基于生態(tài)的宿連航道直立式護(hù)岸開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

林昱昕，劉亞斌，劉佰文，郝建新，徐宿東

（1.江蘇省交通運(yùn)輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210004；2.宿遷市港航事業(yè)發(fā)展中心，安徽 宿遷 223834；3.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 211189）

建設(shè)資源節(jié)約環(huán)境友好型的生態(tài)航道，有利于水資源的綜合利用、降低能源資源消耗。宿連航道作為人工開挖的航道需要滿足通航航道的航道凈寬等要求，開挖的航道斷面寬度有限，無法滿足在航道斷面內(nèi)鋪置人工開孔結(jié)構(gòu)的要求。本研究提出多種直立護(hù)岸開孔結(jié)構(gòu)生態(tài)友好型式方案，為其他航道護(hù)岸的設(shè)計(jì)及建設(shè)應(yīng)用提供科學(xué)建議及參考。

1 工程概況

宿連航道主要位于江蘇省北部地區(qū)，西起宿遷宿豫區(qū)，東至連云港鹽河，是連接江蘇省“一縱”（京杭運(yùn)河）和“二縱”（連申線）的一條東西向內(nèi)河水路通道。一期工程為沭陽至宿遷中心城區(qū)千噸級(jí)船舶可以直接通達(dá)，500 噸級(jí)及以下船舶也可以直達(dá)連云港港口，航道路線全長58.5km。

本工程特征水位選取按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）最高通航水位取20年一遇設(shè)計(jì)洪水位。確定航道沿線特征水位如表1 所示。本設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于最高通航水位16.81m，最低通航水位15.51m 工程段。

表1 直立式護(hù)岸預(yù)制開孔結(jié)構(gòu)開孔設(shè)計(jì)方案

2 航道水域生態(tài)本底情況

對(duì)宿連航道與京杭大運(yùn)河交界處的生態(tài)本底調(diào)查主要包括：浮游植物、底棲動(dòng)物、漁業(yè)資源等。

浮游植物主要種類共計(jì)37 種，浮游植物作為水域中生命有機(jī)體的最原始生產(chǎn)者，其組成與多樣性的變化將直接影響到江湖生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。

底棲動(dòng)物密度為113.33 ind./m2，共3 門7 種。其中軟體動(dòng)物門中國銅銹環(huán)棱螺優(yōu)勢度最高，優(yōu)勢度高達(dá)0.65，其余種類的優(yōu)勢度均為0.06。

魚類資源共采集魚類8 種，以小型魚類為主，其中刀鱭數(shù)量最多。

3 直立式護(hù)岸開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)在進(jìn)行宿連航道工程區(qū)域現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境和物種調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析區(qū)域內(nèi)不同生物特點(diǎn)和水流條件，提出多種開孔直立護(hù)岸結(jié)構(gòu)生態(tài)友好型式方案。方案對(duì)孔尺寸與位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)造多水文形態(tài)的開孔結(jié)構(gòu)。

根據(jù)生態(tài)本底調(diào)查的結(jié)果：淡水魚分布水層一般分為上中底層，一般距離水面約0.6m 的區(qū)域稱為上水層，水面以下0.5m 處至水底0.2m 的區(qū)域稱為中水層，通常距離水底0.3m 的區(qū)域稱為底層，不同種魚類因?yàn)樯锾匦缘脑?，一般生活在不同的水層。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)開孔位置時(shí)根據(jù)不同水層的生物分布特征（浮游植物、兩棲動(dòng)物、魚類），設(shè)計(jì)開孔位置以最低通航水位為設(shè)計(jì)參照位置，分別將開孔設(shè)置在護(hù)岸底部、中部與護(hù)岸上部（開孔頂部與最低通航水位持平）?？紤]到開孔位置不同情況下護(hù)岸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，開孔位置選擇在護(hù)岸中部與頂部時(shí)將開孔尺寸設(shè)置較大，在護(hù)岸底部時(shí)設(shè)計(jì)較小尺寸開孔。

3.2 開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.2.1 設(shè)計(jì)方案一

采用護(hù)岸底部設(shè)計(jì)方案，開孔孔口底部距離航道設(shè)計(jì)斷面近岸底部0.55m，開孔孔徑直徑設(shè)計(jì)為0.5m，開孔內(nèi)部空間底部距離開孔孔底部孔檻0.3m。根據(jù)預(yù)制箱型裝配式結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)，開孔的布置方式為間隔布置，見圖1、圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)方案一結(jié)構(gòu)立面布置圖

設(shè)計(jì)方案中流速較大區(qū)域主要集中在開孔頂部區(qū)域，開孔空間內(nèi)部整體流速仍然較小。航道表層因船舶行駛等形成的船行波在開孔結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的流速分布整體較小?？臻g底部經(jīng)過前部開孔底檻的防護(hù)形成了基本靜態(tài)的流場，航道內(nèi)的波浪水流等外部條件對(duì)開孔底部的影響較小，開孔空間內(nèi)可以保證安靜的流場環(huán)境。適合底層水中魚類進(jìn)行各種生物活動(dòng)，空間內(nèi)穩(wěn)定的流場環(huán)境與內(nèi)部放置的樹枝也可為魚類活動(dòng)提供穩(wěn)定安全的庇護(hù)場所。

3.2.2 設(shè)計(jì)方案二

采用護(hù)岸底部設(shè)計(jì)方案，開孔孔口底部距離航道設(shè)計(jì)斷面近岸底部0.65m，開孔孔徑直徑設(shè)計(jì)為0.4m，開孔內(nèi)部空間底部距離開孔孔底部孔檻0.4m。預(yù)制箱型裝配式結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)及開孔的布置方式為間隔布置，見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)方案二結(jié)構(gòu)立面布置圖

開孔結(jié)構(gòu)設(shè)置在護(hù)岸底部時(shí)，航道表層因船舶行駛等形成的船行波在底部預(yù)制結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的流速較小，結(jié)構(gòu)空間內(nèi)的流速分布整體較小，空間內(nèi)可以保證安靜的流場環(huán)境。開孔內(nèi)的穩(wěn)定環(huán)境比較適合底層水中魚類與底棲動(dòng)物等適宜生活在緩流與靜水區(qū)的生物，結(jié)構(gòu)空間內(nèi)穩(wěn)定的流場環(huán)境與內(nèi)部放置的樹枝開孔為魚類與底棲動(dòng)物的產(chǎn)卵與活動(dòng)提供了穩(wěn)定安全的庇護(hù)場所。

3.2.3 設(shè)計(jì)方案三

采用護(hù)岸中上部設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)開孔孔口底部距離航道設(shè)計(jì)斷面近岸底部1.2m，開孔孔徑直徑設(shè)計(jì)為0.5m，開孔內(nèi)部空間底部距離開孔孔底部孔檻0.3m。預(yù)制箱型裝配式結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)及開孔的布置方式為間隔布置，見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)方案三結(jié)構(gòu)立面布置圖

結(jié)構(gòu)方案三表明預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)置在護(hù)岸中上部時(shí)的流速值增大，流速較大區(qū)域主要集中在結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域，結(jié)構(gòu)空間底部的流速仍然較小。航道表層因船舶行駛等形成的船行波在護(hù)岸上部結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的流速在開孔內(nèi)部空間上部區(qū)域較大，在開孔內(nèi)部空間低部區(qū)域較小，開孔內(nèi)部空間上下部分區(qū)域的流速差異較大。結(jié)構(gòu)空間上部比較適合中上層水中喜好快流速與高含氧量的魚類進(jìn)行生物活動(dòng)。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于生態(tài)本底調(diào)查資料，根據(jù)航道工程區(qū)域內(nèi)不同生物的物種特性以及偏好的水動(dòng)力條件，設(shè)計(jì)了三種不同設(shè)置位置與開孔孔徑的直立式護(hù)岸開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，有利于藻類、兩棲和魚類的生存與繁殖。該設(shè)計(jì)方案在保證航道通航功能的同時(shí)，還可促進(jìn)生態(tài)功能的協(xié)調(diào)發(fā)展，為各種生物創(chuàng)造了更加廣闊多樣的生存環(huán)境，形成良性、穩(wěn)定、多功能的生態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，維系河道水系循環(huán)，充分發(fā)揮生態(tài)河道的凈化器功能。還可使流域生態(tài)環(huán)境可以得到一定的改善，衍生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。