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        堤防防浪林寬度設(shè)計方法探討

        2018-09-10 18:53:02田雨普劉娟潘明強
        人民黃河 2018年9期

        田雨普 劉娟 潘明強

        摘要:在堤防工程設(shè)計中,應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置必要的超高,以抵御洪水波浪的沖擊。堤防臨水側(cè)的防浪林可削弱波浪的沖擊破壞,進而降低堤防設(shè)計超高,減少工程造價。以國內(nèi)某河道堤防超高設(shè)計為例,借用海堤設(shè)計規(guī)范中的喬木消波計算公式,采用國內(nèi)成熟的灌木消波計算公式,尋找最佳的防浪林林相結(jié)構(gòu),實現(xiàn)以最小的防浪林寬度取得最優(yōu)的消波效果。同時提出了不同水位下堤防對削減波浪能量的不同要求,以及防浪林寬度和林相結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方法。國內(nèi)多年實踐表明,防浪林能夠有效削減波浪爬高,削弱波浪對堤防的破壞,有效降低堤防超高。

        關(guān)鍵詞:堤防;超高;防浪林;寬度;林相結(jié)構(gòu)

        中圖分類號:TV871 文獻標(biāo)志碼:A Doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.007

        堤防防浪工程是指為了減少波浪對江河堤防的沖擊破壞、有效降低堤防超高,通常在堤防迎水坡前沿采取的消浪和防護措施,一般分為生物措施(如草皮、蘆葦、防浪林)和工程措施(如塊石、混凝土板護坡、防浪墻、防波堤等)兩類。

        防浪林是種植于堤防臨水側(cè)灘地、用于防浪護堤和搶險取材的專用林,是堤防的重要組成部分和抵御洪水的一道有效防線,也是沿河地區(qū)的綠色生態(tài)屏障。在我國,防浪林的種植已有近千年的歷史。據(jù)《荊江大堤志》記載:“清定例,大堤離腳五十丈以內(nèi)不準(zhǔn)人民耕種,興工(歲修)之時,亦復(fù)在五十丈以外取土,限制極嚴(yán)。一則恐礙堤腳致有崩銼之患,一則留有余地以便栽種蘆葦楊柳,藉以擋護?!?998年,長江流域發(fā)生了百年罕見的特大洪災(zāi),洞庭湖的洪水幾乎要漫過大堤,當(dāng)時抗洪軍民把防浪林繁密的枝條砍下,沉人水中,緩解了洪水對大堤的猛烈沖擊,保護了大堤的安全。

        防浪林的消浪作用與防浪林帶的寬度、林相結(jié)構(gòu)(喬木、灌木組合方式)密切相關(guān)。本文以國內(nèi)某河道堤防超高設(shè)計為例,結(jié)合防浪林消波計算,提出一種防浪林寬度和林相結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方法。1無防浪林條件下的堤防超高計算

        《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-2013)(以下簡稱“規(guī)范”)要求,設(shè)計堤頂高程為設(shè)計洪水位加超高。超高為波浪爬高、風(fēng)壅增高及安全加高三者之和,按下式計算:

        Y=R+e+A(1)式中:Y為堤頂超高,m;R為設(shè)計波浪爬高,m;e為設(shè)計風(fēng)壅增水高度,m;A為安全加高,m。

        1.1 設(shè)計波浪爬高

        (1)設(shè)計波浪爬高按下式計算:式中:R,為累計頻率為尸的波浪爬高,m,對不允許越浪的堤防,爬高累計頻率宜取2%;KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數(shù),草皮護坡取0.90;K,為經(jīng)驗系數(shù),可根據(jù)風(fēng)速V(m/s)、堤前水深d(m)、重力加速度g(m/s2)組成的無維量

        確定,KV取1.25~1.28;KP為爬高累計頻率換算系數(shù),對不允許越浪的堤防,爬高累計頻率宜取2%,KP取2.07;m為斜坡坡率,m=ctgα=3.0,α為斜坡坡角;H為堤前波浪的計算平均波高,m;L為堤前波浪的計算波長,m。

        (2)計算波浪要素H和L,采用“規(guī)范”推薦的莆田試驗站公式:式中:T為計算平均波周期,s;V為計算風(fēng)速,取歷年汛期最大風(fēng)速平均值20m/s的1.5倍,即30m/s;F為風(fēng)區(qū)長度,F(xiàn)=2000~9000m;d為水域的平均水深,取d=4~7m。

        波浪爬高計算結(jié)果見表1。

        1.2 風(fēng)壅增水高度及安全加高

        依據(jù)有關(guān)規(guī)范要求,設(shè)計風(fēng)壅增水高度e可按下式計算:式中:e為計算點的風(fēng)壅增水高度,m;K為綜合摩阻系數(shù),可取K=3.6×10-6;β為風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角,(°)。

        經(jīng)計算,風(fēng)壅增水高度為0.16~0.20m,數(shù)值較小,為方便討論,忽略不計。

        計算堤段為1級堤防土堤,不允許越浪,安全加高取1.0m。各堤段應(yīng)采用的超高見表2。

        由表2可以看出,在沒有采取消浪措施的情況下,應(yīng)采用的堤防超高在3.87~4.83m之間。超高過大將大幅增加工程量,需采取有效措施,降低波浪爬高。

        2 防浪林消波設(shè)計

        根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL 435-2008),對于堤前植防浪林的波浪爬高,應(yīng)先確定防浪林消波后的堤腳前波高,再計算波浪爬高值。

        2.1 喬木消波計算公式

        根據(jù)海堤設(shè)計規(guī)范,經(jīng)喬木林消波后的堤腳前波高可按下式計算:

        Hf=(1-J)H(5)

        其中式中:Hf為經(jīng)林帶消波后的波高,m;H為林帶消波前的波高,m;J為防浪林消波系數(shù);α1為林木枝葉遮蔽系數(shù),0≤α≤1.00;α2為林木主干遮蔽系數(shù),0.0006≤α2≤0.0091;R0為林木主干的平均半徑,m;R為林木整體(包括主干和枝葉)的平均半徑,m;w為林木成等邊三角形交錯排列的株距,m;B為林帶寬度,m;L為波長,m。

        2.2 灌木消波計算公式

        河海大學(xué)傅宗甫對低水狀態(tài)下水中灌木(柔性植物)的消浪能力進行了深入研究,得到波高傳遞率Jt與柔性植物栽植寬度B和水深d之比的關(guān)系式,進而得到柔性植物的消波系數(shù)J:

        J=1-Jt(6)式中:Jt為波高傳遞率,Jt=0.9748B/d×100%。

        2.3 消波計算結(jié)果分析[1]

        根據(jù)該河道實際情況,防浪林由高柳和叢柳組成。初步方案防浪林寬度取50m,其中:高柳24m,叢柳26m:高柳株距2m,叢柳株距1m。

        根據(jù)上述林相結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),計算得出消波后的有關(guān)數(shù)據(jù),見表3。

        將消波后的波高Hf代入波浪爬高公式,得出消波后的波浪爬高,見表4。

        由表4可看出,經(jīng)防浪林消波后,各堤段波浪爬高削減幅度在1.61~1.99m之間。根據(jù)該河段實際情況,還可以通過調(diào)整高柳和叢柳的寬度組合,即調(diào)整防浪林的林相結(jié)構(gòu),進一步削減波浪爬高,達到降低堤防超高的目的。

        3 林相結(jié)構(gòu)對防浪林消波效果的影響

        設(shè)計河段防浪林帶由高柳、叢柳組成。高柳主要削減設(shè)防流量下的波浪沖擊和爬高,叢柳則削減漫灘低水位的波浪能量。二者相輔相成,分別削減不同水位下的波浪能量[2]。

        為提高設(shè)防流量下防浪林的消波能力,一應(yīng)增加防浪林帶的寬度;二應(yīng)在防浪林寬度不變或減小的情況下,調(diào)整林相結(jié)構(gòu),即增加高柳種植寬度、減小叢柳種植寬度。為減少土地占壓面積,在保持高柳株距2m、叢柳株距1m不變的情況下,通過計算,得出多個不同防浪林寬度配合不同林相結(jié)構(gòu)的消浪效果,從中選取較優(yōu)方案。

        現(xiàn)列出以下4個方案以供比較。

        方案一:防浪林寬度50m,其中高柳寬24m、叢柳寬26m。

        方案二:防浪林寬度40m,其中高柳寬20m、叢柳寬20m。

        方案三:防浪林寬度35m,其中高柳寬24m、叢柳寬11m。

        方案四:防浪林寬度30m,其中高柳寬20m、叢柳寬10m。

        方案一的計算結(jié)果已在表4中列出,不再重復(fù);方案二至方案四的計算結(jié)果見表5至表7。

        通過方案一至方案四的不同防浪林帶寬度和不同的林相結(jié)構(gòu)比較,可以得出以下結(jié)論。

        (1)設(shè)防流量下防浪林的消波功能主要由高柳承擔(dān),叢柳主要削減漫灘低水位的波浪能量。

        (2)防浪林帶越寬,消波能力越強。

        (3)通過增加高柳的種植寬度,可有效削減波浪爬高。如方案三比方案二雖然總寬度減少5m,但高柳寬度增加了4m,其設(shè)計條件下的消波能力優(yōu)于方案二的,但方案三漫灘低水位下的消波能力劣于方案二的。

        (4)通過試算不同防浪林寬度和林相結(jié)構(gòu)的消波能力,可找出較優(yōu)的防浪林設(shè)計方案。但要兼顧不同水位下堤防對消減波浪能量的要求,不能片面追求設(shè)防條件下的防浪林消波能力而忽略了堤防的整體功能。

        4 結(jié)語

        目前國內(nèi)海堤大多采用較為成熟的工程消浪措施,如消浪平臺、反弧形斷面、消力齒(墩)、灌砌外凸塊石和預(yù)制混凝土異型塊體等,但大江大河仍習(xí)慣采用生物措施,如植樹、種草來抵御波浪沖擊。防浪林的作用突出表現(xiàn)在以下幾方面:一是能夠有效消減波浪爬高,削弱波浪對堤防的破壞,減輕堤防防汛壓力,有效降低堤防超高;二是能夠有效消耗水流能量,減緩順堤行洪的流速,減輕水流對堤防的沖擊破壞;三是能夠有效地緩流落淤、加快沿堤低洼地帶的淤積抬高,塑造高灘、低槽的有利河道形態(tài);四是能夠為河道防汛提供較好的搶險料物,同時也是沿河地區(qū)的綠色生態(tài)屏障。

        參考文獻:

        [1]張茂章,宋正明.不同林相結(jié)構(gòu)防浪林的消波性能計算[J].水利水電科技進展,2013,33(6),40-43.

        [2]吉紅香,黃本勝,邱秀云.植物消波消浪研究綜述[J].水利水運工程學(xué)報,2005,3(1):75-78.

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