重力式生态护岸效果综合评价

徐朝辉，宋 凯，张陆陈，骆少泽，金彬彬

(1.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310006； 2.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏 南京 210024； 3.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065； 4.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

0 引 言

河道护岸是城市建设和航运建设中最为重要的内容之一。所谓河道护岸，是指对江河堤岸进行加固修筑，以减轻水流、风浪的侵袭和冲刷破坏。传统的护岸技术[1]主要是将石块和钢筋混凝土大面积覆盖于岸堤土壤之上，常用的传统护岸技术[2]主要有：干砌块石护岸技术、浆砌块石护岸技术、混凝土护岸技术等。其硬质化结构的特点不仅能够满足防洪排涝的要求，也可以保证河岸边坡的稳定性，但也在一定程度上隔断了河水与岸堤之间的连通性，破坏了土壤中生物的生存环境，减弱了水体的自净能力，对河流生态健康造成极大影响[3-4]。

为探索既能满足功能性要求，又不减弱河道生态功能的护岸技术，生态护岸技术[5]开始被众多专家所关注。生态护岸技术主要以天然或人工材料为基础，在传统护岸技术所具有的抗冲蚀和稳定性能上，还为河道内外的生物提供适宜的生存环境，达到人类发展与生态环境和谐共存的目标[6]。传统的护岸工程隔绝了土壤与水体之间的物质交换，对生态环境有不利影响，而生态护岸的通透性较好，可实现水体交换，为水环境保护及人类与自然和谐共存做出贡献。重力式护岸以圆筒护岸+T型板结构，可节约材料，降低工程造价。目前对生态护岸技术的研究已有较多成果，各类型护岸技术在江河整治中都得到了很好的应用[7-9]。但是对护岸形式的选择多以材料结构形式[10]为主要因素，护岸效果的评价主要考虑造价、清淤和绿化景观等方面[11]，对于护岸的水动力条件与生态条件的改善作用研究较少。重力式生态护岸将生态护岸技术与重力式护岸结构相结合。本文拟通过现场原型观测，对比重力式生态护岸与传统护岸的水力特性，分析重力式生态护岸的优化效果，为内河航道重力式生态护岸设计标准化提供技术支撑。

1 研究方法

1.1 试验航道选取

图1 试验航道平面

试验航道(图1)选取一段重力式生态护岸和常规护岸作为对比，护岸分别位于杭申线杨庙至杨树浜段航道养护工程的上下游。该段航道底高程-2.74 m，设计最低通航水位0.46 m，设计最高通航水位1.96 m。重力式生态护岸长172 m，桩号范围约K68+289～K68+461；常规护岸位于重力式生态护岸以西，长37 m，桩号范围约K67+595～K67+632。

重力式生态护岸采用新型圆筒护岸+T型板结构，如图2所示。圆筒直径1.5 m，与C25钢筋混凝土基础以钢筋深入30 cm连接，圆筒底高程-0.54 m，顶高程2.66 m。为便于交换水体，分别在圆筒-0.24，0.06和0.36 m高程处设置直径0.15 m的透水生态孔，其中-0.24 m和0.36 m高程处各设置3个孔，0.06 m高程处设置2个孔，孔水平间距为0.375 m。圆筒间距3.0 m，圆筒之间用T型板连接，T型板通过迎水侧凸榫与护岸底板相连。常规护岸基于原有护岸改建而成，体型结构如图3 所示。采用浆砌水工混凝土劈离块护面，护面坡度4∶1；护岸底高程0.13 m，顶高程也为2.66 m。

1.2 测点布置

重力式生态护岸测点布置示意如图4所示。船行波波高共布置4个测点，桩号分别为K68+316.75(圆筒外边缘)、K68+317.62(圆筒与预制T型板左交接处)、K68+319.26(预制T型板凸榫)、K68+320.37(圆筒与预制T型板右交接处)。水位水质观测孔布置2个，分别位于航道内和护岸后，航道内观测孔距离预制T型板2.5 m，护岸后观测孔距离预制T型板3.5 m，观测孔孔径15 cm，底高程为-0.35 m。

常规护岸测点布置示意如图5所示，船行波波高布置4个测点，为便于对比，4个测点间距与生态护岸一致，其桩号分别为K67+611.81、K67+612.68、K67+614.32、K67+615.43。常规护岸后方布置1个地下水位观测孔，距离护岸3.5 m。

图2 生态护岸体型结构示意(尺寸单位：cm)

图3 常规护岸体型结构示意(尺寸单位：cm)

图4 重力式生态护岸测点布置示意

图5 常规护岸测点布置示意(尺寸单位：m)

1.3 试验船舶

此次观测不指定特定船舶，直接以航道上过往船舶开展研究，真实反映现实通航条件下不同护岸类型对近岸水流特性的影响。对统计的过往船舶进行数据筛选，剔除船舶交汇、离岸距离、船舶航速等相差较大特殊情形，共计184组次。

船舶平均航速5.0～14.4 km/h，重载船舶航速为6～8 km/h，空载船舶航速为10～12 km/h。船舶离岸距离16.5～50.0 m，因测站位于航道南侧，故航行东北方向(常规护岸向重力式生态护岸)时船舶离岸距离较近，多为25～35 m；航行西南方向(重力式生态护岸向常规护岸)时船舶离岸距离较远，多为35～45 m。

1.4 观测手段

近岸流速采用LS1206B型旋桨流速仪，测速范围0.05～7.00 m/s；船舶离岸距离采用LTI20-20 200LR激光测距仪测量；船行波波高采用华控HK-DR04型波高液位传感器，量程0～1 m，准确度0.5%FS，响应时间不大于10 ms；船行波波高传感器输出信号采用INV 3062采集系统测量，采样频率200 Hz；水体浊度采用HACH 2100Q测量；溶解氧及其饱和度、氧化还原电位(ORP)、PH值等采用HQ40D测量；水位采用HQ1300F5型投入式液位计测量，量程0～1 m，准确度0.5%FS。主要测量仪器如图6所示。

2 近岸水流特性

2.1 近岸流速

在限制性航道中，典型的近岸流速过程线如图7所示，由图可知，各流速过程线上均存在一个明显的半正弦的单独波，该单独波起点对应于船艏到达测量断面，终点对应于船艉驶过断面，与水面出现大降幅的过程完全一致，即水面降低是产生岸边回流的直接原因。

近岸水流观测采用旋桨流速仪测量，其启动流速0.05 m/s，由于航道较宽，近岸水位降幅较小时无法观测到流速值，可观测到重力式生态护岸与常规护岸近岸流速对比共计86组次，其中，重力式生态护岸近岸流速有74组次(占比86%)小于常规护岸，与重力式生态护岸最大波高小于常规护岸的占比基本相当。在试验中，最大近岸流速为0.322 m/s，由某船舶引起，该船西南向航行，离岸距离40.3 m，航速7.5 km/h。重力式生态护岸平均近岸流速0.132 m/s，常规护岸平均流速0.155 m/s，各组次重力式生态护岸近岸流速减幅3.4%～36.7%，平均减幅17.8%。

2.2 船行波形态

船行波[12]的产生原理是船舶在行进时，船身的压力对水体的压缩作用形成船行波。被挤压的水体向岸边扩散，形成浪花冲击护岸，因此船行波是破坏护岸的重要因素之一。图8显示典型船舶在行进过程中引起的水面波动。波动过程大致可分为3段：水面平稳段、大波幅段和小波幅段。在船舶到达测点断面之前，水面相对平稳，存在波动是风生波所致；在船艏到达测点断面时，水体受船舶顶推局部受阻产生壅水，大部分受挤压绕过船头，流速急剧增大，水面快速下降，水面呈大幅波动；随后水面快速回升，待船艉驶过测点断面时，水面基本恢复并由于惯性作用而波动，期间与航行过程不断产生的船行波叠加，形成小幅波动形态。

图6 主要试验仪器

注：自航，半载，航速9.2 km/h。

图8 典型船舶行进过程水面波动

2.3 最大波幅

因航道较宽，船行波对近岸水面波动的影响总体较小，小波幅与大小波幅的数值相差较大，且易受风生波、航道余波干扰，故采用最大波幅(最高水位-最低水位)对近岸水流波动进行分析。在试验中，最大近岸波幅为45.8 cm，由某船舶引起，该船重载，东北向航行，离岸距离26.3 m，航速高达13.9 km/h。

近岸水流波动的影响因素较多，与船舶行驶速度、吃水深度、船舶型号、离岸间距、护岸结构等密切相关。船舶重载和空载时生态护岸近岸最大波幅与航速关系见图9。不论船舶是否载物，越靠近护岸，引起的水面波动越大；船舶重载与空载引起的最大波幅集中分布在5～15 cm范围内，这是由于虽然重载船舶的吃水深度大，但是空载船舶的行驶速度约为重载船舶的2倍，波幅受到吃水深度与航行速度的双重影响。此外，对于同为重载或者空载船舶而言，行驶速度的增大会也会影响水面波动的幅度。

图9 近岸最大波幅与航速关系

3 重力式生态护岸与常规护岸水力特性对比

3.1 护岸对波幅影响

以1号测点为基准，重力式生态护岸和常规护岸其余测点与1号测点的对比见图10。重力式生态护岸各测点中，位于最外缘的1号测点波幅相对最大，其次为位于圆筒与预制T型板右交接处的4号，再次为位于圆筒与预制T型板左交接处的2号，位于凸榫内缘的3号测点最小；而常规护岸各测点相差较小，未见显著规律性。由图可见，重力式生态护岸圆筒及凸榫结构对波流有一定的削弱作用。

为分析重力式生态护岸总体消波效果，对重力式生态护岸与常规护岸各测点最大波幅取平均值进行对比。在184组次中，重力式生态护岸各测点最大波幅平均值有148组次(占比80%)小于常规护岸，进一步证明重力式生态护岸消波的有效性；各组次生态护岸最大波高减幅0.9%～28.8%，平均减幅10.7%。

3.2 透水性对比

为了对比重力式生态护岸与传统护岸的透水性，本研究以航道内水位与岸边地下水位为对比参数，试验时分别测量下雨前、下雨时以及下雨后的河道水位、护岸岸边的地下水位，结果如图11所示。航道内水位在下雨前后的变化范围为1.042～1.131 m；重力式生态护岸岸边地下水位为1.036～1.135 m，与航道水位基本一致，表明重力式生态护岸的通透性较好；而传统护岸岸边地下水位为-0.037～0.055 m，虽有增加，但是与河道内水位相差巨大，表明透水性能差。

图10 测点间最大波幅比较

图11 水位对比

另外在观测重力式生态护岸岸边地下水位时发现，船舶航行时，重力式生态护岸后水位波动较小，航道内水位大幅波动时，岸边地下水位波动仅2～4 cm；航道内水位小幅波动或产生风生波时，岸边地下水位波动小于1 cm。分析认为这主要与透水孔的开孔率及透水孔后片石填心、抛石棱体有关。

4 重力式生态护岸水质净化效果

重力式生态护岸作为连接水体与陆地的生态交接带，在维持水体生态平衡、控制水土流失、净化水质等方面具有重要价值。本文采用浊度、溶解氧及其饱和度、PH值等参数来评估重力式生态护岸的水质净化效果。本文主要研究水质净化的综合效果，每个工况间隔1 h取水样进行测量，共5组试验数据，以平均值作为样本数据分析。

浊度是反映水中悬浮物和胶体物导致水体浑浊的指标。晴天和雨天重力式生态护岸前后水样浊度列于表1。航道内水样浊度186～239 NTU，重力式生态护岸后水样浊度37～82 NTU，较之航道内水样浊度下降了65.7～80.1%，表明重力式生态护岸的净化效果非常显著。

表1 重力式生态护岸前后水样浊度对比

晴天和雨天重力式生态护岸前后水样pH值列于表2。晴天水样pH值7.62～7.78，雨天水样pH值7.36～7.48，均为弱碱性；重力式生态护岸后水样pH值较航道内略高2%左右，重力式生态护岸对水样pH值影响不明显。

表2 生态护岸前后水样pH值对比

晴天和雨天重力式生态护岸前后水样溶解氧及其饱和度值列于表3。晴天水样溶解氧3.50～7.56 mg/L、饱和度35.6%～78.7%，雨天水样溶解氧3.11～7.28 mg/L、饱和度31.5%～74.0%，雨天溶解氧略小于晴天，重力式生态护岸对水样溶解氧影响较大，重力式生态护岸后溶解氧较航道内小54%～57%，主要原因：① 因生态护岸后均为回填土，未充分接触空气；② 护岸内外水体交换偏弱。

航道内水样ORP(氧化还原电位)值-78.4～-62.9，生态护岸后水样ORP值-85.7～-70.1、较航道内高9.3%～11.4%，均呈现还原性，重力式生态护岸对水样ORP值影响较小。

表3 重力式生态护岸前后水样溶解氧及其饱和度对比

综上，重力式生态护岸在透水孔后填充了片石填心、抛石棱体，对水质净化效果显著，但减少了护岸内外水体交换导致溶解氧偏低，建议适当增加开孔率，并在重力式生态护岸后选择一些生长旺盛、自我繁殖和更新能力强的植物品种进行种植，可有利于水陆动植物及微生物能与周围环境物质能量交换，增强微生物净化水体功能，使河道水质得到一定改善。

5 结 论

本文通过现场试验研究，取得结论如下。

(1) 重力式生态护岸近岸流速有74组次(占比86%)小于常规护岸，各组次重力式生态护岸近岸流速减幅3.4%～36.7%，平均减幅17.8%。

(2) 重力式生态护岸各测点最大波幅平均值有148组次(占比80%)小于常规护岸，重力式生态护岸圆筒及凸榫结构对波流有一定的削弱作用，最大波高减幅0.9%～28.8%，平均减幅10.7%。

(3)将下雨前后航道内水位与岸边地下水位对比，两者水位基本一致，表明重力式生态护岸的通透性较好；而传统护岸边地下水位较之差距较大，表明未与航道水位连通。

(4)重力式生态护岸地下水样浊度较之航道内水样浊度下降了65.7%～80.1%，重力式生态护岸的水质净化效果显著；PH值较航道内略高2%左右，均为弱碱性，生态护岸对水样PH值影响不明显；水样溶解氧较航道内小54%～57%，重力式生态护岸对水样溶解氧影响较大。

(5)重力式生态护岸适用于乡村等土地使用面积限制较小的航道，相比传统的内河航道护岸能起到有效的生态稳定作用，可绿化和美化环境、满足生态环境要求。生态植物的选择应以生态功能优先，乡土植物为主。