舶噸位和流量較大，因而引起的船行波對航道生態(tài)岸坡結(jié)構(gòu)的持續(xù)影響也較大，需要引起重視[9-10].以往內(nèi)河航道船行波研究主要是針對船行波尺度、對岸坡沖刷作用、護(hù)岸塊體大小與布置等問題[11-12]，關(guān)于生態(tài)護(hù)岸消減船行波的試驗(yàn)較少，研究成果亦很少.為增強(qiáng)限制性航道生態(tài)護(hù)岸消減船行波，本文提出了一種適用于長三角地區(qū)限制性航道的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，以體現(xiàn)人與自然的友好交互，并依托某航道整治工程建設(shè)試驗(yàn)段，進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)分析該新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的消浪性能，供相關(guān)航道生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計(jì)參考.

1 箱體與插板組合型生態(tài)護(hù)岸

長三角地區(qū)多橋梁和多水閘，航道水位多由周邊節(jié)制閘、抽水機(jī)站控制，有其獨(dú)特的水文特征[13].根據(jù)錫澄運(yùn)河青陽水文站近年資料(見圖1)，20年一遇最高水位為2.97 m(85國家高程，下同)，綜合歷時保證率50%，60%，70%，80%和98%對應(yīng)的水位值分別為1.58，1.50，1.42，1.36和0.97 m，表明該地區(qū)水位變幅相對天然河流較小，常水位持續(xù)時間長.

(a)水位過程線

(b)累計(jì)頻率曲線

相應(yīng)地，限制性航道護(hù)岸結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是采用柔性結(jié)構(gòu)局部取代傳統(tǒng)剛性硬質(zhì)護(hù)岸，降低剛性硬質(zhì)護(hù)岸高度，形成直立式硬質(zhì)結(jié)構(gòu)(一級)+斜坡式柔性結(jié)構(gòu)(二級)的組合型護(hù)岸，如圖2所示.這樣能較好地減小硬質(zhì)護(hù)岸對環(huán)境的脅迫，達(dá)到生態(tài)護(hù)岸的防護(hù)功能與生態(tài)功能的平衡.根據(jù)航道水位變化特征，河岸帶植、生物生存條件，行洪與行船的水流與波浪特點(diǎn)，將生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的橫斷面從下往上分為重防護(hù)區(qū)、親水區(qū)、景觀區(qū).常水位以下的重防護(hù)區(qū)重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性、抗沖刷和防撞擊等；介于常水位與最高通航水位間的親水區(qū)主要強(qiáng)調(diào)采用植物與天然或人工材料構(gòu)建的一級平臺的生態(tài)功能[14]，兼顧結(jié)構(gòu)的景觀性且便于維護(hù)；最高通航水位以上的景觀區(qū)重點(diǎn)考慮與當(dāng)?shù)丨h(huán)境和文化相適應(yīng)的生態(tài)景觀設(shè)計(jì).

圖2 近年長三角地區(qū)限制性航道護(hù)岸結(jié)構(gòu)演變趨勢示意圖

在保證生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生態(tài)性的前提下，實(shí)現(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)性是十分必要的.降低生態(tài)護(hù)岸的造價，重點(diǎn)是降低防護(hù)結(jié)構(gòu)的高度和(或)強(qiáng)度，包括在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下降低一級硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度和二級柔性結(jié)構(gòu)的防護(hù)強(qiáng)度，其中關(guān)鍵之一就是減輕作用在護(hù)岸結(jié)構(gòu)上的荷載.對于限制性航道，作用在岸坡上的主要破壞荷載之一是船行波，因此這類生態(tài)護(hù)岸非常有必要具有一定的消減船行波性能.基于此，文獻(xiàn)[15]提出了一種箱體與插板組合型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，一級硬質(zhì)護(hù)岸采用預(yù)制透水鋼筋混凝土箱體與插板的組合型結(jié)構(gòu)，相鄰箱體通過插板連接，插板固定于箱體兩側(cè)外壁中部的卡槽內(nèi)，如圖3所示.

(a)結(jié)構(gòu)平面圖

1—最高通航水位; 2—常水位; 3—最低通航水位; 4—護(hù)岸底板; 5—錨固鋼筋; 6—箱內(nèi)回填塊石; 7—預(yù)制透水鋼筋混凝土箱體; 8—現(xiàn)澆混凝土壓頂; 9—預(yù)制鋼筋混凝土插板; 10—蘆葦; 11—防護(hù)植物; 12—回填土; 13—錨固壕; 14—土工布; 15—碎石排水通道; 16—底板防滑凸榫

(c)現(xiàn)場實(shí)施圖

一級硬質(zhì)護(hù)岸采用預(yù)制透水鋼筋混凝土箱體，能夠滿足護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性、抗沖刷等.箱體壁設(shè)置透水孔，內(nèi)填塊石或廢棄混凝土塊體，空隙大，可再造濕地環(huán)境.迎水立面形成的格柵型結(jié)構(gòu)有一定的促淤效果，將有助于在岸前形成多樣性的水流、部分恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng).采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，可以基本實(shí)現(xiàn)工廠化制作和機(jī)械化施工，提高施工質(zhì)量和速度.一級護(hù)岸平臺頂高程設(shè)置在常水位附近，既能降低工程造價，又能減小對環(huán)境和景觀的脅迫.插板的高度和寬度以及擺放位置主要考慮其上部形成的透空板式防浪結(jié)構(gòu)、立面形成的格柵型消浪結(jié)構(gòu)的消浪效果，可根據(jù)試驗(yàn)確定.一級硬質(zhì)護(hù)岸臨水側(cè)頂部澆筑混凝土壓頂或壓頂與下部箱體整體預(yù)制，與插板咬合形成擋土墻，以利于平臺上種植各類喜水或耐水植物，防止回填土流失或被淘刷.為了增加護(hù)岸結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性，底板宜設(shè)置防滑凸榫.二級柔性護(hù)坡為連接一級護(hù)岸平臺和地面的生態(tài)型斜坡.

實(shí)踐表明[16]，通過優(yōu)化硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的豎向尺度及縱向布置，該結(jié)構(gòu)相比全部采用鋼筋混凝土箱體護(hù)岸結(jié)構(gòu)，其工程造價節(jié)約15%～20%，在增強(qiáng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的生態(tài)環(huán)境效益的同時，亦取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益.需要注意的是，該新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)采用預(yù)制構(gòu)件裝配，結(jié)構(gòu)整體性不強(qiáng)，使用時應(yīng)避免船舶猛烈撞擊，影響結(jié)構(gòu)安全，如有損毀，應(yīng)及時修補(bǔ).施工時，箱體與插板間的縫隙應(yīng)灌注砂漿并鋪設(shè)土工布防止?jié)B漏土，箱內(nèi)回填料應(yīng)注意級配以提高箱體的抗撞擊力，壓頂后回填土厚度宜大于0.5 m.

2 現(xiàn)場消浪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

在工程試驗(yàn)段進(jìn)行該生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的消浪性能現(xiàn)場試驗(yàn)[12].試驗(yàn)段位于錫澄運(yùn)河某順直段，全長466 m，設(shè)計(jì)航道底寬45 m、水深3.2 m，航道口寬70 m，滿足1 000 t級頂推船隊(duì)雙向航行要求.試驗(yàn)段箱體結(jié)構(gòu)高為1.75 m、寬1.2 m，頂高程1.50 m(含0.50 m高壓頂)；插板頂高程1.80 m，插板高2.55 m、寬0.7 m、厚0.3 m；護(hù)岸底板頂高程為-0.75 m，底板底部設(shè)置防滑凸榫[16].

現(xiàn)場試驗(yàn)采用南京水利科學(xué)研究院研制的CBY-Ⅲ波高測量系統(tǒng)，10個波高儀分2排布設(shè)，1#～5#分別為測點(diǎn)，具體如圖4所示.試驗(yàn)船包括蘇海巡02111、蘇錫工0078船(500 t)、機(jī)動駁(300 t)等特殊船舶以及泰州港2018(800 t)、金順航198(800 t)等貨船.根據(jù)不同水位時試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段(連續(xù)箱體護(hù)岸結(jié)構(gòu)、頂高程1.80 m)現(xiàn)場情況，進(jìn)行了不同離岸距離、船速條件下的實(shí)船試驗(yàn)，共計(jì)50組，詳見表1.

(a)常水位

(b)高水位

工況編號試驗(yàn)船名噸位/t試驗(yàn)組次位置日期離岸距離/m船速/(m·s-1)水位/m備注AB蘇海巡02111泰州港201880065試驗(yàn)段試驗(yàn)段2014-04-022014-04-0210103.27～4.122.54～3.321.50～1.601.50～1.60常水位常水位CD蘇錫工0078機(jī)動駁500300176試驗(yàn)段試驗(yàn)段2014-09-252014-09-255～3910～372.27～4.911.70～3.841.80～1.921.80～1.92高水位高水位EFG金順航198蘇錫工0078機(jī)動駁800500300745非試驗(yàn)段非試驗(yàn)段非試驗(yàn)段2014-09-262014-09-262014-09-2693030201.77～3.323.24～4.262.87～4.171.80～1.851.80～1.851.80～1.85高水位高水位高水位

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)場測得的船行波數(shù)據(jù)可信[12].現(xiàn)場試驗(yàn)中船舶通過時的瞬時情況和水面波動過程分別如圖5和圖6所示.可見：① 當(dāng)船行波波高較小時，迎水立面的格柵型結(jié)構(gòu)(格柵寬0.6 m、深0.4 m)和上部的透空板式結(jié)構(gòu)(板寬0.7 m、間距1.1 m)能夠較好地耗散船行波能量；② 當(dāng)船行波波高較大時，格柵型結(jié)構(gòu)和透空板式結(jié)構(gòu)均能夠很好地耗散船行波能量，部分波浪越過一級護(hù)岸而破碎在一級平臺和二級護(hù)坡坡腳，降低了反射回航道內(nèi)的船行波；③ 若一級平臺上再種植水生防浪植物，如蘆葦或香根草等，消減作用在一級平臺和二級生態(tài)護(hù)坡(尤其是坡腳)上的波浪，以便保證在降低一級硬質(zhì)護(hù)岸高度的條件下滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，同時也增加臨近岸坡水體的水流多樣性，有利于維護(hù)水域生物群落多樣性.需要說明的是，因需觀測作用在一級平臺或二級護(hù)坡坡腳的波高，避免水生植物的影響，現(xiàn)場試驗(yàn)時試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段一級平臺均未種植水生消浪植物.

(b)試驗(yàn)段，800 t船，常水位

(c)試驗(yàn)段，500 t船，高水位

(d)非試驗(yàn)段，500 t船，高水位

圖6 C組某次試驗(yàn)各測點(diǎn)水面波動過程

2.3 反射系數(shù)

對于不規(guī)則波，其反射系數(shù)計(jì)算方法為

(1)

式中，Kf為反射系數(shù)；Him,Hrm分別為入、反射波高；m為波浪頻率數(shù).根據(jù)各波高儀測量的復(fù)波面高度，采用滕斌等[17]提出的三點(diǎn)法求解斜向波浪入射角和反射系數(shù)，分離出入射、反射波高，得到各組次的反射系數(shù).不考慮船行波波周期對反射系數(shù)的影響.

圖7給出了試驗(yàn)段在常水位和高水位時船行波反射系數(shù)Kf與實(shí)測的船行波最大波高H的關(guān)系.可以看出，該新型生態(tài)護(hù)岸在中高水位時的Kf與H顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.856)，而與船型、水位等的關(guān)系并不明顯.現(xiàn)場試驗(yàn)中，H范圍在8～77 cm，Kf介于0.82～0.50.H越大，Kf越小.當(dāng)H在45～55 cm時，Kf平均值為0.65；當(dāng)H在25～40 cm時，對應(yīng)的Kf平均值為0.69.

圖7 試驗(yàn)段船行波的Kf -H關(guān)系

圖8給出了非試驗(yàn)段船行波反射系數(shù)Kf與船行波最大波高H的關(guān)系.可以看出，當(dāng)?shù)退儇洿ㄟ^連續(xù)箱體組成的非試驗(yàn)段時，H較小(小于10 cm)，Kf平均值為0.92；當(dāng)H在30～55 cm時，對應(yīng)的Kf平均值為0.80.這與文獻(xiàn)[11]通過現(xiàn)場實(shí)船試驗(yàn)得到的不透水直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)的船行波反射系數(shù)基本一致(H為9～24 cm時，Kf介于0.99～0.84之間).

圖8 非試驗(yàn)段船行波的Kf-H關(guān)系

圖9比較了試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段的船行波反射系數(shù).可以看出，相同船行波最大波高條件下，試驗(yàn)段的Kf明顯小于非試驗(yàn)段(其差值大于0.1)，而且H越大，其差值相對越大.表明該生態(tài)護(hù)岸(試驗(yàn)段)比連續(xù)箱體護(hù)岸結(jié)構(gòu)(非試驗(yàn)段)的消浪效果要好，而且船行波越大，消浪效果越好.這主要是因?yàn)橄潴w和插板組合型結(jié)構(gòu)與連續(xù)箱體結(jié)構(gòu)相比有如下差異：① 降低了箱體的高度，一級硬質(zhì)護(hù)岸上部從平面變成高低錯落的透空板式防浪結(jié)構(gòu)；② 減少的箱體用插板代替，迎水立面由平面變成格柵型消浪結(jié)構(gòu).這均有利于消減船行波，增強(qiáng)新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的消浪效果.

圖9 試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段船行波的Kf-H關(guān)系比較

2.4 坡腳處波高

當(dāng)船行波較大時，有部分波浪越過一級護(hù)岸而作用在一級平臺和二級護(hù)坡坡腳.盡管一級平臺上種植的蘆葦?shù)人参锞哂辛己玫木彌_消浪能力，能夠?qū)σ患壠脚_和二級生態(tài)護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，但作用的船行波也不宜太大.圖10給出了試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段在常水位和高水位時二級坡坡腳處波高Hs與船行波最大波高H的關(guān)系.可以看出，除蘇海巡的船行波和坡腳處波高較大外，其他情況下的坡腳波高均小于10 cm，船行波最大波高越小，坡腳處的波高越小.例如，船行波最大波高在45～55 cm時，坡腳處波高平均為9.4 cm；當(dāng)最大波高在25～40 cm時，坡腳處波高平均為5.0 cm，當(dāng)最大波高小于20 cm時，坡腳處波高小于2.0 cm.需要說明的是，非試驗(yàn)段坡腳處波高相對較小是因?yàn)槠湟患壠脚_比試驗(yàn)段高約30 cm，上浪量要小.

圖10 試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段二級平臺坡腳處Hs與H關(guān)系

上述2次試驗(yàn)都是在一級平臺未種植蘆葦?shù)人览酥参锏臈l件下進(jìn)行的.若一級平臺上種植的水生防浪植物成活后，將有助于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的消浪性能.根據(jù)京杭運(yùn)河兩淮段整治工程中進(jìn)行的蘆葦消浪試驗(yàn)研究[18]表明，寬幅4～8 m、密度40～90株/m2的蘆葦?shù)木彌_消浪率(消浪值/葦前浪高)約為0.32～0.59，且隨著蘆葦植物密度和寬度的加大，其緩沖消浪效果越好.圖11為無錫某運(yùn)河生態(tài)護(hù)岸試驗(yàn)種植的蘆葦，不僅可以減緩作用在二級生態(tài)護(hù)坡上的船行波，還能利用蘆葦龐大的網(wǎng)狀須根系固土，提高生態(tài)岸坡的穩(wěn)定性[19].需注意的是，要加強(qiáng)水生防浪植物種植初期的管理，及時進(jìn)行補(bǔ)土和補(bǔ)種，保證其成活率.可利用長三角地區(qū)低水位期(12月―翌年2月)種植蘆葦，易于其生長(此時無需其消浪)，待到高水位時(6月―10月)，成活后的蘆葦就有固土、消浪、護(hù)坡等作用.

(a)夏季

(b)冬季

3 結(jié)論

1)提出了適合限制性航道的箱體與插板組合型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的豎向尺度及縱向布置，在增強(qiáng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)生態(tài)效益的同時，亦取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益.

2)該新型護(hù)岸在中高水位時的反射系數(shù)與船行波最大波高顯著相關(guān)，船行波最大波高介于8～77 cm時，反射系數(shù)為0.82～0.50，波高越大，反射系數(shù)越小，比連續(xù)箱體護(hù)岸的消浪效率效果更好.

3)一般情況下該新型生態(tài)護(hù)岸二級生態(tài)護(hù)坡坡腳的波高較小，一級平臺種植水生防浪植物并成活后，能夠防護(hù)船行波對一級平臺和二級生態(tài)護(hù)坡的破壞，從而提高生態(tài)岸坡的穩(wěn)定性.

4)可采用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)對該結(jié)構(gòu)的透空板式和格柵型消浪結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步分析該新型護(hù)岸結(jié)構(gòu)的促淤效果及其對行洪的影響.該護(hù)岸結(jié)構(gòu)整體性不強(qiáng)，使用中應(yīng)避免船舶猛烈撞擊，影響結(jié)構(gòu)安全，如有損毀，應(yīng)及時修補(bǔ).