堤防防浪林宽度设计方法探讨

田雨普 刘娟 潘明强

摘要：在堤防工程设计中，应根据规范要求设置必要的超高，以抵御洪水波浪的冲击。堤防临水侧的防浪林可削弱波浪的冲击破坏，进而降低堤防设计超高，减少工程造价。以国内某河道堤防超高设计为例，借用海堤设计规范中的乔木消波计算公式，采用国内成熟的灌木消波计算公式，寻找最佳的防浪林林相结构，实现以最小的防浪林宽度取得最优的消波效果。同时提出了不同水位下堤防对削减波浪能量的不同要求，以及防浪林宽度和林相结构相结合的设计方法。国内多年实践表明，防浪林能够有效削减波浪爬高，削弱波浪对堤防的破坏，有效降低堤防超高。

关键词：堤防；超高；防浪林；宽度；林相结构

中图分类号：TV871 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.007

堤防防浪工程是指为了减少波浪对江河堤防的冲击破坏、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护措施，一般分为生物措施（如草皮、芦苇、防浪林）和工程措施（如块石、混凝土板护坡、防浪墙、防波堤等）两类。

防浪林是种植于堤防临水侧滩地、用于防浪护堤和抢险取材的专用林，是堤防的重要组成部分和抵御洪水的一道有效防线，也是沿河地区的绿色生态屏障。在我国，防浪林的种植已有近千年的历史。据《荆江大堤志》记载：“清定例，大堤离脚五十丈以内不准人民耕种，兴工（岁修）之时，亦复在五十丈以外取土，限制极严。一则恐碍堤脚致有崩锉之患，一则留有余地以便栽种芦苇杨柳，藉以挡护。”1998年，长江流域发生了百年罕见的特大洪灾，洞庭湖的洪水几乎要漫过大堤，当时抗洪军民把防浪林繁密的枝条砍下，沉人水中，缓解了洪水对大堤的猛烈冲击，保护了大堤的安全。

防浪林的消浪作用与防浪林带的宽度、林相結构（乔木、灌木组合方式）密切相关。本文以国内某河道堤防超高设计为例，结合防浪林消波计算，提出一种防浪林宽度和林相结构相结合的设计方法。1无防浪林条件下的堤防超高计算

《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）（以下简称“规范”）要求，设计堤顶高程为设计洪水位加超高。超高为波浪爬高、风壅增高及安全加高三者之和，按下式计算：

Y=R+e+A（1）式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，m。

1.1 设计波浪爬高

（1）设计波浪爬高按下式计算：式中：R，为累计频率为尸的波浪爬高，m，对不允许越浪的堤防，爬高累计频率宜取2%；KΔ为斜坡的糙率及渗透性系数，草皮护坡取0.90；K，为经验系数，可根据风速V（m/s）、堤前水深d（m）、重力加速度g（m/s2）组成的无维量

确定，KV取1.25～1.28；KP为爬高累计频率换算系数，对不允许越浪的堤防，爬高累计频率宜取2%，KP取2.07；m为斜坡坡率，m=ctgα=3.0，α为斜坡坡角；H为堤前波浪的计算平均波高，m；L为堤前波浪的计算波长，m。

（2）计算波浪要素H和L，采用“规范”推荐的莆田试验站公式：式中：T为计算平均波周期，s；V为计算风速，取历年汛期最大风速平均值20m/s的1.5倍，即30m/s；F为风区长度，F=2000～9000m；d为水域的平均水深，取d=4～7m。

波浪爬高计算结果见表1。

1.2 风壅增水高度及安全加高

依据有关规范要求，设计风壅增水高度e可按下式计算：式中：e为计算点的风壅增水高度，m；K为综合摩阻系数，可取K=3.6×10-6；β为风向与垂直于堤轴线的法线的夹角，（°）。

经计算，风壅增水高度为0.16～0.20m，数值较小，为方便讨论，忽略不计。

计算堤段为1级堤防土堤，不允许越浪，安全加高取1.0m。各堤段应采用的超高见表2。

由表2可以看出，在没有采取消浪措施的情况下，应采用的堤防超高在3.87～4.83m之间。超高过大将大幅增加工程量，需采取有效措施，降低波浪爬高。

2 防浪林消波设计

根据《海堤工程设计规范》（SL 435-2008），对于堤前植防浪林的波浪爬高，应先确定防浪林消波后的堤脚前波高，再计算波浪爬高值。

2.1 乔木消波计算公式

根据海堤设计规范，经乔木林消波后的堤脚前波高可按下式计算：

Hf=（1-J）H（5）

其中式中：Hf为经林带消波后的波高，m；H为林带消波前的波高，m；J为防浪林消波系数；α1为林木枝叶遮蔽系数，0≤α≤1.00；α2为林木主干遮蔽系数，0.0006≤α2≤0.0091；R0为林木主干的平均半径，m；R为林木整体（包括主干和枝叶）的平均半径，m；w为林木成等边三角形交错排列的株距，m；B为林带宽度，m；L为波长，m。

2.2 灌木消波计算公式

河海大学傅宗甫对低水状态下水中灌木（柔性植物）的消浪能力进行了深入研究，得到波高传递率Jt与柔性植物栽植宽度B和水深d之比的关系式，进而得到柔性植物的消波系数J：

J=1-Jt（6）式中：Jt为波高传递率，Jt=0.9748B/d×100%。

2.3 消波计算结果分析[1]

根据该河道实际情况，防浪林由高柳和丛柳组成。初步方案防浪林宽度取50m，其中：高柳24m，丛柳26m：高柳株距2m，丛柳株距1m。

根据上述林相结构数据，计算得出消波后的有关数据，见表3。

将消波后的波高Hf代入波浪爬高公式，得出消波后的波浪爬高，见表4。

由表4可看出，经防浪林消波后，各堤段波浪爬高削减幅度在1.61～1.99m之间。根据该河段实际情况，还可以通过调整高柳和丛柳的宽度组合，即调整防浪林的林相结构，进一步削减波浪爬高，达到降低堤防超高的目的。

3 林相结构对防浪林消波效果的影响

设计河段防浪林带由高柳、丛柳组成。高柳主要削减设防流量下的波浪冲击和爬高，丛柳则削减漫滩低水位的波浪能量。二者相辅相成，分别削减不同水位下的波浪能量[2]。

为提高设防流量下防浪林的消波能力，一应增加防浪林带的宽度；二应在防浪林宽度不变或减小的情况下，调整林相结构，即增加高柳种植宽度、减小丛柳种植宽度。为减少土地占压面积，在保持高柳株距2m、丛柳株距1m不变的情况下，通过计算，得出多个不同防浪林宽度配合不同林相结构的消浪效果，从中选取较优方案。

现列出以下4个方案以供比较。

方案一：防浪林宽度50m，其中高柳宽24m、丛柳宽26m。

方案二：防浪林宽度40m，其中高柳宽20m、丛柳宽20m。

方案三：防浪林寬度35m，其中高柳宽24m、丛柳宽11m。

方案四：防浪林宽度30m，其中高柳宽20m、丛柳宽10m。

方案一的计算结果已在表4中列出，不再重复；方案二至方案四的计算结果见表5至表7。

通过方案一至方案四的不同防浪林带宽度和不同的林相结构比较，可以得出以下结论。

（1）设防流量下防浪林的消波功能主要由高柳承担，丛柳主要削减漫滩低水位的波浪能量。

（2）防浪林带越宽，消波能力越强。

（3）通过增加高柳的种植宽度，可有效削减波浪爬高。如方案三比方案二虽然总宽度减少5m，但高柳宽度增加了4m，其设计条件下的消波能力优于方案二的，但方案三漫滩低水位下的消波能力劣于方案二的。

（4）通过试算不同防浪林宽度和林相结构的消波能力，可找出较优的防浪林设计方案。但要兼顾不同水位下堤防对消减波浪能量的要求，不能片面追求设防条件下的防浪林消波能力而忽略了堤防的整体功能。

4 结语

目前国内海堤大多采用较为成熟的工程消浪措施，如消浪平台、反弧形断面、消力齿（墩）、灌砌外凸块石和预制混凝土异型块体等，但大江大河仍习惯采用生物措施，如植树、种草来抵御波浪冲击。防浪林的作用突出表现在以下几方面：一是能够有效消减波浪爬高，削弱波浪对堤防的破坏，减轻堤防防汛压力，有效降低堤防超高；二是能够有效消耗水流能量，减缓顺堤行洪的流速，减轻水流对堤防的冲击破坏；三是能够有效地缓流落淤、加快沿堤低洼地带的淤积抬高，塑造高滩、低槽的有利河道形态；四是能够为河道防汛提供较好的抢险料物，同时也是沿河地区的绿色生态屏障。

参考文献：

[1]张茂章，宋正明.不同林相结构防浪林的消波性能计算[J].水利水电科技进展，2013，33（6），40-43.

[2]吉红香，黄本胜，邱秀云.植物消波消浪研究综述[J].水利水运工程学报，2005，3（1）：75-78.