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        重力式生態(tài)護岸效果綜合評價

        2022-12-21 06:49:26徐朝輝張陸陳駱少澤金彬彬
        水利水電快報 2022年12期
        關(guān)鍵詞:船舶生態(tài)

        徐朝輝,宋 凱,張陸陳,駱少澤,金彬彬

        (1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310006; 2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院,江蘇 南京 210024; 3.四川大學 水利水電學院,四川 成都 610065; 4.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川 成都 610065)

        0 引 言

        河道護岸是城市建設(shè)和航運建設(shè)中最為重要的內(nèi)容之一。所謂河道護岸,是指對江河堤岸進行加固修筑,以減輕水流、風浪的侵襲和沖刷破壞。傳統(tǒng)的護岸技術(shù)[1]主要是將石塊和鋼筋混凝土大面積覆蓋于岸堤土壤之上,常用的傳統(tǒng)護岸技術(shù)[2]主要有:干砌塊石護岸技術(shù)、漿砌塊石護岸技術(shù)、混凝土護岸技術(shù)等。其硬質(zhì)化結(jié)構(gòu)的特點不僅能夠滿足防洪排澇的要求,也可以保證河岸邊坡的穩(wěn)定性,但也在一定程度上隔斷了河水與岸堤之間的連通性,破壞了土壤中生物的生存環(huán)境,減弱了水體的自凈能力,對河流生態(tài)健康造成極大影響[3-4]。

        為探索既能滿足功能性要求,又不減弱河道生態(tài)功能的護岸技術(shù),生態(tài)護岸技術(shù)[5]開始被眾多專家所關(guān)注。生態(tài)護岸技術(shù)主要以天然或人工材料為基礎(chǔ),在傳統(tǒng)護岸技術(shù)所具有的抗沖蝕和穩(wěn)定性能上,還為河道內(nèi)外的生物提供適宜的生存環(huán)境,達到人類發(fā)展與生態(tài)環(huán)境和諧共存的目標[6]。傳統(tǒng)的護岸工程隔絕了土壤與水體之間的物質(zhì)交換,對生態(tài)環(huán)境有不利影響,而生態(tài)護岸的通透性較好,可實現(xiàn)水體交換,為水環(huán)境保護及人類與自然和諧共存做出貢獻。重力式護岸以圓筒護岸+T型板結(jié)構(gòu),可節(jié)約材料,降低工程造價。目前對生態(tài)護岸技術(shù)的研究已有較多成果,各類型護岸技術(shù)在江河整治中都得到了很好的應(yīng)用[7-9]。但是對護岸形式的選擇多以材料結(jié)構(gòu)形式[10]為主要因素,護岸效果的評價主要考慮造價、清淤和綠化景觀等方面[11],對于護岸的水動力條件與生態(tài)條件的改善作用研究較少。重力式生態(tài)護岸將生態(tài)護岸技術(shù)與重力式護岸結(jié)構(gòu)相結(jié)合。本文擬通過現(xiàn)場原型觀測,對比重力式生態(tài)護岸與傳統(tǒng)護岸的水力特性,分析重力式生態(tài)護岸的優(yōu)化效果,為內(nèi)河航道重力式生態(tài)護岸設(shè)計標準化提供技術(shù)支撐。

        1 研究方法

        1.1 試驗航道選取

        圖1 試驗航道平面

        試驗航道(圖1)選取一段重力式生態(tài)護岸和常規(guī)護岸作為對比,護岸分別位于杭申線楊廟至楊樹浜段航道養(yǎng)護工程的上下游。該段航道底高程-2.74 m,設(shè)計最低通航水位0.46 m,設(shè)計最高通航水位1.96 m。重力式生態(tài)護岸長172 m,樁號范圍約K68+289~K68+461;常規(guī)護岸位于重力式生態(tài)護岸以西,長37 m,樁號范圍約K67+595~K67+632。

        重力式生態(tài)護岸采用新型圓筒護岸+T型板結(jié)構(gòu),如圖2所示。圓筒直徑1.5 m,與C25鋼筋混凝土基礎(chǔ)以鋼筋深入30 cm連接,圓筒底高程-0.54 m,頂高程2.66 m。為便于交換水體,分別在圓筒-0.24,0.06和0.36 m高程處設(shè)置直徑0.15 m的透水生態(tài)孔,其中-0.24 m和0.36 m高程處各設(shè)置3個孔,0.06 m高程處設(shè)置2個孔,孔水平間距為0.375 m。圓筒間距3.0 m,圓筒之間用T型板連接,T型板通過迎水側(cè)凸榫與護岸底板相連。常規(guī)護岸基于原有護岸改建而成,體型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。采用漿砌水工混凝土劈離塊護面,護面坡度4∶1;護岸底高程0.13 m,頂高程也為2.66 m。

        1.2 測點布置

        重力式生態(tài)護岸測點布置示意如圖4所示。船行波波高共布置4個測點,樁號分別為K68+316.75(圓筒外邊緣)、K68+317.62(圓筒與預制T型板左交接處)、K68+319.26(預制T型板凸榫)、K68+320.37(圓筒與預制T型板右交接處)。水位水質(zhì)觀測孔布置2個,分別位于航道內(nèi)和護岸后,航道內(nèi)觀測孔距離預制T型板2.5 m,護岸后觀測孔距離預制T型板3.5 m,觀測孔孔徑15 cm,底高程為-0.35 m。

        常規(guī)護岸測點布置示意如圖5所示,船行波波高布置4個測點,為便于對比,4個測點間距與生態(tài)護岸一致,其樁號分別為K67+611.81、K67+612.68、K67+614.32、K67+615.43。常規(guī)護岸后方布置1個地下水位觀測孔,距離護岸3.5 m。

        圖2 生態(tài)護岸體型結(jié)構(gòu)示意(尺寸單位:cm)

        圖3 常規(guī)護岸體型結(jié)構(gòu)示意(尺寸單位:cm)

        圖4 重力式生態(tài)護岸測點布置示意

        圖5 常規(guī)護岸測點布置示意(尺寸單位:m)

        1.3 試驗船舶

        此次觀測不指定特定船舶,直接以航道上過往船舶開展研究,真實反映現(xiàn)實通航條件下不同護岸類型對近岸水流特性的影響。對統(tǒng)計的過往船舶進行數(shù)據(jù)篩選,剔除船舶交匯、離岸距離、船舶航速等相差較大特殊情形,共計184組次。

        船舶平均航速5.0~14.4 km/h,重載船舶航速為6~8 km/h,空載船舶航速為10~12 km/h。船舶離岸距離16.5~50.0 m,因測站位于航道南側(cè),故航行東北方向(常規(guī)護岸向重力式生態(tài)護岸)時船舶離岸距離較近,多為25~35 m;航行西南方向(重力式生態(tài)護岸向常規(guī)護岸)時船舶離岸距離較遠,多為35~45 m。

        1.4 觀測手段

        近岸流速采用LS1206B型旋槳流速儀,測速范圍0.05~7.00 m/s;船舶離岸距離采用LTI20-20 200LR激光測距儀測量;船行波波高采用華控HK-DR04型波高液位傳感器,量程0~1 m,準確度0.5%FS,響應(yīng)時間不大于10 ms;船行波波高傳感器輸出信號采用INV 3062采集系統(tǒng)測量,采樣頻率200 Hz;水體濁度采用HACH 2100Q測量;溶解氧及其飽和度、氧化還原電位(ORP)、PH值等采用HQ40D測量;水位采用HQ1300F5型投入式液位計測量,量程0~1 m,準確度0.5%FS。主要測量儀器如圖6所示。

        2 近岸水流特性

        2.1 近岸流速

        在限制性航道中,典型的近岸流速過程線如圖7所示,由圖可知,各流速過程線上均存在一個明顯的半正弦的單獨波,該單獨波起點對應(yīng)于船艏到達測量斷面,終點對應(yīng)于船艉駛過斷面,與水面出現(xiàn)大降幅的過程完全一致,即水面降低是產(chǎn)生岸邊回流的直接原因。

        近岸水流觀測采用旋槳流速儀測量,其啟動流速0.05 m/s,由于航道較寬,近岸水位降幅較小時無法觀測到流速值,可觀測到重力式生態(tài)護岸與常規(guī)護岸近岸流速對比共計86組次,其中,重力式生態(tài)護岸近岸流速有74組次(占比86%)小于常規(guī)護岸,與重力式生態(tài)護岸最大波高小于常規(guī)護岸的占比基本相當。在試驗中,最大近岸流速為0.322 m/s,由某船舶引起,該船西南向航行,離岸距離40.3 m,航速7.5 km/h。重力式生態(tài)護岸平均近岸流速0.132 m/s,常規(guī)護岸平均流速0.155 m/s,各組次重力式生態(tài)護岸近岸流速減幅3.4%~36.7%,平均減幅17.8%。

        2.2 船行波形態(tài)

        船行波[12]的產(chǎn)生原理是船舶在行進時,船身的壓力對水體的壓縮作用形成船行波。被擠壓的水體向岸邊擴散,形成浪花沖擊護岸,因此船行波是破壞護岸的重要因素之一。圖8顯示典型船舶在行進過程中引起的水面波動。波動過程大致可分為3段:水面平穩(wěn)段、大波幅段和小波幅段。在船舶到達測點斷面之前,水面相對平穩(wěn),存在波動是風生波所致;在船艏到達測點斷面時,水體受船舶頂推局部受阻產(chǎn)生壅水,大部分受擠壓繞過船頭,流速急劇增大,水面快速下降,水面呈大幅波動;隨后水面快速回升,待船艉駛過測點斷面時,水面基本恢復并由于慣性作用而波動,期間與航行過程不斷產(chǎn)生的船行波疊加,形成小幅波動形態(tài)。

        圖6 主要試驗儀器

        注:自航,半載,航速9.2 km/h。

        圖8 典型船舶行進過程水面波動

        2.3 最大波幅

        因航道較寬,船行波對近岸水面波動的影響總體較小,小波幅與大小波幅的數(shù)值相差較大,且易受風生波、航道余波干擾,故采用最大波幅(最高水位-最低水位)對近岸水流波動進行分析。在試驗中,最大近岸波幅為45.8 cm,由某船舶引起,該船重載,東北向航行,離岸距離26.3 m,航速高達13.9 km/h。

        近岸水流波動的影響因素較多,與船舶行駛速度、吃水深度、船舶型號、離岸間距、護岸結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。船舶重載和空載時生態(tài)護岸近岸最大波幅與航速關(guān)系見圖9。不論船舶是否載物,越靠近護岸,引起的水面波動越大;船舶重載與空載引起的最大波幅集中分布在5~15 cm范圍內(nèi),這是由于雖然重載船舶的吃水深度大,但是空載船舶的行駛速度約為重載船舶的2倍,波幅受到吃水深度與航行速度的雙重影響。此外,對于同為重載或者空載船舶而言,行駛速度的增大會也會影響水面波動的幅度。

        圖9 近岸最大波幅與航速關(guān)系

        3 重力式生態(tài)護岸與常規(guī)護岸水力特性對比

        3.1 護岸對波幅影響

        以1號測點為基準,重力式生態(tài)護岸和常規(guī)護岸其余測點與1號測點的對比見圖10。重力式生態(tài)護岸各測點中,位于最外緣的1號測點波幅相對最大,其次為位于圓筒與預制T型板右交接處的4號,再次為位于圓筒與預制T型板左交接處的2號,位于凸榫內(nèi)緣的3號測點最??;而常規(guī)護岸各測點相差較小,未見顯著規(guī)律性。由圖可見,重力式生態(tài)護岸圓筒及凸榫結(jié)構(gòu)對波流有一定的削弱作用。

        為分析重力式生態(tài)護岸總體消波效果,對重力式生態(tài)護岸與常規(guī)護岸各測點最大波幅取平均值進行對比。在184組次中,重力式生態(tài)護岸各測點最大波幅平均值有148組次(占比80%)小于常規(guī)護岸,進一步證明重力式生態(tài)護岸消波的有效性;各組次生態(tài)護岸最大波高減幅0.9%~28.8%,平均減幅10.7%。

        3.2 透水性對比

        為了對比重力式生態(tài)護岸與傳統(tǒng)護岸的透水性,本研究以航道內(nèi)水位與岸邊地下水位為對比參數(shù),試驗時分別測量下雨前、下雨時以及下雨后的河道水位、護岸岸邊的地下水位,結(jié)果如圖11所示。航道內(nèi)水位在下雨前后的變化范圍為1.042~1.131 m;重力式生態(tài)護岸岸邊地下水位為1.036~1.135 m,與航道水位基本一致,表明重力式生態(tài)護岸的通透性較好;而傳統(tǒng)護岸岸邊地下水位為-0.037~0.055 m,雖有增加,但是與河道內(nèi)水位相差巨大,表明透水性能差。

        圖10 測點間最大波幅比較

        圖11 水位對比

        另外在觀測重力式生態(tài)護岸岸邊地下水位時發(fā)現(xiàn),船舶航行時,重力式生態(tài)護岸后水位波動較小,航道內(nèi)水位大幅波動時,岸邊地下水位波動僅2~4 cm;航道內(nèi)水位小幅波動或產(chǎn)生風生波時,岸邊地下水位波動小于1 cm。分析認為這主要與透水孔的開孔率及透水孔后片石填心、拋石棱體有關(guān)。

        4 重力式生態(tài)護岸水質(zhì)凈化效果

        重力式生態(tài)護岸作為連接水體與陸地的生態(tài)交接帶,在維持水體生態(tài)平衡、控制水土流失、凈化水質(zhì)等方面具有重要價值。本文采用濁度、溶解氧及其飽和度、PH值等參數(shù)來評估重力式生態(tài)護岸的水質(zhì)凈化效果。本文主要研究水質(zhì)凈化的綜合效果,每個工況間隔1 h取水樣進行測量,共5組試驗數(shù)據(jù),以平均值作為樣本數(shù)據(jù)分析。

        濁度是反映水中懸浮物和膠體物導致水體渾濁的指標。晴天和雨天重力式生態(tài)護岸前后水樣濁度列于表1。航道內(nèi)水樣濁度186~239 NTU,重力式生態(tài)護岸后水樣濁度37~82 NTU,較之航道內(nèi)水樣濁度下降了65.7~80.1%,表明重力式生態(tài)護岸的凈化效果非常顯著。

        表1 重力式生態(tài)護岸前后水樣濁度對比

        晴天和雨天重力式生態(tài)護岸前后水樣pH值列于表2。晴天水樣pH值7.62~7.78,雨天水樣pH值7.36~7.48,均為弱堿性;重力式生態(tài)護岸后水樣pH值較航道內(nèi)略高2%左右,重力式生態(tài)護岸對水樣pH值影響不明顯。

        表2 生態(tài)護岸前后水樣pH值對比

        晴天和雨天重力式生態(tài)護岸前后水樣溶解氧及其飽和度值列于表3。晴天水樣溶解氧3.50~7.56 mg/L、飽和度35.6%~78.7%,雨天水樣溶解氧3.11~7.28 mg/L、飽和度31.5%~74.0%,雨天溶解氧略小于晴天,重力式生態(tài)護岸對水樣溶解氧影響較大,重力式生態(tài)護岸后溶解氧較航道內(nèi)小54%~57%,主要原因:① 因生態(tài)護岸后均為回填土,未充分接觸空氣;② 護岸內(nèi)外水體交換偏弱。

        航道內(nèi)水樣ORP(氧化還原電位)值-78.4~-62.9,生態(tài)護岸后水樣ORP值-85.7~-70.1、較航道內(nèi)高9.3%~11.4%,均呈現(xiàn)還原性,重力式生態(tài)護岸對水樣ORP值影響較小。

        表3 重力式生態(tài)護岸前后水樣溶解氧及其飽和度對比

        綜上,重力式生態(tài)護岸在透水孔后填充了片石填心、拋石棱體,對水質(zhì)凈化效果顯著,但減少了護岸內(nèi)外水體交換導致溶解氧偏低,建議適當增加開孔率,并在重力式生態(tài)護岸后選擇一些生長旺盛、自我繁殖和更新能力強的植物品種進行種植,可有利于水陸動植物及微生物能與周圍環(huán)境物質(zhì)能量交換,增強微生物凈化水體功能,使河道水質(zhì)得到一定改善。

        5 結(jié) 論

        本文通過現(xiàn)場試驗研究,取得結(jié)論如下。

        (1) 重力式生態(tài)護岸近岸流速有74組次(占比86%)小于常規(guī)護岸,各組次重力式生態(tài)護岸近岸流速減幅3.4%~36.7%,平均減幅17.8%。

        (2) 重力式生態(tài)護岸各測點最大波幅平均值有148組次(占比80%)小于常規(guī)護岸,重力式生態(tài)護岸圓筒及凸榫結(jié)構(gòu)對波流有一定的削弱作用,最大波高減幅0.9%~28.8%,平均減幅10.7%。

        (3)將下雨前后航道內(nèi)水位與岸邊地下水位對比,兩者水位基本一致,表明重力式生態(tài)護岸的通透性較好;而傳統(tǒng)護岸邊地下水位較之差距較大,表明未與航道水位連通。

        (4)重力式生態(tài)護岸地下水樣濁度較之航道內(nèi)水樣濁度下降了65.7%~80.1%,重力式生態(tài)護岸的水質(zhì)凈化效果顯著;PH值較航道內(nèi)略高2%左右,均為弱堿性,生態(tài)護岸對水樣PH值影響不明顯;水樣溶解氧較航道內(nèi)小54%~57%,重力式生態(tài)護岸對水樣溶解氧影響較大。

        (5)重力式生態(tài)護岸適用于鄉(xiāng)村等土地使用面積限制較小的航道,相比傳統(tǒng)的內(nèi)河航道護岸能起到有效的生態(tài)穩(wěn)定作用,可綠化和美化環(huán)境、滿足生態(tài)環(huán)境要求。生態(tài)植物的選擇應(yīng)以生態(tài)功能優(yōu)先,鄉(xiāng)土植物為主。

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