基于船行波沖刷影響的改進型生態(tài)護岸研究

韋余廣

(杭州市余杭區(qū)農(nóng)村水利管理站，浙江 杭州 311100)

河道治理是傳統(tǒng)水利的主要內容。河道治理理念從過去的直線化、硬質化模式，已逐步轉變?yōu)楹拥郎鷳B(tài)治理模式[1]。生態(tài)護岸是河道生態(tài)治理中一項重要工程性措施，其顯著特點是擁有滲透性的自然河床與河岸基底，豐富的河流地貌，可以充分保證河岸與河流水體之間的水分交換和調節(jié)功能[2]。本文通過分析船行波對河道岸坡的影響，進而結合實例提出了一種改進型松木樁生態(tài)護岸形式。

1 傳統(tǒng)松木樁護岸

松木樁護岸是河道生態(tài)護岸中普遍采用的一種工程性措施[3-4]。傳統(tǒng)松木樁護岸形式(見圖1)，其往往關注的重點是河岸穩(wěn)定、河道景觀以及坡面水土防治問題[5],但由于缺乏必要的防沖刷設計，在通船河道中，傳統(tǒng)松木樁護岸的河岸受船行波沖刷影響較大，河道岸坡被掏空或坍塌的現(xiàn)象時有發(fā)生，同時對河道水質也會產(chǎn)生較大影響。因此，在通船河道在設計松木樁護岸時，應結合實際充分考慮船行波對河道岸坡沖刷的影響。

圖1 傳統(tǒng)松木樁護岸形式

2 船行波破壞性分析

船行波是船舶在河道中航行時所激起的一種水面波動。船舶航行時，河道岸坡承受下列三種綜合因素的作用：即船舶與岸坡之間的水體以一定流速向后流動、船舶與岸坡之間的水位陡然下降和船舶航行時激起的船行波[6]。船行波的破壞性主要表現(xiàn)在兩個方面：一是水流對河岸的沖刷，包括水體向后流對河道岸邊的沖刷，以及水位陡然下降形成的水流對河道岸坡的沖刷；二是波浪對河岸的拍打作用對河岸坡腳的沖刷掏空。船行波會破壞河岸，造成河岸坍塌、岸土流失等一系列作用[7]。結合多種情況下對航道破壞原因的分析表明，船行波是破壞航道堤岸最主要的因素。尤其是對于較狹窄的內河航道或人工運河，船行波會對河岸產(chǎn)生較強的掏刷作用，造成嚴重后果[8]。

3 計算船行波影響范圍

3.1 船行波計算公式

船行波計算公式采用《確定波浪對海、河建筑物與岸坡作用的技術規(guī)范》，具體船行波各計算公式如下。邊坡上的波壓力分布圖(見圖2)，船行波的擴散波和橫波波高的計算式(1)為：

圖2 邊坡波壓力分布圖

(1)

式(1)中：v為河道中的船行速度，m/s；β為系數(shù)，由式(2)確定。

(2)

船舶在河道的中線航行，船行波在邊坡附近的波高計算由式(3)確定。

(3)

式(3)中：B0為計算靜水位時的河道水面寬度，m；l為船長，m。

船行波波長的計算公式見式(4)。

(4)

式(5)為船行波在邊坡上的爬高。

(5)

h0c=0.85hHc為從計算凈水位算起的船行波沿斜坡的回落高度，其中hHc為船行波在邊坡上的爬高，m。

3.2 計算初始條件的選定

杭州西溪濕地公園三期內船行河道采用傳統(tǒng)松木樁護岸形式，水深2～3 m，濕地內多為淤泥質土、軟粘土等軟土，細顆粒含量較高。在游船行進產(chǎn)生的船行波作用下，河道岸坡產(chǎn)生了水土流失，對岸坡周邊植被和岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生了嚴重的破壞。根據(jù)該濕地公園現(xiàn)狀調查，各初始參數(shù)(見表1)。

表1 河道及船只參數(shù)

3.3 船行波影響范圍確定

根據(jù)上述船行波計算公式及計算條件，計算結果(見表2)。

表2 船行波作用計算結果

4 改進型松木樁護岸形式——以杭州西溪濕地三期為例

根據(jù)上述計算結果，船行波對杭州西溪濕地公園三期河道護岸的沖刷作用較為明顯。為有效防止船行波對河道護岸的沖刷，必須對原有松木樁護岸形式進行優(yōu)化改進，既能滿足河道岸坡自然和生態(tài)需求，同時又能防止河道岸坡受沖刷導致的水土流失。由表2可見，杭州西溪濕地公園三期河道船行波沿坡面向上爬行幅度為0.45 m，下潛深度為0.38 m。結合以上分析數(shù)據(jù)對原松木樁護岸進行優(yōu)化改進。改進型松木樁生態(tài)護岸形式主要內容為：利用松木樁作為支檔結構，在船行波沖刷范圍內采用竹籬笆、土工布和石子作為船行波沖刷的緩沖隔離帶，有效消除船行波對河道岸坡的沖刷影響，具體形式(見圖3)。

圖3 改進型松木樁生態(tài)護岸形式

(1)整體采用臺階式松木樁設計布局，有效防止船行波引起的水位上、下掏刷影響；

(2)臺階式松木樁間距為0.25 m左右，在松木樁與松木樁之間以及松木樁與岸坡之間，分層設置素土和石子等填料(0.25 m厚素土、0.25 m厚石子)，頂層種植水生植物；同時，在松木樁與填料間設置竹籬笆；

(3)為避免小石塊和細顆粒土體受水流沖刷時的水土流失，在竹籬笆與填料間設置土工布，起到反濾作用。

杭州西溪濕地公園三期根據(jù)上述改進型松木樁護岸形式對原有河道傳統(tǒng)松木樁護岸實施了改造治理，并已投入使用。從近年來的實際運行效果看，改造治理后的河道未出現(xiàn)一處因船行波沖刷造成的岸坡掏空或坍塌現(xiàn)象，且河道水質也得到顯著改善。

5 結語

從杭州西溪濕地公園三期實例看，改進型松木樁護岸具有較好的防沖刷能力，且實際施工工藝簡單，施工材料均為普通常見材料，主要包括松木樁、石子、竹籬笆、土工布等，在施工過程中應嚴格控制松木樁間距，一般宜在0.25 m左右，同時在松木樁與石子之間設置竹籬笆，保證回填石子不下滑，減少船行波的沖刷影響。改進型松木樁護岸較傳統(tǒng)松木樁護岸在造價為傳統(tǒng)松木樁護岸的兩倍左右。

相比傳統(tǒng)松木樁護岸，改進型松木樁生態(tài)護岸具有較好的防沖刷能力，既可以達到河道生態(tài)護岸的效果，同時又能有效降低船行波對河道岸坡的沖刷影響，對開展河道生態(tài)治理具有一定借鑒意義。由于受不同條件影響，應結合實際合理選擇河道護岸斷面結構形式。