基于船行波沖刷影響的改進型生態護岸研究

韋余廣

(杭州市余杭區農村水利管理站，浙江 杭州 311100)

河道治理是傳統水利的主要內容。河道治理理念從過去的直線化、硬質化模式，已逐步轉變為河道生態治理模式[1]。生態護岸是河道生態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護岸形式。

1 傳統松木樁護岸

松木樁護岸是河道生態護岸中普遍采用的一種工程性措施[3-4]。傳統松木樁護岸形式(見圖1)，其往往關注的重點是河岸穩定、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象時有發生，同時對河道水質也會產生較大影響。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，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。在游船行進產生的船行波作用下，河道岸坡產生了水土流失，對岸坡周邊植被和岸坡穩定產生了嚴重的破壞。根據該濕地公園現狀調查，各初始參數(見表1)。

表1 河道及船只參數

3.3 船行波影響范圍確定

根據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化改進，既能滿足河道岸坡自然和生態需求，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。結合以上分析數據對原松木樁護岸進行優化改進。改進型松木樁生態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上述改進型松木樁護岸形式對原有河道傳統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一處因船行波沖刷造成的岸坡掏空或坍塌現象，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松木樁護岸在造價為傳統松木樁護岸的兩倍左右。

相比傳統松木樁護岸，改進型松木樁生態護岸具有較好的防沖刷能力，既可以達到河道生態護岸的效果，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。