重力式生態(tài)護岸效果綜合評價

徐朝輝，宋 凱，張陸陳，駱少澤，金彬彬

(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310006； 2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024； 3.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065； 4.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引 言

河道護岸是城市建設和航運建設中最為重要的內(nèi)容之一。所謂河道護岸，是指對江河堤岸進行加固修筑，以減輕水流、風浪的侵襲和沖刷破壞。傳統(tǒng)的護岸技術[1]主要是將石塊和鋼筋混凝土大面積覆蓋于岸堤土壤之上，常用的傳統(tǒng)護岸技術[2]主要有：干砌塊石護岸技術、漿砌塊石護岸技術、混凝土護岸技術等。其硬質(zhì)化結構的特點不僅能夠滿足防洪排澇的要求，也可以保證河岸邊坡的穩(wěn)定性，但也在一定程度上隔斷了河水與岸堤之間的連通性，破壞了土壤中生物的生存環(huán)境，減弱了水體的自凈能力，對河流生態(tài)健康造成極大影響[3-4]。

為探索既能滿足功能性要求，又不減弱河道生態(tài)功能的護岸技術，生態(tài)護岸技術[5]開始被眾多專家所關注。生態(tài)護岸技術主要以天然或人工材料為基礎，在傳統(tǒng)護岸技術所具有的抗沖蝕和穩(wěn)定性能上，還為河道內(nèi)外的生物提供適宜的生存環(huán)境，達到人類發(fā)展與生態(tài)環(huán)境和諧共存的目標[6]。傳統(tǒng)的護岸工程隔絕了土壤與水體之間的物質(zhì)交換，對生態(tài)環(huán)境有不利影響，而生態(tài)護岸的通透性較好，可實現(xiàn)水體交換，為水環(huán)境保護及人類與自然和諧共存做出貢獻。重力式護岸以圓筒護岸+T型板結構，可節(jié)約材料，降低工程造價。目前對生態(tài)護岸技術的研究已有較多成果，各類型護岸技術在江河整治中都得到了很好的應用[7-9]。但是對護岸形式的選擇多以材料結構形式[10]為主要因素，護岸效果的評價主要考慮造價、清淤和綠化景觀等方面[11]，對于護岸的水動力條件與生態(tài)條件的改善作用研究較少。重力式生態(tài)護岸將生態(tài)護岸技術與重力式護岸結構相結合。本文擬通過現(xiàn)場原型觀測，對比重力式生態(tài)護岸與傳統(tǒng)護岸的水力特性，分析重力式生態(tài)護岸的優(yōu)化效果，為內(nèi)河航道重力式生態(tài)護岸設計標準化提供技術支撐。

1 研究方法

1.1 試驗航道選取

圖1 試驗航道平面

試驗航道(圖1)選取一段重力式生態(tài)護岸和常規(guī)護岸作為對比，護岸分別位于杭申線楊廟至楊樹浜段航道養(yǎng)護工程的上下游。該段航道底高程-2.74 m，設計最低通航水位0.46 m，設計最高通航水位1.96 m。重力式生態(tài)護岸長172 m，樁號范圍約K68+289～K68+461；常規(guī)護岸位于重力式生態(tài)護岸以西，長37 m，樁號范圍約K67+595～K67+632。

重力式生態(tài)護岸采用新型圓筒護岸+T型板結構，如圖2所示。圓筒直徑1.5 m，與C25鋼筋混凝土基礎以鋼筋深入30 cm連接，圓筒底高程-0.54 m，頂高程2.66 m。為便于交換水體，分別在圓筒-0.24，0.06和0.36 m高程處設置直徑0.15 m的透水生態(tài)孔，其中-0.24 m和0.36 m高程處各設置3個孔，0.06 m高程處設置2個孔，孔水平間距為0.375 m。圓筒間距3.0 m，圓筒之間用T型板連接，T型板通過迎水側凸榫與護岸底板相連。常規(guī)護岸基于原有護岸改建而成，體型結構如圖3 所示。采用漿砌水工混凝土劈離塊護面，護面坡度4∶1；護岸底高程0.13 m，頂高程也為2.66 m。

1.2 測點布置

重力式生態(tài)護岸測點布置示意如圖4所示。船行波波高共布置4個測點，樁號分別為K68+316.75(圓筒外邊緣)、K68+317.62(圓筒與預制T型板左交接處)、K68+319.26(預制T型板凸榫)、K68+320.37(圓筒與預制T型板右交接處)。水位水質(zhì)觀測孔布置2個，分別位于航道內(nèi)和護岸后，航道內(nèi)觀測孔距離預制T型板2.5 m，護岸后觀測孔距離預制T型板3.5 m，觀測孔孔徑15 cm，底高程為-0.35 m。

常規(guī)護岸測點布置示意如圖5所示，船行波波高布置4個測點，為便于對比，4個測點間距與生態(tài)護岸一致，其樁號分別為K67+611.81、K67+612.68、K67+614.32、K67+615.43。常規(guī)護岸后方布置1個地下水位觀測孔，距離護岸3.5 m。

圖2 生態(tài)護岸體型結構示意(尺寸單位：cm)

圖3 常規(guī)護岸體型結構示意(尺寸單位：cm)

圖4 重力式生態(tài)護岸測點布置示意

圖5 常規(guī)護岸測點布置示意(尺寸單位：m)

1.3 試驗船舶

此次觀測不指定特定船舶，直接以航道上過往船舶開展研究，真實反映現(xiàn)實通航條件下不同護岸類型對近岸水流特性的影響。對統(tǒng)計的過往船舶進行數(shù)據(jù)篩選，剔除船舶交匯、離岸距離、船舶航速等相差較大特殊情形，共計184組次。

船舶平均航速5.0～14.4 km/h，重載船舶航速為6～8 km/h，空載船舶航速為10～12 km/h。船舶離岸距離16.5～50.0 m，因測站位于航道南側，故航行東北方向(常規(guī)護岸向重力式生態(tài)護岸)時船舶離岸距離較近，多為25～35 m；航行西南方向(重力式生態(tài)護岸向常規(guī)護岸)時船舶離岸距離較遠，多為35～45 m。

1.4 觀測手段

近岸流速采用LS1206B型旋槳流速儀，測速范圍0.05～7.00 m/s；船舶離岸距離采用LTI20-20 200LR激光測距儀測量；船行波波高采用華控HK-DR04型波高液位傳感器，量程0～1 m，準確度0.5%FS，響應時間不大于10 ms；船行波波高傳感器輸出信號采用INV 3062采集系統(tǒng)測量，采樣頻率200 Hz；水體濁度采用HACH 2100Q測量；溶解氧及其飽和度、氧化還原電位(ORP)、PH值等采用HQ40D測量；水位采用HQ1300F5型投入式液位計測量，量程0～1 m，準確度0.5%FS。主要測量儀器如圖6所示。

2 近岸水流特性

2.1 近岸流速

在限制性航道中，典型的近岸流速過程線如圖7所示，由圖可知，各流速過程線上均存在一個明顯的半正弦的單獨波，該單獨波起點對應于船艏到達測量斷面，終點對應于船艉駛過斷面，與水面出現(xiàn)大降幅的過程完全一致，即水面降低是產(chǎn)生岸邊回流的直接原因。

近岸水流觀測采用旋槳流速儀測量，其啟動流速0.05 m/s，由于航道較寬，近岸水位降幅較小時無法觀測到流速值，可觀測到重力式生態(tài)護岸與常規(guī)護岸近岸流速對比共計86組次，其中，重力式生態(tài)護岸近岸流速有74組次(占比86%)小于常規(guī)護岸，與重力式生態(tài)護岸最大波高小于常規(guī)護岸的占比基本相當。在試驗中，最大近岸流速為0.322 m/s，由某船舶引起，該船西南向航行，離岸距離40.3 m，航速7.5 km/h。重力式生態(tài)護岸平均近岸流速0.132 m/s，常規(guī)護岸平均流速0.155 m/s，各組次重力式生態(tài)護岸近岸流速減幅3.4%～36.7%，平均減幅17.8%。

2.2 船行波形態(tài)

船行波[12]的產(chǎn)生原理是船舶在行進時，船身的壓力對水體的壓縮作用形成船行波。被擠壓的水體向岸邊擴散，形成浪花沖擊護岸，因此船行波是破壞護岸的重要因素之一。圖8顯示典型船舶在行進過程中引起的水面波動。波動過程大致可分為3段：水面平穩(wěn)段、大波幅段和小波幅段。在船舶到達測點斷面之前，水面相對平穩(wěn)，存在波動是風生波所致；在船艏到達測點斷面時，水體受船舶頂推局部受阻產(chǎn)生壅水，大部分受擠壓繞過船頭，流速急劇增大，水面快速下降，水面呈大幅波動；隨后水面快速回升，待船艉駛過測點斷面時，水面基本恢復并由于慣性作用而波動，期間與航行過程不斷產(chǎn)生的船行波疊加，形成小幅波動形態(tài)。

圖6 主要試驗儀器

注：自航，半載，航速9.2 km/h。

圖8 典型船舶行進過程水面波動

2.3 最大波幅

因航道較寬，船行波對近岸水面波動的影響總體較小，小波幅與大小波幅的數(shù)值相差較大，且易受風生波、航道余波干擾，故采用最大波幅(最高水位-最低水位)對近岸水流波動進行分析。在試驗中，最大近岸波幅為45.8 cm，由某船舶引起，該船重載，東北向航行，離岸距離26.3 m，航速高達13.9 km/h。

近岸水流波動的影響因素較多，與船舶行駛速度、吃水深度、船舶型號、離岸間距、護岸結構等密切相關。船舶重載和空載時生態(tài)護岸近岸最大波幅與航速關系見圖9。不論船舶是否載物，越靠近護岸，引起的水面波動越大；船舶重載與空載引起的最大波幅集中分布在5～15 cm范圍內(nèi)，這是由于雖然重載船舶的吃水深度大，但是空載船舶的行駛速度約為重載船舶的2倍，波幅受到吃水深度與航行速度的雙重影響。此外，對于同為重載或者空載船舶而言，行駛速度的增大會也會影響水面波動的幅度。

圖9 近岸最大波幅與航速關系

3 重力式生態(tài)護岸與常規(guī)護岸水力特性對比

3.1 護岸對波幅影響

以1號測點為基準，重力式生態(tài)護岸和常規(guī)護岸其余測點與1號測點的對比見圖10。重力式生態(tài)護岸各測點中，位于最外緣的1號測點波幅相對最大，其次為位于圓筒與預制T型板右交接處的4號，再次為位于圓筒與預制T型板左交接處的2號，位于凸榫內(nèi)緣的3號測點最?。欢Ｒ?guī)護岸各測點相差較小，未見顯著規(guī)律性。由圖可見，重力式生態(tài)護岸圓筒及凸榫結構對波流有一定的削弱作用。

為分析重力式生態(tài)護岸總體消波效果，對重力式生態(tài)護岸與常規(guī)護岸各測點最大波幅取平均值進行對比。在184組次中，重力式生態(tài)護岸各測點最大波幅平均值有148組次(占比80%)小于常規(guī)護岸，進一步證明重力式生態(tài)護岸消波的有效性；各組次生態(tài)護岸最大波高減幅0.9%～28.8%，平均減幅10.7%。

3.2 透水性對比

為了對比重力式生態(tài)護岸與傳統(tǒng)護岸的透水性，本研究以航道內(nèi)水位與岸邊地下水位為對比參數(shù)，試驗時分別測量下雨前、下雨時以及下雨后的河道水位、護岸岸邊的地下水位，結果如圖11所示。航道內(nèi)水位在下雨前后的變化范圍為1.042～1.131 m；重力式生態(tài)護岸岸邊地下水位為1.036～1.135 m，與航道水位基本一致，表明重力式生態(tài)護岸的通透性較好；而傳統(tǒng)護岸岸邊地下水位為-0.037～0.055 m，雖有增加，但是與河道內(nèi)水位相差巨大，表明透水性能差。

圖10 測點間最大波幅比較

圖11 水位對比

另外在觀測重力式生態(tài)護岸岸邊地下水位時發(fā)現(xiàn)，船舶航行時，重力式生態(tài)護岸后水位波動較小，航道內(nèi)水位大幅波動時，岸邊地下水位波動僅2～4 cm；航道內(nèi)水位小幅波動或產(chǎn)生風生波時，岸邊地下水位波動小于1 cm。分析認為這主要與透水孔的開孔率及透水孔后片石填心、拋石棱體有關。

4 重力式生態(tài)護岸水質(zhì)凈化效果

重力式生態(tài)護岸作為連接水體與陸地的生態(tài)交接帶，在維持水體生態(tài)平衡、控制水土流失、凈化水質(zhì)等方面具有重要價值。本文采用濁度、溶解氧及其飽和度、PH值等參數(shù)來評估重力式生態(tài)護岸的水質(zhì)凈化效果。本文主要研究水質(zhì)凈化的綜合效果，每個工況間隔1 h取水樣進行測量，共5組試驗數(shù)據(jù)，以平均值作為樣本數(shù)據(jù)分析。

濁度是反映水中懸浮物和膠體物導致水體渾濁的指標。晴天和雨天重力式生態(tài)護岸前后水樣濁度列于表1。航道內(nèi)水樣濁度186～239 NTU，重力式生態(tài)護岸后水樣濁度37～82 NTU，較之航道內(nèi)水樣濁度下降了65.7～80.1%，表明重力式生態(tài)護岸的凈化效果非常顯著。

表1 重力式生態(tài)護岸前后水樣濁度對比

晴天和雨天重力式生態(tài)護岸前后水樣pH值列于表2。晴天水樣pH值7.62～7.78，雨天水樣pH值7.36～7.48，均為弱堿性；重力式生態(tài)護岸后水樣pH值較航道內(nèi)略高2%左右，重力式生態(tài)護岸對水樣pH值影響不明顯。

表2 生態(tài)護岸前后水樣pH值對比

晴天和雨天重力式生態(tài)護岸前后水樣溶解氧及其飽和度值列于表3。晴天水樣溶解氧3.50～7.56 mg/L、飽和度35.6%～78.7%，雨天水樣溶解氧3.11～7.28 mg/L、飽和度31.5%～74.0%，雨天溶解氧略小于晴天，重力式生態(tài)護岸對水樣溶解氧影響較大，重力式生態(tài)護岸后溶解氧較航道內(nèi)小54%～57%，主要原因：① 因生態(tài)護岸后均為回填土，未充分接觸空氣；② 護岸內(nèi)外水體交換偏弱。

航道內(nèi)水樣ORP(氧化還原電位)值-78.4～-62.9，生態(tài)護岸后水樣ORP值-85.7～-70.1、較航道內(nèi)高9.3%～11.4%，均呈現(xiàn)還原性，重力式生態(tài)護岸對水樣ORP值影響較小。

表3 重力式生態(tài)護岸前后水樣溶解氧及其飽和度對比

綜上，重力式生態(tài)護岸在透水孔后填充了片石填心、拋石棱體，對水質(zhì)凈化效果顯著，但減少了護岸內(nèi)外水體交換導致溶解氧偏低，建議適當增加開孔率，并在重力式生態(tài)護岸后選擇一些生長旺盛、自我繁殖和更新能力強的植物品種進行種植，可有利于水陸動植物及微生物能與周圍環(huán)境物質(zhì)能量交換，增強微生物凈化水體功能，使河道水質(zhì)得到一定改善。

5 結 論

本文通過現(xiàn)場試驗研究，取得結論如下。

(1) 重力式生態(tài)護岸近岸流速有74組次(占比86%)小于常規(guī)護岸，各組次重力式生態(tài)護岸近岸流速減幅3.4%～36.7%，平均減幅17.8%。

(2) 重力式生態(tài)護岸各測點最大波幅平均值有148組次(占比80%)小于常規(guī)護岸，重力式生態(tài)護岸圓筒及凸榫結構對波流有一定的削弱作用，最大波高減幅0.9%～28.8%，平均減幅10.7%。

(3)將下雨前后航道內(nèi)水位與岸邊地下水位對比，兩者水位基本一致，表明重力式生態(tài)護岸的通透性較好；而傳統(tǒng)護岸邊地下水位較之差距較大，表明未與航道水位連通。

(4)重力式生態(tài)護岸地下水樣濁度較之航道內(nèi)水樣濁度下降了65.7%～80.1%，重力式生態(tài)護岸的水質(zhì)凈化效果顯著；PH值較航道內(nèi)略高2%左右，均為弱堿性，生態(tài)護岸對水樣PH值影響不明顯；水樣溶解氧較航道內(nèi)小54%～57%，重力式生態(tài)護岸對水樣溶解氧影響較大。

(5)重力式生態(tài)護岸適用于鄉(xiāng)村等土地使用面積限制較小的航道，相比傳統(tǒng)的內(nèi)河航道護岸能起到有效的生態(tài)穩(wěn)定作用，可綠化和美化環(huán)境、滿足生態(tài)環(huán)境要求。生態(tài)植物的選擇應以生態(tài)功能優(yōu)先，鄉(xiāng)土植物為主。