植物护岸对大堤波浪爬高影响试验初探

1、植物护岸对大堤波浪爬高影响试验初探 2005年第 3期·43·植 物 护 岸 对 大 堤 波 浪 爬 高 影 响 试 验 初 探黄本胜1,2吉红香1,2(1.广东省水利水电科学研究院;2.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东广州 510610摘 要:在堤外滩地上合理地种植适生植物能够起到保护岸滩、消减波浪的作用,是一种有效的生物护岸形式。本文通过不同滩地水深、不同波高和不同种树带宽度的组合试验分析表明:在滩堤上种植防浪树可以大 大消减波浪能量,降低波浪爬高以及波浪对大堤的冲击力,保护堤岸。关键词:植物护岸;波浪;爬高;试验中图分类号:TV139.2;TV131.6 文献标

2、识码:A 文章编号:1008-1305(200503-0043-04珠江三角洲台风暴潮灾害频繁,台风造成的大浪对大堤的冲击是大堤遭受破坏的最主要形式之 一;此外,三角洲水道四通八达,航运交通便利, 经常性的船行波尤其是高速双体船船行波对岸坡滩地的破坏作用很大4,5。在水流、波浪的共同作 用下,护坡内的土体通过缝隙被吸出,护岸材料上 浮、滑动而遭到破坏;特别在洪水期间,遭遇较大 波浪的情况下, 还会发生越浪, 当越浪量大的时候, 越顶的水体对抗冲蚀较弱的土质内坡破坏较大,并 会造成围内涝灾。因此,波浪爬高的确定在斜坡堤 设计中是一个关键的参数,直接影响到设计堤顶高 程,从而影响工程量的大小。实践

3、证明1,2, 在堤外滩地种植防浪林能有效 降低波浪的爬高,是一种有效的生物护岸形式。广 东省斗门县莲溪镇从 1982年开始,连续三年在堤 外滩连片种植水松 20.8km, 530行宽。 8908号台 风加暴潮袭击该县时,树高 79.8m,胸径 1013.5cm。该段土堤的高程 3.34.1m,仅有 3.65m 砌石堤,由于防浪林的消浪作用,整段围堤没有被 冲塌决堤,堤上的土方也没有冲坏。而相邻一段仅 1.2km 的大堤由于堤外没有滩涂,未能种上防浪林 护堤,虽然堤高已 3.5m,而且外加砌石防浪,也经 不住这次台风暴潮的袭击,堤段上冲塌决口 30处,决口长 2.3km,冲走土方 275m 3。

4、据观测,10行以 上的林带可以把堤外河槽 7级的大浪削减成 3级, 35行间距为 1m 左右的林带即可有效的防浪护堤。因 此, 研究植物护岸对大堤波浪爬高的影响具有很大的实际意义,而这方面的研究工作目前还不多 3,6,具 有较高的学术研究价值。1 模型试验概况试验是在设于广东省水利水电科学研究院内的 广东省水动力学应用研究重点实验室的波浪水槽中 进行的。 波浪水槽长 66m, 宽 1m, 高 1.6m。 在水槽的 一端放置模型,用玻璃墙将波浪水槽分成二元水路, 两侧均布置波高传感器, 一侧有防浪树、 一侧无防浪 树, 对比消浪的效果。 不规则造波机由控制室计算机 通过不规则造波系统软件控制推波

5、板的运动, 造出试 验中所需要的规则波与不规则波。为减小模型的缩尺效应, 尽量采用小比尺, 大模 型进行试验。 根据原体的波浪要素、 实验室的设备条 件以及珠江三角洲网河比较普遍的斜坡式堤, 确定以 几何比尺 10/1=r l 制作正态概化模型,模型滩宽 2.5m, 岸滩及堤坡均为 1:3, 堤高 0.5m (见图 1 。 模 型树分别采用刚性树干和带柔性枝叶植物两种, 根据 珠江三角洲堤外滩地种树的实际情况:防浪林主要采 用水松、落叶松等适生植物。一般情况下 1m×1m正 方形种植,防浪林树冠成塔形,15年树龄的树径约 20cm,主干 2m 左右才开始长枝叶。因此,试验中采 用的模

6、型树树干直径为 2cm,间距 10cm,主干 20cm 左右开始有柔性枝叶。 对五种堤前水位和六种波高的 波浪组合,试验组次编号如表 1。2 堤前水深及来波波高对爬高的影响图 2和图 3显示,波浪在大堤上的爬高与堤前 水深和波浪高度有关。滩地无树时,堤前水深、波作者简介:黄本胜(1965-, 男, 广西博白人, 教授级高级工程师.水利技术监督 2005年第 3期 ·44·高越大,波浪爬高越高。波浪爬高与波高呈线性关 系,当堤前水深一定时,波浪的爬高与波高成正比 增长,水深越大斜率越大,爬高与波高增长的速度 也越快;当来波波高一定时,爬高与堤前水深也呈 线性增长。爬高超过堤顶

7、的时候就产生越浪。模型滩地水 深为 27cm(D组,遇到平均波高为 16cm、20cm 的 规则波时开始发生越浪现象,但越浪量比较小,分别为 0.018m 3/m·s 和 0.0225m 3/m·s; 当滩地水深为 30cm(E组,遇到平均波高为 16cm 和 20cm 规则波 以及有效波高为 12cm 的不规则波时,越浪量分别达 0.191m3/m·s、0.204m 3/m·s 和 0.0045m 3/m·s。 由此也可见,同一堤前水深,规则波的越浪量大于不规则波的越浪量。图 1 波浪水槽及模型示意图表 1 试验编号表种树排列方式防浪林宽度(

8、m 滩地水深(cm 波高(cm编号 排列方式 编号 数值 编号 数值 编号 数值 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 防浪林靠围堤布置 3 1.5 C 23 N1212 W 滩地无防浪林4 2.0 D 27 N16 165 2.5 E 30N20 20F1212注:N4指规则波平均波高为 4cm,其余类推;F12指不规则波的有效波高为12cm。图 2波浪爬高与波高的关系 图 3 波浪爬高与堤前水深关系由图 2可见, 波浪爬高与波高的关系可表示为: 0H kH C =+ (1 式中, H 为波浪爬高, 0H 为波高; k 、 C 为系

9、 数,经相关分析得:可见,滩地没有防浪林时,大堤上的爬高会随着堤前水深与来波波高的增大而增大。特别在洪水 期,河道水位上涨容易产生越浪,对大堤的安全影 响较大。3 防浪林对波浪爬高的影响3.1 刚性树干对波浪爬高的影响在枯水期,河道中水位未淹没防浪林的树冠, 此时防浪林的树干对波浪的消减起主要作用。试验 采用刚性树干模拟防浪林树干的消浪作用,并进行 了不同种树带宽度的试验。刚性树干试验中种树带宽度对波浪爬高的影 响如图 4所示,图中横坐标为种树带宽度 b ,纵坐植物护岸对大堤波浪爬高影响试验初探 2005年第 3期 ·45·标为波浪相对爬高H H, 即种树后与种树前波浪爬

10、高的比值(H 为滩地无树时波浪在大堤上的爬 高, H 为种树后波浪在大堤上的爬高 。梅花形布置 矩形布置 图 4 波浪爬高与种树带宽度关系图 4表明,波浪爬高在刚性树干群的影响下有 一定的降低,但影响相对较弱;种树带宽度对波浪 爬高的影响明显,随着种树带宽度的增大,波浪相 对爬高呈线性降低,可表示为:H k b c H=+ (5 式中, H 为滩地种树后波浪爬高; b 种树带宽 度 (m ; k 和 c 为系数, 回归分析得在不同滩地水 深条件下, k 、 c 值见表 2。表 2 k' 、c' 值汇总表种树方式 梅花形布置 矩形布置种树类型 h f (cmk' c

11、9; k' c'15 1.0269 刚性树干 19 1.0611 23 0.8860 27 0.8375 带柔性枝叶的模型树30 0.8142由图 4还可以看出:刚性树干的矩形排列方式 对波高的削减作用比梅花形排列方式要好,但差别 不很明显。主要由于影响消浪效果的主要因素是植 物覆盖密度,而两种布置方式下,树干对滩地的覆 盖密度相差不大,因此消浪效果也相似。根据试验 资料,模型种树带宽 2.5m 时,滩地布满刚性树干能将波浪爬高降至滩地无树时的 0.8倍左右。 3.2 带柔性枝叶植物对波浪爬高的影响当河道中的水位涨高,滩地水深增大时,防浪 林主干淹没在水中,此时防浪林树冠起主要

12、消浪作 用。图 5显示,波浪爬高在带有枝叶植物的影响下 降低明显。由于波浪的大部分能量集中在静水面上下一 倍的波高范围,带柔性枝叶植物在滩地水深即堤前 水位较高时,波浪的主要部分经过植物的冠层,因 此滩地水深及来波波高对波浪爬高有直接的影响。 同一种树带宽度,滩地水深越深,爬高降低程度越 大;但同一种树带宽度和滩地水深,不同来波波高 对相对爬高的影响较小。由图 5也可以看出,带有柔性枝叶植物与刚性 树干相比树冠对水面的覆盖密度大,比刚性树干的 消浪效果要好得多。模型种树带宽 0.5m 时,即原 体种树 5排、种树带宽 5m 时,波浪的相对爬高降 到 0.7左右,比模型 2.5m 宽刚性树干的消波效果 还要好;随着种树带宽度的继续增加,波浪的相对 爬高呈直线下降,当模型种树带宽 2.5m,种树 25排时,波浪相对爬高可降至 0.20.3。水利技术监督 2005年第 3期·46· 图 5 波浪爬高与带柔性枝叶植物带宽度关系根据试验所得出的结果, 波浪的相对爬高与带柔 性枝叶植物带宽度的关系同样可用式(5表示,相 关分析得出的不同水深组次的 k 和 c 值亦列入表 2。 4 结 论(1 滩地无树时,堤前水深、波高越大,波浪爬 高越高, 波浪爬高与波高、 滩地水深呈线性增长关系。 (2 滩地水深较浅时,树干起主要消浪作用, 试验表明,树干的消