彎曲河流生態(tài)護(hù)岸初探

卓家軍， 顧丹平

(1.安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011； 2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司南京分公司，江蘇 南京 210036)

0 引 言

由于河流彎道岸坡易崩塌，通常采用護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。而以往護(hù)岸多采用傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)岸，且整個(gè)河段都采用一種結(jié)構(gòu)形式，不僅造成了浪費(fèi)，還破壞了河道岸坡的生態(tài)環(huán)境。彎道岸坡防護(hù)不僅要采用生態(tài)護(hù)岸形式，而且需要分段進(jìn)行防護(hù)，不同河段采用不同強(qiáng)度結(jié)構(gòu)護(hù)岸，既滿足了護(hù)岸的安全穩(wěn)定性，又增強(qiáng)了其生態(tài)性。

目前生態(tài)護(hù)岸技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到護(hù)岸工程中，取得了良好的效果。京杭運(yùn)河揚(yáng)州段[1]不同地方分別采用受限航道生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)組合形式、生態(tài)魚(yú)巢護(hù)岸結(jié)構(gòu)、蘆葦護(hù)坡設(shè)計(jì)，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)；連云港港疏港航道護(hù)岸結(jié)構(gòu)[2]是根據(jù)水位變化采用分層防護(hù)方式，在灘地上種植水生植物，灘地前沿設(shè)置永久建筑物，灘地后方采用生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)岸坡進(jìn)行防護(hù)；湖嘉申線湖州段航道[3]首次嘗試了預(yù)制混凝土沉箱護(hù)岸斷面形式和椰絲毯護(hù)坡技術(shù)，既滿足了通航功能，又為水生動(dòng)植物生長(zhǎng)繁衍提供良好條件。這些工程大多考慮根據(jù)水位變化來(lái)分層防護(hù)，而在縱向上不同河段護(hù)岸形式缺乏變化，未能與各段水動(dòng)力條件相適應(yīng)。對(duì)于彎曲河道，不同區(qū)段水動(dòng)力條件差異明顯，岸坡受沖刷強(qiáng)度也大不相同，因此有必要探討彎道各段的護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型。

本文從彎曲河流動(dòng)力與形態(tài)特征出發(fā)，探討了其生態(tài)護(hù)岸需要注重的要點(diǎn)，將彎道岸坡進(jìn)行分段，推薦適宜各段的生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，以期為彎道生態(tài)護(hù)岸工程作參考。

1 彎曲河流水動(dòng)力分析

彎道水流在離心力的作用下水流射向凹岸，凹岸一側(cè)的水位抬高，形成水面橫比降，導(dǎo)致出現(xiàn)彎道橫向環(huán)流，與縱向水流一起構(gòu)成了彎道水流所特有的螺旋流。在螺旋流的作用下凹岸不斷坍塌后退，凸岸邊灘不斷淤長(zhǎng)延伸，形成了彎道蠕動(dòng)現(xiàn)象。彎道水流動(dòng)力軸線有“枯水走彎，洪水走直”，頂沖點(diǎn)有“枯水上提，洪水下挫”的變動(dòng)現(xiàn)象，頂沖點(diǎn)附近河段受離心力作用，凹岸水位雍高，凹凸岸產(chǎn)生橫比降[4]。根據(jù)水動(dòng)力軸線擺動(dòng)情況確定彎道進(jìn)、出口點(diǎn)和洪、枯水頂沖點(diǎn)，將彎道岸坡劃分為四個(gè)區(qū)段，如圖1所示。

圖1 彎道岸坡分段示意圖

1.1 彎道進(jìn)口段

彎道進(jìn)口點(diǎn)至枯水頂沖點(diǎn)之間河段。本河段水動(dòng)力軸線由凸岸逐漸向凹岸偏轉(zhuǎn)，通常凸岸水面縱比降大于凹岸，水面開(kāi)始產(chǎn)生橫比降并逐漸增大，導(dǎo)致斷面橫向環(huán)流開(kāi)始出現(xiàn)，與縱向水流一起構(gòu)成螺旋流。凹岸水位逐漸雍高，水深增加而流速較小，但凹岸水流有可能發(fā)生分離現(xiàn)象，出現(xiàn)漩渦以致流況紊亂；凸岸河道較淺，流速相對(duì)較大。

1.2 頂沖變異段

枯水頂沖點(diǎn)與洪水頂沖點(diǎn)之間河段。該段水動(dòng)力軸線貼近凹岸，橫比降最大，橫向環(huán)流作用最強(qiáng)，并伴隨有次生流產(chǎn)生，本段易產(chǎn)生波浪，水位變化較大。在橫向環(huán)流作用下，表層含沙量較小的水流不斷流向凹岸并轉(zhuǎn)入河底，而底層含沙量較多的水流不斷流向凸岸并升至邊灘，形成橫向輸沙不平衡，再加上縱向水流對(duì)凹岸的沖刷，使凹岸坡崩坍成為沙源，泥沙被底部橫向水流帶向凸岸。

1.3 彎道出口段

洪水頂沖點(diǎn)至彎道出口點(diǎn)之間河段。本河段水流動(dòng)力軸線靠近凹岸，一般凹岸水面縱比降大于凸岸，而兩岸水面橫比降逐漸減小，橫向環(huán)流逐漸消失。凹岸受頂沖變異段影響，本段水位較高，所以沿程勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流速大，為高水位高流速區(qū)；凸岸為低水位低流速區(qū)，但可能產(chǎn)生水流分離現(xiàn)象。

1.4 彎道過(guò)渡段

彎道出口點(diǎn)至下一彎道進(jìn)口點(diǎn)之間順直河段。該河段水動(dòng)力軸線左右彎曲，不存在水面橫比降，河床深泓線呈波浪狀起伏。河床斷面往往存在深槽淺灘格局，灘槽水深相差不大，深槽淺灘沖淤交替，邊灘和深槽同步順流下移，河床周期性展寬和縮窄。該段主流擺動(dòng)頻繁，流路復(fù)雜，流態(tài)紊亂，通常是礙航河段。

2 彎道分段護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式

目前彎道整治及護(hù)岸形式一般是丁壩、順壩等壩體結(jié)構(gòu)，且大都是拋石壩體，這種結(jié)構(gòu)形式透水，且能創(chuàng)造不同的水流形態(tài)，具有生態(tài)性。但拋石壩容易損毀，因此有必要探討其他生態(tài)型護(hù)岸形式。

2.1 彎道進(jìn)口段護(hù)岸結(jié)構(gòu)

這一河段岸坡較緩，岸線基本穩(wěn)定，總體上侵蝕動(dòng)力不強(qiáng)，但要防止岸坡失穩(wěn)進(jìn)而導(dǎo)致彎道的持續(xù)惡化。因此，在選擇護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式時(shí)，在確保岸坡穩(wěn)定的同時(shí)，要著重強(qiáng)調(diào)其生態(tài)景觀性。河流凹岸靠近枯水頂沖點(diǎn)附近處要加強(qiáng)防護(hù)外，兩岸其他岸坡可選用較低強(qiáng)度的材料來(lái)進(jìn)行防護(hù)。本河段護(hù)岸主體結(jié)構(gòu)可采用干砌塊石、土工網(wǎng)墊、雷諾護(hù)墊、加筋生態(tài)袋、多孔質(zhì)護(hù)坡磚等形式。該類護(hù)岸主要為半自然型護(hù)岸[5]，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適中，有良好生態(tài)性。與植物護(hù)岸共同使用，結(jié)構(gòu)固定土壤，為植物生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)，等到植物長(zhǎng)大以后，在深根錨固、淺根加筋的共同作用下，增大岸坡土壤的黏聚力，不僅可以穩(wěn)固岸坡，還可以形成亮麗的河岸風(fēng)景線，具有很好的生態(tài)景觀功能。

2.2 頂沖變異段護(hù)岸結(jié)構(gòu)

頂沖變異段凹岸是最容易沖刷失穩(wěn)的河段，是保證岸坡安全穩(wěn)定的重點(diǎn)防護(hù)區(qū)段。導(dǎo)致凹岸岸坡破壞的水流因素主要有：①主流以一定夾角沖擊岸線，岸坡受到?jīng)_刷；②環(huán)流、次生流沖刷坡腳，導(dǎo)致岸坡變陡失穩(wěn)；③彎道曲率大、水流急時(shí)，本段易產(chǎn)生波浪，岸坡易受淘刷。凸岸要防止洪水切灘，使得水流紊亂進(jìn)而影響岸坡的穩(wěn)定性。由于凹岸經(jīng)常受沖，岸坡較陡，可選擇直立式高強(qiáng)度護(hù)岸結(jié)構(gòu)，如透水性的預(yù)制混凝土沉箱式護(hù)岸、混凝土劈離塊護(hù)岸、樁板式擋墻護(hù)岸、格賓石籠擋土墻護(hù)岸、塊石擋土墻護(hù)岸、土工格室擋土墻護(hù)岸等；擋土墻后一般需要設(shè)土工布反濾層，必要時(shí)還應(yīng)設(shè)置墊層，以保證擋土墻后土體的抗侵蝕穩(wěn)定性。該類擋土墻護(hù)岸的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，耐沖刷，且具有透水性，不阻隔地下水與地表水交換，同時(shí)也可在結(jié)構(gòu)空隙處覆土植草，穩(wěn)固岸坡；不過(guò)護(hù)岸主要為人工型結(jié)構(gòu)[9]，施工不便，造價(jià)昂貴。凸岸主要受洪水影響較大，可采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)固灘，較低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)護(hù)岸。頂沖變異段的防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該優(yōu)先考慮護(hù)岸的安全穩(wěn)定，也需要兼顧生態(tài)功能。

2.3 彎道出口段護(hù)岸結(jié)構(gòu)

本段主要受流速影響，凹岸護(hù)岸結(jié)構(gòu)以抵抗高速水流沖刷為主，兼顧生態(tài)功能；凸岸無(wú)須高強(qiáng)度護(hù)岸結(jié)構(gòu)，可適當(dāng)重點(diǎn)考慮護(hù)岸的生態(tài)景觀功能。該段凹岸為高水位高流速區(qū)，易受水流沖刷，經(jīng)常出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象，為防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。該段較頂沖變異段岸坡較緩，可以采用斜坡式高強(qiáng)度護(hù)岸結(jié)構(gòu)，如預(yù)制連鎖塊鋪面形式護(hù)岸、鉸接空心混凝土塊護(hù)岸、生態(tài)型混凝土護(hù)岸、石籠護(hù)岸、生態(tài)袋等結(jié)構(gòu)形式。該類護(hù)岸結(jié)構(gòu)具有較高強(qiáng)度，耐高速水流侵蝕，并可以與植物較好地結(jié)合，達(dá)到良好的護(hù)岸效果。護(hù)岸類型為半自然型和人工型，造價(jià)較高。凸岸侵蝕狀況較少，主要以植物護(hù)岸為主，結(jié)構(gòu)護(hù)岸為輔，如三維網(wǎng)墊噴播植草等。

2.4 彎道過(guò)渡段護(hù)岸結(jié)構(gòu)

該段水流較緩，兩岸岸坡較為穩(wěn)定，但要防止主流擺動(dòng)對(duì)兩岸的沖刷坍塌。本河段凹岸、凸岸可采用低強(qiáng)度的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式，在滿足岸坡穩(wěn)定的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其生態(tài)性、親水性、景觀性。主要采用植物護(hù)岸形式，主要有植物纖維墊護(hù)岸(椰殼纖維、黃麻、木棉、蘆葦、稻草等天然植物纖維)、植物梢料(梢料排、梢料層、梢料捆)、圓木等。這種護(hù)岸結(jié)構(gòu)不僅可以起到護(hù)岸效果，而且在其腐爛后能促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，可增強(qiáng)土壤肥力，促進(jìn)草籽發(fā)芽生長(zhǎng)，最終與土壤共同形成抗沖結(jié)構(gòu)體，營(yíng)造出多樣性的棲息地環(huán)境，增強(qiáng)自然美觀效果。

以上各段推薦的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式可作為岸坡主要的防護(hù)措施。但本文護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型只考慮縱向上水流運(yùn)動(dòng)的影響，并未涉及豎向上水位變化對(duì)岸坡的破壞作用。實(shí)際上，不同水位條件下，河岸橫斷面各個(gè)區(qū)域所受水流動(dòng)力差異較大，還應(yīng)對(duì)河岸進(jìn)行橫向分區(qū)，采用組合護(hù)岸結(jié)構(gòu)，以滿足護(hù)岸的穩(wěn)定性和生態(tài)性。已有文獻(xiàn)[6-7]根據(jù)航運(yùn)樞紐庫(kù)區(qū)各特征水位將護(hù)岸邊坡劃分為護(hù)底區(qū)、重防護(hù)區(qū)、親水區(qū)和景觀區(qū)，推薦了各區(qū)相應(yīng)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式，并篩選適合不同防護(hù)區(qū)域的護(hù)坡植物種類和配置模式。因此，綜合考慮河岸在縱、豎兩個(gè)方向上所受水流作用力，因地制宜地選用不同的護(hù)岸結(jié)構(gòu)組合，既可以防護(hù)岸坡以免受到侵蝕，又可以達(dá)到生態(tài)效果，構(gòu)成濱岸風(fēng)景線。

3 結(jié) 論

(1) 河流彎道不同區(qū)段水動(dòng)力條件差異較大，根據(jù)水動(dòng)力軸線擺動(dòng)情況，將彎道岸坡劃分為彎道進(jìn)口段、頂沖變異段、彎道出口段、彎道過(guò)渡段，并探討了各段的水動(dòng)力特征。

(2) 結(jié)合岸坡緩陡情況，各段分別采取不同的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式；彎道進(jìn)口段兩岸選擇強(qiáng)度適中的斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)；頂沖變異段凹岸采用直立式高強(qiáng)度護(hù)岸結(jié)構(gòu)，凸岸采用低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)來(lái)防護(hù)；彎道出口段凹岸可選斜坡式高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)護(hù)岸形式，凸岸植物護(hù)岸為主，結(jié)構(gòu)護(hù)岸為輔；彎道過(guò)渡段推薦用植物來(lái)護(hù)岸。

(3) 彎道不僅要分段防護(hù)，還應(yīng)根據(jù)水位豎向分區(qū)防護(hù)，以適應(yīng)水流變動(dòng)的影響，達(dá)到穩(wěn)定性和生態(tài)性的統(tǒng)一；在生態(tài)護(hù)岸的應(yīng)用中，還要考慮與周圍環(huán)境景觀的協(xié)調(diào)，因地制宜地選擇適合的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式。