箱体与插板组合型生态护岸消浪试验研究

在通航河流和人工航道中，为防止水土流失、船行波淘刷、船舶撞击等破坏河岸，同时强调防洪与通航等功能，一般采用石块、混凝土等硬质材料覆盖岸坡.然而，随着人们越来越重视生态环境，这些硬质护岸割裂了水体与土壤，破坏了土-植物-生物之间的物质和能量循环系统，对生态环境和景观造成了一定的胁迫[1-2].为此，提出了生态护岸技术，利用植物及工程材料[3-4]，构建具有生态功能的岸坡系统，通过生态工程的自组织与自我修复等功能[5]，实现岸坡的抗冲蚀、抵风浪、减污染[6]，维持岸坡植物生存环境、提高岸坡动物和微生物栖息地质量、营造健康的航道生态系统和改善人居环境等[7].

为构建畅通高效安全绿色交通运输系统，适用新时代航道整治工程向生态环境友好型转变，促进航道建设对河流生态环境的恢复与保护，近年来我国在航道生态护岸建设方面进行了大量探索与实践.特别是在长江中下游地区，生态护岸已在航道整治工程中得到大量应用.根据航道自然条件以及所采用的材料，生态护岸结构型式可归纳为两大类：①以植物保护为主的柔性植被型生态护岸，如木桩、芦苇、香根草、棕榈纤维垫等，适用于水域宽阔且气候温暖的河床滩地或缓坡；②采用植物与天然或人工材料相结合的综合型生态护岸，适用于河宽受限或需要人工硬化处理的岸坡，避免河岸因受到持续荷载作用破坏而影响通航功能，在生态岸坡的防护费用和生态效益之间取得平衡[8].

长三角地区的航道受自然条件影响，绝大部分属于水面狭窄、断面系数小的限制性航道，通航船舶吨位和流量较大，因而引起的船行波对航道生态岸坡结构的持续影响也较大，需要引起重视[9-10].以往内河航道船行波研究主要是针对船行波尺度、对岸坡冲刷作用、护岸块体大小与布置等问题[11-12]，关于生态护岸消减船行波的试验较少，研究成果亦很少.为增强限制性航道生态护岸消减船行波，本文提出了一种适用于长三角地区限制性航道的生态护岸结构，以体现人与自然的友好交互，并依托某航道整治工程建设试验段，进行实船试验分析该新型生态护岸结构的消浪性能，供相关航道生态护岸的设计参考.

1 箱体与插板组合型生态护岸

长三角地区多桥梁和多水闸，航道水位多由周边节制闸、抽水机站控制，有其独特的水文特征[13].根据锡澄运河青阳水文站近年资料(见图1)，20年一遇最高水位为2.97 m(85国家高程，下同)，综合历时保证率50%，60%，70%，80%和98%对应的水位值分别为1.58，1.50，1.42，1.36和0.97 m，表明该地区水位变幅相对天然河流较小，常水位持续时间长.

(a)水位过程线

(b)累计频率曲线

图1 锡澄运河青阳站2005—2012年水位(85国家高程)

相应地，限制性航道护岸结构的发展趋势是采用柔性结构局部取代传统刚性硬质护岸，降低刚性硬质护岸高度，形成直立式硬质结构(一级)+斜坡式柔性结构(二级)的组合型护岸，如图2所示.这样能较好地减小硬质护岸对环境的胁迫，达到生态护岸的防护功能与生态功能的平衡.根据航道水位变化特征，河岸带植、生物生存条件，行洪与行船的水流与波浪特点，将生态护岸结构的横断面从下往上分为重防护区、亲水区、景观区.常水位以下的重防护区重点考虑结构的稳定性、耐久性、抗冲刷和防撞击等；介于常水位与最高通航水位间的亲水区主要强调采用植物与天然或人工材料构建的一级平台的生态功能[14]，兼顾结构的景观性且便于维护；最高通航水位以上的景观区重点考虑与当地环境和文化相适应的生态景观设计.

图2 近年长三角地区限制性航道护岸结构演变趋势示意图

在保证生态护岸结构稳定性和生态性的前提下，实现工程的经济性是十分必要的.降低生态护岸的造价，重点是降低防护结构的高度和(或)强度，包括在满足结构稳定性的前提下降低一级硬质结构的高度和二级柔性结构的防护强度，其中关键之一就是减轻作用在护岸结构上的荷载.对于限制性航道，作用在岸坡上的主要破坏荷载之一是船行波，因此这类生态护岸非常有必要具有一定的消减船行波性能.基于此，文献[15]提出了一种箱体与插板组合型生态护岸结构，一级硬质护岸采用预制透水钢筋混凝土箱体与插板的组合型结构，相邻箱体通过插板连接，插板固定于箱体两侧外壁中部的卡槽内，如图3所示.

(a)结构平面图

1—最高通航水位; 2—常水位; 3—最低通航水位; 4—护岸底板; 5—锚固钢筋; 6—箱内回填块石; 7—预制透水钢筋混凝土箱体; 8—现浇混凝土压顶; 9—预制钢筋混凝土插板; 10—芦苇; 11—防护植物; 12—回填土; 13—锚固壕; 14—土工布; 15—碎石排水通道; 16—底板防滑凸榫

(b)结构横断面图(A-A)

(c)现场实施图

图3 箱体与插板组合型生态护岸结构

一级硬质护岸采用预制透水钢筋混凝土箱体，能够满足护岸结构的稳定性、耐久性、抗冲刷等.箱体壁设置透水孔，内填块石或废弃混凝土块体，空隙大，可再造湿地环境.迎水立面形成的格栅型结构有一定的促淤效果，将有助于在岸前形成多样性的水流、部分恢复水生生态系统.采用预制结构，可以基本实现工厂化制作和机械化施工，提高施工质量和速度.一级护岸平台顶高程设置在常水位附近，既能降低工程造价，又能减小对环境和景观的胁迫.插板的高度和宽度以及摆放位置主要考虑其上部形成的透空板式防浪结构、立面形成的格栅型消浪结构的消浪效果，可根据试验确定.一级硬质护岸临水侧顶部浇筑混凝土压顶或压顶与下部箱体整体预制，与插板咬合形成挡土墙，以利于平台上种植各类喜水或耐水植物，防止回填土流失或被淘刷.为了增加护岸结构的抗滑稳定性，底板宜设置防滑凸榫.二级柔性护坡为连接一级护岸平台和地面的生态型斜坡.

实践表明[16]，通过优化硬质结构的竖向尺度及纵向布置，该结构相比全部采用钢筋混凝土箱体护岸结构，其工程造价节约15%～20%，在增强护岸结构的生态环境效益的同时，亦取得明显的经济效益.需要注意的是，该新型生态护岸结构采用预制构件装配，结构整体性不强，使用时应避免船舶猛烈撞击，影响结构安全，如有损毁，应及时修补.施工时，箱体与插板间的缝隙应灌注砂浆并铺设土工布防止渗漏土，箱内回填料应注意级配以提高箱体的抗撞击力，压顶后回填土厚度宜大于0.5 m.

2 现场消浪试验

2.1 试验方案

在工程试验段进行该生态护岸结构的消浪性能现场试验[12].试验段位于锡澄运河某顺直段，全长466 m，设计航道底宽45 m、水深3.2 m，航道口宽70 m，满足1 000 t级顶推船队双向航行要求.试验段箱体结构高为1.75 m、宽1.2 m，顶高程1.50 m(含0.50 m高压顶)；插板顶高程1.80 m，插板高2.55 m、宽0.7 m、厚0.3 m；护岸底板顶高程为-0.75 m，底板底部设置防滑凸榫[16].

现场试验采用南京水利科学研究院研制的CBY-Ⅲ波高测量系统，10个波高仪分2排布设，1#～5#分别为测点，具体如图4所示.试验船包括苏海巡02111、苏锡工0078船(500 t)、机动驳(300 t)等特殊船舶以及泰州港2018(800 t)、金顺航198(800 t)等货船.根据不同水位时试验段和非试验段(连续箱体护岸结构、顶高程1.80 m)现场情况，进行了不同离岸距离、船速条件下的实船试验，共计50组，详见表1.

(a)常水位

(b)高水位

图4 波高测量仪布置(单位：mm)

表1 各试验组次基本情况

2.2 试验现象

根据现场试验条件以及试验数据分析，现场测得的船行波数据可信[12].现场试验中船舶通过时的瞬时情况和水面波动过程分别如图5和图6所示.可见：① 当船行波波高较小时，迎水立面的格栅型结构(格栅宽0.6 m、深0.4 m)和上部的透空板式结构(板宽0.7 m、间距1.1 m)能够较好地耗散船行波能量；② 当船行波波高较大时，格栅型结构和透空板式结构均能够很好地耗散船行波能量，部分波浪越过一级护岸而破碎在一级平台和二级护坡坡脚，降低了反射回航道内的船行波；③ 若一级平台上再种植水生防浪植物，如芦苇或香根草等，消减作用在一级平台和二级生态护坡(尤其是坡脚)上的波浪，以便保证在降低一级硬质护岸高度的条件下满足结构的稳定性和耐久性，同时也增加临近岸坡水体的水流多样性，有利于维护水域生物群落多样性.需要说明的是，因需观测作用在一级平台或二级护坡坡脚的波高，避免水生植物的影响，现场试验时试验段和非试验段一级平台均未种植水生消浪植物.

(a)试验段，苏海巡02111，常水位

(b)试验段，800 t船，常水位

(c)试验段，500 t船，高水位

(d)非试验段，500 t船，高水位

图5 不同情况下试验船通过时水面瞬时情况

图6 C组某次试验各测点水面波动过程

2.3 反射系数

对于不规则波，其反射系数计算方法为

(1)

式中，Kf为反射系数；Him, Hrm分别为入、反射波高；m为波浪频率数.根据各波高仪测量的复波面高度，采用滕斌等[17]提出的三点法求解斜向波浪入射角和反射系数，分离出入射、反射波高，得到各组次的反射系数.不考虑船行波波周期对反射系数的影响.

图7给出了试验段在常水位和高水位时船行波反射系数Kf与实测的船行波最大波高H的关系.可以看出，该新型生态护岸在中高水位时的Kf与H显著相关(相关系数为0.856)，而与船型、水位等的关系并不明显.现场试验中，H范围在8～77 cm，Kf介于0.82～0.50. H越大，Kf越小.当H在45～55 cm时，Kf平均值为0.65；当H在25～40 cm时，对应的Kf平均值为0.69.

图7 试验段船行波的Kf -H关系

图8给出了非试验段船行波反射系数Kf与船行波最大波高H的关系.可以看出，当低速货船通过连续箱体组成的非试验段时，H较小(小于10 cm)，Kf平均值为0.92；当H在30～55 cm时，对应的Kf平均值为0.80.这与文献[11]通过现场实船试验得到的不透水直立式护岸结构的船行波反射系数基本一致(H为9～24 cm时，Kf介于0.99～0.84之间).

图8 非试验段船行波的Kf-H关系

图9比较了试验段和非试验段的船行波反射系数.可以看出，相同船行波最大波高条件下，试验段的Kf明显小于非试验段(其差值大于0.1)，而且H越大，其差值相对越大.表明该生态护岸(试验段)比连续箱体护岸结构(非试验段)的消浪效果要好，而且船行波越大，消浪效果越好.这主要是因为箱体和插板组合型结构与连续箱体结构相比有如下差异：① 降低了箱体的高度，一级硬质护岸上部从平面变成高低错落的透空板式防浪结构；② 减少的箱体用插板代替，迎水立面由平面变成格栅型消浪结构.这均有利于消减船行波，增强新型生态护岸结构的消浪效果.

图9 试验段和非试验段船行波的Kf-H关系比较

2.4 坡脚处波高

当船行波较大时，有部分波浪越过一级护岸而作用在一级平台和二级护坡坡脚.尽管一级平台上种植的芦苇等水生植物具有良好的缓冲消浪能力，能够对一级平台和二级生态护坡进行防护，但作用的船行波也不宜太大.图10给出了试验段和非试验段在常水位和高水位时二级坡坡脚处波高Hs与船行波最大波高H的关系.可以看出，除苏海巡的船行波和坡脚处波高较大外，其他情况下的坡脚波高均小于10 cm，船行波最大波高越小，坡脚处的波高越小.例如，船行波最大波高在45～55 cm时，坡脚处波高平均为9.4 cm；当最大波高在25～40 cm时，坡脚处波高平均为5.0 cm，当最大波高小于20 cm时，坡脚处波高小于2.0 cm.需要说明的是，非试验段坡脚处波高相对较小是因为其一级平台比试验段高约30 cm，上浪量要小.

图10 试验段和非试验段二级平台坡脚处Hs与H关系

上述2次试验都是在一级平台未种植芦苇等水生防浪植物的条件下进行的.若一级平台上种植的水生防浪植物成活后，将有助于增强结构的消浪性能.根据京杭运河两淮段整治工程中进行的芦苇消浪试验研究[18]表明，宽幅4～8 m、密度40～90株/m2的芦苇的缓冲消浪率(消浪值/苇前浪高)约为0.32～0.59，且随着芦苇植物密度和宽度的加大，其缓冲消浪效果越好.图11为无锡某运河生态护岸试验种植的芦苇，不仅可以减缓作用在二级生态护坡上的船行波，还能利用芦苇庞大的网状须根系固土，提高生态岸坡的稳定性[19].需注意的是，要加强水生防浪植物种植初期的管理，及时进行补土和补种，保证其成活率.可利用长三角地区低水位期(12月―翌年2月)种植芦苇，易于其生长(此时无需其消浪)，待到高水位时(6月―10月)，成活后的芦苇就有固土、消浪、护坡等作用.

(a)夏季

(b)冬季

图11 无锡某运河生态护岸试验段种植的芦苇

3 结论

1)提出了适合限制性航道的箱体与插板组合型生态护岸结构，通过优化硬质结构的竖向尺度及纵向布置，在增强护岸结构生态效益的同时，亦取得明显的经济效益.

2)该新型护岸在中高水位时的反射系数与船行波最大波高显著相关，船行波最大波高介于8～77 cm时，反射系数为0.82～0.50，波高越大，反射系数越小，比连续箱体护岸的消浪效率效果更好.

3)一般情况下该新型生态护岸二级生态护坡坡脚的波高较小，一级平台种植水生防浪植物并成活后，能够防护船行波对一级平台和二级生态护坡的破坏，从而提高生态岸坡的稳定性.

4)可采用室内物理模型试验对该结构的透空板式和格栅型消浪结构尺寸进行优化，进一步分析该新型护岸结构的促淤效果及其对行洪的影响.该护岸结构整体性不强，使用中应避免船舶猛烈撞击，影响结构安全，如有损毁，应及时修补.