植物護(hù)岸對(duì)大堤波浪爬高影響試驗(yàn)初探

1、植物護(hù)岸對(duì)大堤波浪爬高影響試驗(yàn)初探 2005年第 3期·43·植 物 護(hù) 岸 對(duì) 大 堤 波 浪 爬 高 影 響 試 驗(yàn) 初 探黃本勝1,2吉紅香1,2(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510610摘 要:在堤外灘地上合理地種植適生植物能夠起到保護(hù)岸灘、消減波浪的作用,是一種有效的生物護(hù)岸形式。本文通過(guò)不同灘地水深、不同波高和不同種樹(shù)帶寬度的組合試驗(yàn)分析表明:在灘堤上種植防浪樹(shù)可以大 大消減波浪能量,降低波浪爬高以及波浪對(duì)大堤的沖擊力,保護(hù)堤岸。關(guān)鍵詞:植物護(hù)岸;波浪;爬高;試驗(yàn)中圖分類(lèi)號(hào):TV139.2;TV131.6 文獻(xiàn)標(biāo)

2、識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-1305(200503-0043-04珠江三角洲臺(tái)風(fēng)暴潮災(zāi)害頻繁,臺(tái)風(fēng)造成的大浪對(duì)大堤的沖擊是大堤遭受破壞的最主要形式之 一;此外,三角洲水道四通八達(dá),航運(yùn)交通便利, 經(jīng)常性的船行波尤其是高速雙體船船行波對(duì)岸坡灘地的破壞作用很大4,5。在水流、波浪的共同作 用下,護(hù)坡內(nèi)的土體通過(guò)縫隙被吸出,護(hù)岸材料上 浮、滑動(dòng)而遭到破壞;特別在洪水期間,遭遇較大 波浪的情況下, 還會(huì)發(fā)生越浪, 當(dāng)越浪量大的時(shí)候, 越頂?shù)乃w對(duì)抗沖蝕較弱的土質(zhì)內(nèi)坡破壞較大,并 會(huì)造成圍內(nèi)澇災(zāi)。因此,波浪爬高的確定在斜坡堤 設(shè)計(jì)中是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù),直接影響到設(shè)計(jì)堤頂高 程,從而影響工程量的大小。實(shí)踐

3、證明1,2, 在堤外灘地種植防浪林能有效 降低波浪的爬高,是一種有效的生物護(hù)岸形式。廣 東省斗門(mén)縣蓮溪鎮(zhèn)從 1982年開(kāi)始,連續(xù)三年在堤 外灘連片種植水松 20.8km, 530行寬。 8908號(hào)臺(tái) 風(fēng)加暴潮襲擊該縣時(shí),樹(shù)高 79.8m,胸徑 1013.5cm。該段土堤的高程 3.34.1m,僅有 3.65m 砌石堤,由于防浪林的消浪作用,整段圍堤沒(méi)有被 沖塌決堤,堤上的土方也沒(méi)有沖壞。而相鄰一段僅 1.2km 的大堤由于堤外沒(méi)有灘涂,未能種上防浪林 護(hù)堤,雖然堤高已 3.5m,而且外加砌石防浪,也經(jīng) 不住這次臺(tái)風(fēng)暴潮的襲擊,堤段上沖塌決口 30處,決口長(zhǎng) 2.3km,沖走土方 275m 3。

4、據(jù)觀測(cè),10行以 上的林帶可以把堤外河槽 7級(jí)的大浪削減成 3級(jí), 35行間距為 1m 左右的林帶即可有效的防浪護(hù)堤。因 此, 研究植物護(hù)岸對(duì)大堤波浪爬高的影響具有很大的實(shí)際意義,而這方面的研究工作目前還不多 3,6,具 有較高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。1 模型試驗(yàn)概況試驗(yàn)是在設(shè)于廣東省水利水電科學(xué)研究院內(nèi)的 廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽中 進(jìn)行的。 波浪水槽長(zhǎng) 66m, 寬 1m, 高 1.6m。 在水槽的 一端放置模型,用玻璃墻將波浪水槽分成二元水路, 兩側(cè)均布置波高傳感器, 一側(cè)有防浪樹(shù)、 一側(cè)無(wú)防浪 樹(shù), 對(duì)比消浪的效果。 不規(guī)則造波機(jī)由控制室計(jì)算機(jī) 通過(guò)不規(guī)則造波系統(tǒng)軟件控制推波

5、板的運(yùn)動(dòng), 造出試 驗(yàn)中所需要的規(guī)則波與不規(guī)則波。為減小模型的縮尺效應(yīng), 盡量采用小比尺, 大模 型進(jìn)行試驗(yàn)。 根據(jù)原體的波浪要素、 實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條 件以及珠江三角洲網(wǎng)河比較普遍的斜坡式堤, 確定以 幾何比尺 10/1=r l 制作正態(tài)概化模型,模型灘寬 2.5m, 岸灘及堤坡均為 1:3, 堤高 0.5m (見(jiàn)圖 1 。 模 型樹(shù)分別采用剛性樹(shù)干和帶柔性枝葉植物兩種, 根據(jù) 珠江三角洲堤外灘地種樹(shù)的實(shí)際情況:防浪林主要采 用水松、落葉松等適生植物。一般情況下 1m×1m正 方形種植,防浪林樹(shù)冠成塔形,15年樹(shù)齡的樹(shù)徑約 20cm,主干 2m 左右才開(kāi)始長(zhǎng)枝葉。因此,試驗(yàn)中采 用的模

6、型樹(shù)樹(shù)干直徑為 2cm,間距 10cm,主干 20cm 左右開(kāi)始有柔性枝葉。 對(duì)五種堤前水位和六種波高的 波浪組合,試驗(yàn)組次編號(hào)如表 1。2 堤前水深及來(lái)波波高對(duì)爬高的影響圖 2和圖 3顯示,波浪在大堤上的爬高與堤前 水深和波浪高度有關(guān)。灘地?zé)o樹(shù)時(shí),堤前水深、波作者簡(jiǎn)介:黃本勝(1965-, 男, 廣西博白人, 教授級(jí)高級(jí)工程師.水利技術(shù)監(jiān)督 2005年第 3期 ·44·高越大,波浪爬高越高。波浪爬高與波高呈線性關(guān) 系,當(dāng)?shù)糖八钜欢〞r(shí),波浪的爬高與波高成正比 增長(zhǎng),水深越大斜率越大,爬高與波高增長(zhǎng)的速度 也越快;當(dāng)來(lái)波波高一定時(shí),爬高與堤前水深也呈 線性增長(zhǎng)。爬高超過(guò)堤頂

7、的時(shí)候就產(chǎn)生越浪。模型灘地水 深為 27cm(D組,遇到平均波高為 16cm、20cm 的 規(guī)則波時(shí)開(kāi)始發(fā)生越浪現(xiàn)象,但越浪量比較小,分別為 0.018m 3/m·s 和 0.0225m 3/m·s; 當(dāng)灘地水深為 30cm(E組,遇到平均波高為 16cm 和 20cm 規(guī)則波 以及有效波高為 12cm 的不規(guī)則波時(shí),越浪量分別達(dá) 0.191m3/m·s、0.204m 3/m·s 和 0.0045m 3/m·s。 由此也可見(jiàn),同一堤前水深,規(guī)則波的越浪量大于不規(guī)則波的越浪量。圖 1 波浪水槽及模型示意圖表 1 試驗(yàn)編號(hào)表種樹(shù)排列方式防浪林寬度(

8、m 灘地水深(cm 波高(cm編號(hào) 排列方式 編號(hào) 數(shù)值 編號(hào) 數(shù)值 編號(hào) 數(shù)值 M 梅花形布置 1 0.5 A 15 N4 4 H 矩形布置 2 1.0 B 19 N6 6 T 防浪林靠圍堤布置 3 1.5 C 23 N1212 W 灘地?zé)o防浪林4 2.0 D 27 N16 165 2.5 E 30N20 20F1212注:N4指規(guī)則波平均波高為 4cm,其余類(lèi)推;F12指不規(guī)則波的有效波高為12cm。圖 2波浪爬高與波高的關(guān)系 圖 3 波浪爬高與堤前水深關(guān)系由圖 2可見(jiàn), 波浪爬高與波高的關(guān)系可表示為: 0H kH C =+ (1 式中, H 為波浪爬高, 0H 為波高; k 、 C 為系

9、 數(shù),經(jīng)相關(guān)分析得:可見(jiàn),灘地沒(méi)有防浪林時(shí),大堤上的爬高會(huì)隨著堤前水深與來(lái)波波高的增大而增大。特別在洪水 期,河道水位上漲容易產(chǎn)生越浪,對(duì)大堤的安全影 響較大。3 防浪林對(duì)波浪爬高的影響3.1 剛性樹(shù)干對(duì)波浪爬高的影響在枯水期,河道中水位未淹沒(méi)防浪林的樹(shù)冠, 此時(shí)防浪林的樹(shù)干對(duì)波浪的消減起主要作用。試驗(yàn) 采用剛性樹(shù)干模擬防浪林樹(shù)干的消浪作用,并進(jìn)行 了不同種樹(shù)帶寬度的試驗(yàn)。剛性樹(shù)干試驗(yàn)中種樹(shù)帶寬度對(duì)波浪爬高的影 響如圖 4所示,圖中橫坐標(biāo)為種樹(shù)帶寬度 b ,縱坐植物護(hù)岸對(duì)大堤波浪爬高影響試驗(yàn)初探 2005年第 3期 ·45·標(biāo)為波浪相對(duì)爬高H H, 即種樹(shù)后與種樹(shù)前波浪爬

10、高的比值(H 為灘地?zé)o樹(shù)時(shí)波浪在大堤上的爬 高, H 為種樹(shù)后波浪在大堤上的爬高 。梅花形布置 矩形布置 圖 4 波浪爬高與種樹(shù)帶寬度關(guān)系圖 4表明,波浪爬高在剛性樹(shù)干群的影響下有 一定的降低,但影響相對(duì)較弱;種樹(shù)帶寬度對(duì)波浪 爬高的影響明顯,隨著種樹(shù)帶寬度的增大,波浪相 對(duì)爬高呈線性降低,可表示為:H k b c H=+ (5 式中, H 為灘地種樹(shù)后波浪爬高; b 種樹(shù)帶寬 度 (m ; k 和 c 為系數(shù), 回歸分析得在不同灘地水 深條件下, k 、 c 值見(jiàn)表 2。表 2 k' 、c' 值匯總表種樹(shù)方式 梅花形布置 矩形布置種樹(shù)類(lèi)型 h f (cmk' c

11、9; k' c'15 1.0269 剛性樹(shù)干 19 1.0611 23 0.8860 27 0.8375 帶柔性枝葉的模型樹(shù)30 0.8142由圖 4還可以看出:剛性樹(shù)干的矩形排列方式 對(duì)波高的削減作用比梅花形排列方式要好,但差別 不很明顯。主要由于影響消浪效果的主要因素是植 物覆蓋密度,而兩種布置方式下,樹(shù)干對(duì)灘地的覆 蓋密度相差不大,因此消浪效果也相似。根據(jù)試驗(yàn) 資料,模型種樹(shù)帶寬 2.5m 時(shí),灘地布滿剛性樹(shù)干能將波浪爬高降至灘地?zé)o樹(shù)時(shí)的 0.8倍左右。 3.2 帶柔性枝葉植物對(duì)波浪爬高的影響當(dāng)河道中的水位漲高,灘地水深增大時(shí),防浪 林主干淹沒(méi)在水中,此時(shí)防浪林樹(shù)冠起主要

12、消浪作 用。圖 5顯示,波浪爬高在帶有枝葉植物的影響下 降低明顯。由于波浪的大部分能量集中在靜水面上下一 倍的波高范圍,帶柔性枝葉植物在灘地水深即堤前 水位較高時(shí),波浪的主要部分經(jīng)過(guò)植物的冠層,因 此灘地水深及來(lái)波波高對(duì)波浪爬高有直接的影響。 同一種樹(shù)帶寬度,灘地水深越深,爬高降低程度越 大;但同一種樹(shù)帶寬度和灘地水深,不同來(lái)波波高 對(duì)相對(duì)爬高的影響較小。由圖 5也可以看出,帶有柔性枝葉植物與剛性 樹(shù)干相比樹(shù)冠對(duì)水面的覆蓋密度大,比剛性樹(shù)干的 消浪效果要好得多。模型種樹(shù)帶寬 0.5m 時(shí),即原 體種樹(shù) 5排、種樹(shù)帶寬 5m 時(shí),波浪的相對(duì)爬高降 到 0.7左右,比模型 2.5m 寬剛性樹(shù)干的消波效果 還要好;隨著種樹(shù)帶寬度的繼續(xù)增加,波浪的相對(duì) 爬高呈直線下降,當(dāng)模型種樹(shù)帶寬 2.5m,種樹(shù) 25排時(shí),波浪相對(duì)爬高可降至 0.20.3。水利技術(shù)監(jiān)督 2005年第 3期·46· 圖 5 波浪爬高與帶柔性枝葉植物帶寬度關(guān)系根據(jù)試驗(yàn)所得出的結(jié)果, 波浪的相對(duì)爬高與帶柔 性枝葉植物帶寬度的關(guān)系同樣可用式(5表示,相 關(guān)分析得出的不同水深組次的 k 和 c 值亦列入表 2。 4 結(jié) 論(1 灘地?zé)o樹(shù)時(shí),堤前水深、波高越大,波浪爬 高越高, 波浪爬高與波高、 灘地水深呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。 (2 灘地水深較淺時(shí),樹(shù)干起主要消浪作用, 試驗(yàn)表明,樹(shù)干的消