吳昊天，王振友，宋意勤，宋薇薇

（1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚州 225002）

1 概述

太湖是我國五大淡水湖之一，位于我國東部長江三角洲平原地區(qū)，湖泊水面面積2338 km2，常水位3.11 m（吳淞高程系，下同）時的容積約為44.3億m3[1]。按1954年型洪水、50年一遇標準，太湖設(shè)計水位4.66 m，而太湖流域平原地面高程主要在3.0～5.0 m，約50%以上面積處于汛期洪水位以下[2]，故環(huán)太湖大堤是太湖流域人民生命、財產(chǎn)安全的重要保障。

環(huán)湖大堤江蘇省境內(nèi)堤線長度217 km[2]，形成周期較長，1999年太湖流域特大洪水后進行過一次大規(guī)模加固。根據(jù)流域增加防洪調(diào)蓄能力和水資源調(diào)控能力的規(guī)劃要求，針對環(huán)湖大堤存在的薄弱環(huán)節(jié)實施后續(xù)工程，這就需對大堤全線堤防的穩(wěn)定性、堤身填筑質(zhì)量、堤頂高程等因素進行全面深入的分析研究。

此外，徐雪紅[2]在相關(guān)文章中提出，由于在環(huán)湖大堤工程初設(shè)階段對太湖風(fēng)浪破壞性的認識不足，臨水面直立擋墻的設(shè)計強度普遍不足，歷年大水頂風(fēng)堤段擋墻水毀嚴重。現(xiàn)階段應(yīng)進一步研究風(fēng)浪對大堤的破壞作用，針對性地進行環(huán)湖大堤加固處理。

2 太湖風(fēng)浪作用特點

太湖屬于典型的淺水湖泊，湖底的平均高程為1.1 m，湖底地形較為平坦，幾無深槽洼地，也無大片灘地。當水位為吳淞零點2.99 m時，全湖平均水深僅2 m左右[3]。

2.1 太湖風(fēng)浪

2.1.1 太湖風(fēng)場特征

太湖流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季濕熱，冬季干冷，降雨豐沛，常有臺風(fēng)侵襲。太湖湖區(qū)4～8月以東南風(fēng)居多；10月至翌年2月，以東北風(fēng)或西北風(fēng)為多；3月最多風(fēng)向為東南風(fēng)或西南風(fēng)，9月以偏北風(fēng)為多[1]。太湖1984～2004年風(fēng)風(fēng)玫瑰圖如圖1[3]，全年出現(xiàn)頻率最多的為SE風(fēng)。

2.1.2 風(fēng)力、風(fēng)速特征

太湖汛期主風(fēng)向為東南風(fēng)，屬太湖西段的江蘇宜興段首當其沖受大風(fēng)影響，最大風(fēng)力8級，陣風(fēng)10～11級。湖面月平均風(fēng)速最大值3.8～4.3 m/s[1]。

宜興堤段主風(fēng)向按照最不利的風(fēng)向（正面襲擊堤防的風(fēng)向）考慮，風(fēng)速特征值如表1所示。

2.2 太湖波浪特點

圖1 太湖風(fēng)頻率玫瑰圖（%）

波浪是湖泊主要水動力過程之一。太湖作為一個淺水湖泊，具有風(fēng)生浪起的特點，風(fēng)突然增大或減小能迅速引起波浪的增大或減小。太湖湖面開闊，在一般天氣條件下，平均浪高在0.5 m左右，當風(fēng)力為5～6級時，波高可達1 m左右，波長約為4～7 m[3]。

太湖宜興段沿岸100 m內(nèi)水深多在0.8～1.5 m，屬于淺灘，其對風(fēng)成浪有一定的消減，但大風(fēng)期抵岸波浪仍在堤上生成1 m多高浪花越堤而過。

3 風(fēng)浪對岸坡的破壞作用

在環(huán)湖大堤工程初設(shè)階段對太湖風(fēng)浪破壞性的認識不足，臨水面直立擋墻的設(shè)計強度普遍不足，歷年大水頂風(fēng)堤段擋墻水毀嚴重[2]。風(fēng)浪破壞作用集中體現(xiàn)在對江蘇宜興段和浙江段，原因應(yīng)主要為此兩段是太湖風(fēng)浪作用最強地段。

影響護岸結(jié)構(gòu)選型的條件有地質(zhì)、水深、波浪等自然條件以及建材來源、使用要求和施工條件等因素。太湖大堤岸坡多以采取了防護措施，主要斜坡式混凝土板護面和直立式擋墻護岸2種形式。

3.1 工程地質(zhì)條件簡況

西段大堤位于古瀉湖平原和石質(zhì)山地以及河流泛濫平原區(qū)，堤防填筑土分黏性土為主和輕粉質(zhì)壤土為主兩類；第四紀土層厚度變化較大，鉆探揭示的土層主要為全新世（Q4）、晚更新世（Q3）沉積層；局部揭示泥盆紀（D1～D2）基巖。

表1 太湖大堤宜興段風(fēng)速特征值

（1）填筑土：一類（A）主要為灰黃、褐黃色局部灰褐，灰黑色粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)壤土，另一類（B）主要為灰黃、褐黃色局部灰褐，灰黑色輕、中粉質(zhì)壤土。土質(zhì)軟硬不均，局部雜碎磚、碎石等建筑垃圾、腐殖質(zhì)。

（2）全新世（Q4）沉積層：

淺表河湖沉積，力學(xué)強度較低。一類（①2）為灰色粉質(zhì)黏土，可塑～軟塑，一類（①3）為灰色重粉質(zhì)砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，稍密～松散。

軟土層（②）：灰、灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土～重粉質(zhì)壤土，夾砂壤土薄層，富含腐殖質(zhì)，局部地段腐殖質(zhì)富集，且含有沼氣，偶含孔洞及少量碎貝殼。流塑～軟塑，高壓縮性，力學(xué)強度低。局部重粉質(zhì)砂壤土為主。

長江三角洲第一硬土層：灰黃、褐黃、棕黃色粉質(zhì)黏土（③），含鐵錳質(zhì)結(jié)核和小砂礓?？伤芫植坑菜?，中壓縮性，力學(xué)強度較高；棕黃、灰黃色重粉質(zhì)壤土夾砂壤土層（④）?？伤?，中壓縮性，力學(xué)強度中等。其間也局部分布有力學(xué)強度較低的黏性土、砂壤土層。

（3）晚更新世沉積層（⑤）：灰、褐黃、灰綠色粉質(zhì)黏土、黏土，偶夾少量砂壤土薄層?？伤堋菜?，中壓縮性，力學(xué)強度較高～高；灰黃、褐黃色輕、中粉質(zhì)壤土，夾粉質(zhì)黏土、砂壤土層，中密，中壓縮性，力學(xué)強度中等。

（4）泥盆紀基巖（⑩），力學(xué)強度高。

選擇代表性工程地質(zhì)剖面示意見圖2。圖2代表了不同堤段的地質(zhì)剖面，從圖（a）、圖（b）和圖（c）看出，太湖堤防總體工程地質(zhì)條件差～較差，但工程地質(zhì)條件在逐漸好轉(zhuǎn)；圖（d）代表的工程地質(zhì)段，堤基地質(zhì)條件較好。

3.2 斜坡式混凝土板護面

圖2 代表性工程地質(zhì)剖面示意圖

波浪水體通常以射流形式拍擊斜坡護面，形成波動水流在坡面上往復(fù)上溯并回流。在持續(xù)往復(fù)的波浪作用過程中，坡面上產(chǎn)生波動流，流速最大值在波浪破碎時射流拍擊斜坡位置，并在該點產(chǎn)生最大拍擊壓力。隨著波動流沿斜坡向上或向下運動，波浪壓力也沿坡面上下有所衰減，并且波浪壓力通過護坡材料及其孔隙自岸坡表層向內(nèi)部深處傳遞。在傳遞過程中，波壓力的數(shù)值雖不斷有所衰減，但因各層波壓力的分布具有相位差，當波動水流沿岸坡表面回落時，由于內(nèi)壓力的浮托作用，可能會將表層護坡材料掀動破壞；另一方面，由于波動滲流的淘刷作用，亦有可能將膠結(jié)材料或反濾層材料，通過護面或各反濾層的縫隙沖出，使坡面產(chǎn)生開裂或者凹陷；再一方面，護面基腳在波浪長期作用下逐漸被淘空，使護面懸空。

以上幾種情況常在風(fēng)浪作用下逐漸發(fā)育成熟，一旦遇到強風(fēng)疾浪，護面在波浪回落時受到拖拽力和護面內(nèi)部對其的浮托力作用下產(chǎn)生整體坍塌或坍滑。

3.3 直立式擋墻護岸

波浪水體推進至直立擋墻，首先對墻體產(chǎn)生直接的沖擊作用，同時因遇墻阻擋，水體產(chǎn)生瞬時壅高，對墻體形成沖刷。此時擋墻承受水平向湖水作用力為向岸側(cè)的動水壓力和靜水壓力，將擋墻向岸推動。之后在墻體反作用力和壅高水頭作用下，波浪水體回退、水面下降，形成墻前波谷。此時作用于擋墻上的波壓力為向湖側(cè)動水壓力和靜水壓力，較前明顯有將墻體向湖拖拽作用。擋墻在短時間內(nèi)反復(fù)轉(zhuǎn)換的兩個方向力作用下，會逐漸進入搖擺運動狀態(tài)。風(fēng)浪小則作用力下，搖擺運動微弱；風(fēng)浪大則作用力大，搖擺運動明顯。持續(xù)的搖擺運動，可能從以下幾方面造成影響：

（1）直立擋墻基礎(chǔ)埋較淺時，受波浪特別是波谷力作用，沖刷淘蝕破壞地基；

（2）反復(fù)改變基礎(chǔ)與地基作用面積，使部分時段豎向荷載強度值明顯增大，非巖石地基產(chǎn)生超量沉降；

（3）增大了擋墻滑移力和傾覆力矩，產(chǎn)生新的墻體位移或轉(zhuǎn)角。

（4）擋墻結(jié)構(gòu)強度不足，不能抵御搖擺作用而導(dǎo)致墻體損壞。

因為擋墻后方有堤身支撐，地基超量沉降一般會發(fā)生在近湖側(cè)，另外波谷力與墻后土壓力方向一致，風(fēng)浪搖擺作用影響達一定程度后，通常致使擋墻向湖側(cè)傾斜或傾倒。

4 植葦護岸作用分析

4.1 蘆葦特性

蘆葦為多年生宿根草本植物，禾本科，蘆葦屬。地下根狀莖發(fā)達，地上部分干高1～5 m，具有莖節(jié)。蘆葦是挺水、濕生植物，分布廣泛，主要生長于沼澤、湖泊深淺水中或低濕地等水分充足的環(huán)境，生長旺盛期在3～7月。

4.1.1 環(huán)境適應(yīng)性強

蘆葦有橫走的根狀莖，根狀莖縱橫交錯形成網(wǎng)狀。因為有多年生的地下莖，每一莖節(jié)上有大量的不定根，葉、莖、根狀莖、不定根都有導(dǎo)氣組織，故而根狀莖具有很強的生命力，能較長時間埋在地下，1 m甚至1 m以上的根狀莖，一旦條件適宜，仍可發(fā)育成新枝。對水分的適應(yīng)幅度很寬，蘆葦能適應(yīng)濕潤、沼澤等環(huán)境，從土壤濕潤到長年積水，從水深幾厘米至1 m以上，都能形成蘆葦群落。

4.1.2 自然繁殖與人工繁殖

蘆葦在自然生境中，以根狀莖繁殖為主，也可以種子繁殖，種子可隨風(fēng)傳播，落于條件適宜處即可發(fā)芽生長。

人工一般通過分株和扦插繁殖，發(fā)芽之后帶根移栽，成活率高，生產(chǎn)管理可以比較粗放。

但在湖水較深的地段移栽，應(yīng)選擇比較高的種苗，確保移植之后有1/3以上挺出水面。

4.1.3 抗病能力強

蘆葦莖桿表皮層由硅質(zhì)和栓質(zhì)細胞組成，抗病能力強。

硅質(zhì)細胞使蘆葦?shù)那o葉挺直，改善光合作用條件；使莖葉表層細胞壁加厚，角質(zhì)層增加，防止病菌入侵；使蘆葦導(dǎo)管剛性加強，提高通氣性，不但可促進作物根系生長，還可預(yù)防根系的腐爛和早衰，特別對防治爛根病有重要作用。

栓質(zhì)細胞是一種細胞壁栓質(zhì)化的活細胞。栓質(zhì)細胞利于植物蠟質(zhì)物的積累，使植物表面形成蠟質(zhì)層，抵御外界脅迫，抵抗病菌入侵；栓質(zhì)細胞控制著植物蒸騰作用、光合作用和呼吸作用的相關(guān)環(huán)節(jié)，影響植物生長、發(fā)育的生理過程。

4.2 抗風(fēng)浪能力

蘆葦對比樹木能夠較大密度地生長，能相互依托對沖擊水流形成抵抗合力；蘆葦莖桿有一定彈性，且有對生葉，對風(fēng)產(chǎn)生平衡作用，并可隨風(fēng)起伏，以其韌性呈現(xiàn)較強抗風(fēng)能力；蘆葦葉可以在水中呼吸，進行微弱的光合作用，地上莖的節(jié)部可在水中長出不定根來攝取水中的養(yǎng)分，所以不怕汛期水漲浪高，可以起到一定的抗水流消風(fēng)浪作用。

4.2.1 歷史與各地經(jīng)驗

日本學(xué)者陳仁端在《關(guān)于太湖流域的水環(huán)境與生態(tài)農(nóng)業(yè)的若干思考》寫道：《農(nóng)政全書》強調(diào)養(yǎng)護圩岸之重要性。書中總結(jié)歷史上養(yǎng)護圩岸之經(jīng)驗，提出堤上、堤邊栽樹種蔬、種草為有效方法之一。例如“岸上遍插水楊，圩外雜植茭蘆，以防風(fēng)浪沖擊”[7]。

生物消浪是目前許多地區(qū)比較提倡的一種消浪模式，廣東、福建沿海一帶種植的紅樹林，上海市灘涂上的大片蘆葦灘等，都是利用生物方法消浪促淤，效果明顯。生物消浪與傳統(tǒng)消浪方法相比較，除具有增強岸灘穩(wěn)定、防蝕促淤、防風(fēng)消浪等功能外，還有工程量小、成本低、環(huán)境協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點。

4.2.2 試驗研究

植物對水流的影響，邱秀云[5]等人通過室內(nèi)水槽模擬試驗發(fā)現(xiàn)，水流穿過植物的過程就是植物阻力引起水流能量損失的過程。水流穿過植物的過程中，植物對水流產(chǎn)生了阻滯作用，壅高上游水位，改變“柔性壩”附近的流速場，降低“柔性壩”上游段一定范圍的流速。植物“柔性壩”阻水作用與“柔性壩”的種植密度和壩長有關(guān)。

濕地植物的存在將增大近岸水體運動的阻力從而消耗波能[6]。其他一些渠道阻力系數(shù)試驗研究也表明，穿過植被段內(nèi)水流的動能隨著植被密度和植被段長度的增大而減小，植被密度和植被段長度的增大減弱了水流位能和勢能向水流動能的轉(zhuǎn)化作用，增強了水流位能和勢能向能量損失的轉(zhuǎn)化作用。

通過實驗和理論分析，說明了植被密度的改變和植被段長度的改變均對含植被水流的水流阻力和水流能量特性產(chǎn)生影響。隨著植被密度的增大，水流的阻力系數(shù)明顯增大，水流流速明顯減小，水流能量的耗散速度也明顯增大，而隨著植被段長度的增長，植被段內(nèi)耗散的總能量明顯增大。可以找出一個對水流阻礙作用有效率最大的植物密度和植被段長，植被按此密度、段長進行種植防護就可以最高效率地消減水流能量，降低其沖擊作用了。

4.3 植葦護岸符合太湖治理的總體方向

蘆葦依靠根部過濾、吸附、分解、離子交換等實現(xiàn)對水中有害物質(zhì)的去除，凈化水中的懸浮物、氯化物、有機氮、硫酸鹽等，是太湖水的“凈化器”。在湖岸種植蘆葦，能起到擋風(fēng)消浪護堤的作用，是防洪消浪的“擋風(fēng)墻”。

根據(jù)《江蘇省太湖流域水環(huán)境綜合治理濕地保護與恢復(fù)規(guī)劃（2010-2020）》的要求，對因堤岸工程建設(shè)等原因受到破壞的太湖環(huán)湖湖濱濕地，采用濱岸消浪、生態(tài)護坡等生境恢復(fù)技術(shù)，合理配置濕地植物，構(gòu)建水生動物群落，開展搶救性恢復(fù)或修復(fù)，恢復(fù)濱岸濕地植被帶；保護出入湖河流濱岸濕地自然植被帶，減少防洪防汛工程措施對河流濱岸濕地過渡帶的影響，推行生態(tài)護坡，減少水泥、條石等硬質(zhì)濱岸護坡，建設(shè)一定寬度濱岸濕地植被帶。

保護生態(tài)、柔化大堤岸線是太湖治理的總體方向，植葦護岸符合此方向。

5 結(jié)語

（1）太湖汛期主風(fēng)向為東南風(fēng)，西段大堤首當其沖受到風(fēng)浪影響，雖然較東段堤防設(shè)計增加了0.8 m超高，但風(fēng)浪水流的沖擊、拍擊作用對堤防破壞性仍是個顯著問題。

（2）西段堤防工程地質(zhì)條件較差。斜坡護面受到波浪拍擊和回落沖蝕等作用，在拖拽力和浮托力作用下易產(chǎn)生整體坍塌或坍滑；直立墻護岸受風(fēng)浪搖擺作用達一定程度后，易使擋墻向湖側(cè)傾斜或傾倒。

（3）太湖大堤加固目的是防洪，但結(jié)構(gòu)設(shè)計上防浪甚于防洪。蘆葦是適應(yīng)性強、種植成本低的挺水植物，在湖岸種植蘆葦，能起到擋風(fēng)消浪護堤的作用，且符合太湖治理保護生態(tài)、柔化大堤岸線的總體方向。

（4）植葦護岸方案也可結(jié)合太湖生態(tài)保護、濕地再造等項目一起實施，與其他植被共同形成防浪護岸工程，并制定預(yù)防措施控制水生植物可能對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。