弯曲河流生态护岸初探

2022-10-01卓家军顾丹平

工程与建设 2022年4期

卓家军，顾丹平

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011； 2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司南京分公司，江苏南京 210036)

0 引言

由于河流弯道岸坡易崩塌，通常采用护岸结构进行防护。而以往护岸多采用传统硬质护岸，且整个河段都采用一种结构形式，不仅造成了浪费，还破坏了河道岸坡的生态环境。弯道岸坡防护不仅要采用生态护岸形式，而且需要分段进行防护，不同河段采用不同强度结构护岸，既满足了护岸的安全稳定性，又增强了其生态性。

目前生态护岸技术已经运用到护岸工程中，取得了良好的效果。京杭运河扬州段[1]不同地方分别采用受限航道生态护岸结构组合形式、生态鱼巢护岸结构、芦苇护坡设计，与周围环境相协调；连云港港疏港航道护岸结构[2]是根据水位变化采用分层防护方式，在滩地上种植水生植物，滩地前沿设置永久建筑物，滩地后方采用生态防护结构对岸坡进行防护；湖嘉申线湖州段航道[3]首次尝试了预制混凝土沉箱护岸断面形式和椰丝毯护坡技术，既满足了通航功能，又为水生动植物生长繁衍提供良好条件。这些工程大多考虑根据水位变化来分层防护，而在纵向上不同河段护岸形式缺乏变化，未能与各段水动力条件相适应。对于弯曲河道，不同区段水动力条件差异明显，岸坡受冲刷强度也大不相同，因此有必要探讨弯道各段的护岸结构选型。

本文从弯曲河流动力与形态特征出发，探讨了其生态护岸需要注重的要点，将弯道岸坡进行分段，推荐适宜各段的生态护岸结构型式，以期为弯道生态护岸工程作参考。

1 弯曲河流水动力分析

弯道水流在离心力的作用下水流射向凹岸，凹岸一侧的水位抬高，形成水面横比降，导致出现弯道横向环流，与纵向水流一起构成了弯道水流所特有的螺旋流。在螺旋流的作用下凹岸不断坍塌后退，凸岸边滩不断淤长延伸，形成了弯道蠕动现象。弯道水流动力轴线有“枯水走弯，洪水走直”，顶冲点有“枯水上提，洪水下挫”的变动现象，顶冲点附近河段受离心力作用，凹岸水位雍高，凹凸岸产生横比降[4]。根据水动力轴线摆动情况确定弯道进、出口点和洪、枯水顶冲点，将弯道岸坡划分为四个区段，如图1所示。

图1 弯道岸坡分段示意图

1.1 弯道进口段

弯道进口点至枯水顶冲点之间河段。本河段水动力轴线由凸岸逐渐向凹岸偏转，通常凸岸水面纵比降大于凹岸，水面开始产生横比降并逐渐增大，导致断面横向环流开始出现，与纵向水流一起构成螺旋流。凹岸水位逐渐雍高，水深增加而流速较小，但凹岸水流有可能发生分离现象，出现漩涡以致流况紊乱；凸岸河道较浅，流速相对较大。

1.2 顶冲变异段

枯水顶冲点与洪水顶冲点之间河段。该段水动力轴线贴近凹岸，横比降最大，横向环流作用最强，并伴随有次生流产生，本段易产生波浪，水位变化较大。在横向环流作用下，表层含沙量较小的水流不断流向凹岸并转入河底，而底层含沙量较多的水流不断流向凸岸并升至边滩，形成横向输沙不平衡，再加上纵向水流对凹岸的冲刷，使凹岸坡崩坍成为沙源，泥沙被底部横向水流带向凸岸。

1.3 弯道出口段

洪水顶冲点至弯道出口点之间河段。本河段水流动力轴线靠近凹岸，一般凹岸水面纵比降大于凸岸，而两岸水面横比降逐渐减小，横向环流逐渐消失。凹岸受顶冲变异段影响，本段水位较高，所以沿程势能转化为动能，流速大，为高水位高流速区；凸岸为低水位低流速区，但可能产生水流分离现象。

1.4 弯道过渡段

弯道出口点至下一弯道进口点之间顺直河段。该河段水动力轴线左右弯曲，不存在水面横比降，河床深泓线呈波浪状起伏。河床断面往往存在深槽浅滩格局，滩槽水深相差不大，深槽浅滩冲淤交替，边滩和深槽同步顺流下移，河床周期性展宽和缩窄。该段主流摆动频繁，流路复杂，流态紊乱，通常是碍航河段。

2 弯道分段护岸结构型式

目前弯道整治及护岸形式一般是丁坝、顺坝等坝体结构，且大都是抛石坝体，这种结构形式透水，且能创造不同的水流形态，具有生态性。但抛石坝容易损毁，因此有必要探讨其他生态型护岸形式。

2.1 弯道进口段护岸结构

这一河段岸坡较缓，岸线基本稳定，总体上侵蚀动力不强，但要防止岸坡失稳进而导致弯道的持续恶化。因此，在选择护岸结构形式时，在确保岸坡稳定的同时，要着重强调其生态景观性。河流凹岸靠近枯水顶冲点附近处要加强防护外，两岸其他岸坡可选用较低强度的材料来进行防护。本河段护岸主体结构可采用干砌块石、土工网垫、雷诺护垫、加筋生态袋、多孔质护坡砖等形式。该类护岸主要为半自然型护岸[5]，结构强度适中，有良好生态性。与植物护岸共同使用，结构固定土壤，为植物生长提供基础，等到植物长大以后，在深根锚固、浅根加筋的共同作用下，增大岸坡土壤的黏聚力，不仅可以稳固岸坡，还可以形成亮丽的河岸风景线，具有很好的生态景观功能。

2.2 顶冲变异段护岸结构

顶冲变异段凹岸是最容易冲刷失稳的河段，是保证岸坡安全稳定的重点防护区段。导致凹岸岸坡破坏的水流因素主要有：①主流以一定夹角冲击岸线，岸坡受到冲刷；②环流、次生流冲刷坡脚，导致岸坡变陡失稳；③弯道曲率大、水流急时，本段易产生波浪，岸坡易受淘刷。凸岸要防止洪水切滩，使得水流紊乱进而影响岸坡的稳定性。由于凹岸经常受冲，岸坡较陡，可选择直立式高强度护岸结构，如透水性的预制混凝土沉箱式护岸、混凝土劈离块护岸、桩板式挡墙护岸、格宾石笼挡土墙护岸、块石挡土墙护岸、土工格室挡土墙护岸等；挡土墙后一般需要设土工布反滤层，必要时还应设置垫层，以保证挡土墙后土体的抗侵蚀稳定性。该类挡土墙护岸的共同特点是结构强度大，耐冲刷，且具有透水性，不阻隔地下水与地表水交换，同时也可在结构空隙处覆土植草，稳固岸坡；不过护岸主要为人工型结构[9]，施工不便，造价昂贵。凸岸主要受洪水影响较大，可采用传统结构固滩，较低强度结构护岸。顶冲变异段的防护结构应该优先考虑护岸的安全稳定，也需要兼顾生态功能。

2.3 弯道出口段护岸结构

本段主要受流速影响，凹岸护岸结构以抵抗高速水流冲刷为主，兼顾生态功能；凸岸无须高强度护岸结构，可适当重点考虑护岸的生态景观功能。该段凹岸为高水位高流速区，易受水流冲刷，经常出现崩岸现象，为防护的重点区域。该段较顶冲变异段岸坡较缓，可以采用斜坡式高强度护岸结构，如预制连锁块铺面形式护岸、铰接空心混凝土块护岸、生态型混凝土护岸、石笼护岸、生态袋等结构形式。该类护岸结构具有较高强度，耐高速水流侵蚀，并可以与植物较好地结合，达到良好的护岸效果。护岸类型为半自然型和人工型，造价较高。凸岸侵蚀状况较少，主要以植物护岸为主，结构护岸为辅，如三维网垫喷播植草等。

2.4 弯道过渡段护岸结构

该段水流较缓，两岸岸坡较为稳定，但要防止主流摆动对两岸的冲刷坍塌。本河段凹岸、凸岸可采用低强度的护岸结构形式，在满足岸坡稳定的同时，应重点考虑其生态性、亲水性、景观性。主要采用植物护岸形式，主要有植物纤维垫护岸(椰壳纤维、黄麻、木棉、芦苇、稻草等天然植物纤维)、植物梢料(梢料排、梢料层、梢料捆)、圆木等。这种护岸结构不仅可以起到护岸效果，而且在其腐烂后能促进腐殖质的形成，可增强土壤肥力，促进草籽发芽生长，最终与土壤共同形成抗冲结构体，营造出多样性的栖息地环境，增强自然美观效果。

以上各段推荐的护岸结构形式可作为岸坡主要的防护措施。但本文护岸结构选型只考虑纵向上水流运动的影响，并未涉及竖向上水位变化对岸坡的破坏作用。实际上，不同水位条件下，河岸横断面各个区域所受水流动力差异较大，还应对河岸进行横向分区，采用组合护岸结构，以满足护岸的稳定性和生态性。已有文献[6-7]根据航运枢纽库区各特征水位将护岸边坡划分为护底区、重防护区、亲水区和景观区，推荐了各区相应的护岸结构形式，并筛选适合不同防护区域的护坡植物种类和配置模式。因此，综合考虑河岸在纵、竖两个方向上所受水流作用力，因地制宜地选用不同的护岸结构组合，既可以防护岸坡以免受到侵蚀，又可以达到生态效果，构成滨岸风景线。