田雨普 劉娟 潘明強

摘要：在堤防工程設計中，應根據規(guī)范要求設置必要的超高，以抵御洪水波浪的沖擊。堤防臨水側的防浪林可削弱波浪的沖擊破壞，進而降低堤防設計超高，減少工程造價。以國內某河道堤防超高設計為例，借用海堤設計規(guī)范中的喬木消波計算公式，采用國內成熟的灌木消波計算公式，尋找最佳的防浪林林相結構，實現以最小的防浪林寬度取得最優(yōu)的消波效果。同時提出了不同水位下堤防對削減波浪能量的不同要求，以及防浪林寬度和林相結構相結合的設計方法。國內多年實踐表明，防浪林能夠有效削減波浪爬高，削弱波浪對堤防的破壞，有效降低堤防超高。

關鍵詞：堤防；超高；防浪林；寬度；林相結構

中圖分類號：TV871 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.007

堤防防浪工程是指為了減少波浪對江河堤防的沖擊破壞、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護措施，一般分為生物措施（如草皮、蘆葦、防浪林）和工程措施（如塊石、混凝土板護坡、防浪墻、防波堤等）兩類。

防浪林是種植于堤防臨水側灘地、用于防浪護堤和搶險取材的專用林，是堤防的重要組成部分和抵御洪水的一道有效防線，也是沿河地區(qū)的綠色生態(tài)屏障。在我國，防浪林的種植已有近千年的歷史。據《荊江大堤志》記載：“清定例，大堤離腳五十丈以內不準人民耕種，興工（歲修）之時，亦復在五十丈以外取土，限制極嚴。一則恐礙堤腳致有崩銼之患，一則留有余地以便栽種蘆葦楊柳，藉以擋護?！?998年，長江流域發(fā)生了百年罕見的特大洪災，洞庭湖的洪水幾乎要漫過大堤，當時抗洪軍民把防浪林繁密的枝條砍下，沉人水中，緩解了洪水對大堤的猛烈沖擊，保護了大堤的安全。

防浪林的消浪作用與防浪林帶的寬度、林相結構（喬木、灌木組合方式）密切相關。本文以國內某河道堤防超高設計為例，結合防浪林消波計算，提出一種防浪林寬度和林相結構相結合的設計方法。1無防浪林條件下的堤防超高計算

《堤防工程設計規(guī)范》（GB 50286-2013）（以下簡稱“規(guī)范”）要求，設計堤頂高程為設計洪水位加超高。超高為波浪爬高、風壅增高及安全加高三者之和，按下式計算：

Y=R+e+A（1）式中：Y為堤頂超高，m；R為設計波浪爬高，m；e為設計風壅增水高度，m；A為安全加高，m。

1.1 設計波浪爬高

（1）設計波浪爬高按下式計算：式中：R，為累計頻率為尸的波浪爬高，m，對不允許越浪的堤防，爬高累計頻率宜取2%；KΔ為斜坡的糙率及滲透性系數，草皮護坡取0.90；K，為經驗系數，可根據風速V（m/s）、堤前水深d（m）、重力加速度g（m/s2）組成的無維量

確定，KV取1.25～1.28；KP為爬高累計頻率換算系數，對不允許越浪的堤防，爬高累計頻率宜取2%，KP取2.07；m為斜坡坡率，m=ctgα=3.0，α為斜坡坡角；H為堤前波浪的計算平均波高，m；L為堤前波浪的計算波長，m。

（2）計算波浪要素H和L，采用“規(guī)范”推薦的莆田試驗站公式：式中：T為計算平均波周期，s；V為計算風速，取歷年汛期最大風速平均值20m/s的1.5倍，即30m/s；F為風區(qū)長度，F=2000～9000m；d為水域的平均水深，取d=4～7m。

波浪爬高計算結果見表1。

1.2 風壅增水高度及安全加高

依據有關規(guī)范要求，設計風壅增水高度e可按下式計算：式中：e為計算點的風壅增水高度，m；K為綜合摩阻系數，可取K=3.6×10-6；β為風向與垂直于堤軸線的法線的夾角，（°）。

經計算，風壅增水高度為0.16～0.20m，數值較小，為方便討論，忽略不計。

計算堤段為1級堤防土堤，不允許越浪，安全加高取1.0m。各堤段應采用的超高見表2。

由表2可以看出，在沒有采取消浪措施的情況下，應采用的堤防超高在3.87～4.83m之間。超高過大將大幅增加工程量，需采取有效措施，降低波浪爬高。

2 防浪林消波設計

根據《海堤工程設計規(guī)范》（SL 435-2008），對于堤前植防浪林的波浪爬高，應先確定防浪林消波后的堤腳前波高，再計算波浪爬高值。

2.1 喬木消波計算公式

根據海堤設計規(guī)范，經喬木林消波后的堤腳前波高可按下式計算：

Hf=（1-J）H（5）

其中式中：Hf為經林帶消波后的波高，m；H為林帶消波前的波高，m；J為防浪林消波系數；α1為林木枝葉遮蔽系數，0≤α≤1.00；α2為林木主干遮蔽系數，0.0006≤α2≤0.0091；R0為林木主干的平均半徑，m；R為林木整體（包括主干和枝葉）的平均半徑，m；w為林木成等邊三角形交錯排列的株距，m；B為林帶寬度，m；L為波長，m。

2.2 灌木消波計算公式

河海大學傅宗甫對低水狀態(tài)下水中灌木（柔性植物）的消浪能力進行了深入研究，得到波高傳遞率Jt與柔性植物栽植寬度B和水深d之比的關系式，進而得到柔性植物的消波系數J：

J=1-Jt（6）式中：Jt為波高傳遞率，Jt=0.9748B/d×100%。

2.3 消波計算結果分析[1]

根據該河道實際情況，防浪林由高柳和叢柳組成。初步方案防浪林寬度取50m，其中：高柳24m，叢柳26m：高柳株距2m，叢柳株距1m。

根據上述林相結構數據，計算得出消波后的有關數據，見表3。

將消波后的波高Hf代入波浪爬高公式，得出消波后的波浪爬高，見表4。

由表4可看出，經防浪林消波后，各堤段波浪爬高削減幅度在1.61～1.99m之間。根據該河段實際情況，還可以通過調整高柳和叢柳的寬度組合，即調整防浪林的林相結構，進一步削減波浪爬高，達到降低堤防超高的目的。

3 林相結構對防浪林消波效果的影響

設計河段防浪林帶由高柳、叢柳組成。高柳主要削減設防流量下的波浪沖擊和爬高，叢柳則削減漫灘低水位的波浪能量。二者相輔相成，分別削減不同水位下的波浪能量[2]。

為提高設防流量下防浪林的消波能力，一應增加防浪林帶的寬度；二應在防浪林寬度不變或減小的情況下，調整林相結構，即增加高柳種植寬度、減小叢柳種植寬度。為減少土地占壓面積，在保持高柳株距2m、叢柳株距1m不變的情況下，通過計算，得出多個不同防浪林寬度配合不同林相結構的消浪效果，從中選取較優(yōu)方案。

現列出以下4個方案以供比較。

方案一：防浪林寬度50m，其中高柳寬24m、叢柳寬26m。

方案二：防浪林寬度40m，其中高柳寬20m、叢柳寬20m。

方案三：防浪林寬度35m，其中高柳寬24m、叢柳寬11m。

方案四：防浪林寬度30m，其中高柳寬20m、叢柳寬10m。

方案一的計算結果已在表4中列出，不再重復；方案二至方案四的計算結果見表5至表7。

通過方案一至方案四的不同防浪林帶寬度和不同的林相結構比較，可以得出以下結論。

（1）設防流量下防浪林的消波功能主要由高柳承擔，叢柳主要削減漫灘低水位的波浪能量。

（2）防浪林帶越寬，消波能力越強。

（3）通過增加高柳的種植寬度，可有效削減波浪爬高。如方案三比方案二雖然總寬度減少5m，但高柳寬度增加了4m，其設計條件下的消波能力優(yōu)于方案二的，但方案三漫灘低水位下的消波能力劣于方案二的。

（4）通過試算不同防浪林寬度和林相結構的消波能力，可找出較優(yōu)的防浪林設計方案。但要兼顧不同水位下堤防對消減波浪能量的要求，不能片面追求設防條件下的防浪林消波能力而忽略了堤防的整體功能。

4 結語

目前國內海堤大多采用較為成熟的工程消浪措施，如消浪平臺、反弧形斷面、消力齒（墩）、灌砌外凸塊石和預制混凝土異型塊體等，但大江大河仍習慣采用生物措施，如植樹、種草來抵御波浪沖擊。防浪林的作用突出表現在以下幾方面：一是能夠有效消減波浪爬高，削弱波浪對堤防的破壞，減輕堤防防汛壓力，有效降低堤防超高；二是能夠有效消耗水流能量，減緩順堤行洪的流速，減輕水流對堤防的沖擊破壞；三是能夠有效地緩流落淤、加快沿堤低洼地帶的淤積抬高，塑造高灘、低槽的有利河道形態(tài)；四是能夠為河道防汛提供較好的搶險料物，同時也是沿河地區(qū)的綠色生態(tài)屏障。

參考文獻：

[1]張茂章，宋正明.不同林相結構防浪林的消波性能計算[J].水利水電科技進展，2013，33（6），40-43.

[2]吉紅香，黃本勝，邱秀云.植物消波消浪研究綜述[J].水利水運工程學報，2005，3（1）：75-78.