王忠權(quán)，魏小旺，陳文江

(1.浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310016)

1 概況

錢塘江海寧魚鱗石塘在光緒六年(公元1880年)最后一次進(jìn)行大規(guī)模維修，目前海寧段古海塘(魚鱗石塘)遺存且仍然堅(jiān)守在防洪御潮一線的主要集中分布在海寧老鹽倉(cāng)至塔山壩長(zhǎng)33.5km岸段內(nèi)，其中魚鱗石塘的長(zhǎng)度合計(jì)約28km，占該岸段總長(zhǎng)的85%。根據(jù)歷史記載，海寧魚鱗石塘大部分建于乾隆年間，絕大部分塘段塘型為：塘高5.44m，塘基寬3.84m，塘基下布置11排木樁支承，除塘趾雙排馬牙樁、中間與內(nèi)側(cè)各1排密排樁外，余7排均為梅花樁，樁頂空隙間填筑碎石、墁灰土，使樁石、塘底連成一片；石塘塘身以厚32cm、寬38cm條石用糯米石灰漿丁、順間砌，參差壓縫；塘頂與迎潮面的條石之間還采用鐵錠、鐵鋦、鐵筍、鐵簫等鐵件嵌聯(lián)；塘身砌石多為17層，自下而上逐層收分，成階梯形，至頂層石塘寬1.44m，塘身迎潮面用油灰或桐油石灰雜以苧蔴筋嵌擠結(jié)實(shí)，以阻水淘吸附土[1]，1996—2004年的標(biāo)準(zhǔn)塘建設(shè)時(shí)，對(duì)部分段堤腳增設(shè)了板樁和丁壩，如圖1所示。

圖1 魚鱗石塘結(jié)構(gòu)示意圖

2 問題的提出

錢塘江河口自20世紀(jì)60年代以來實(shí)行“治江與圍涂相結(jié)合，以圍代壩，以圍促淤”的治理方針[2]，經(jīng)過50余年的乘淤圍涂，江道不斷縮窄，已有160萬畝[3]江面變成了陸地，在縮窄最明顯的海寧河段，河勢(shì)已發(fā)生較大變化[4]。

河勢(shì)變化將引起堤前河床高程的變化[5]，而堤前河床設(shè)計(jì)沖刷高程直接影響海塘的安全[6- 9]，為此，需要研究新的河勢(shì)下堤前河床沖刷高程。

3 沖刷機(jī)理研究

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

錢塘江海寧河段在2010年已基本達(dá)到規(guī)劃治導(dǎo)線，為此，在每年3次1∶50000全江道斷面監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，以沿河方向平均1km布置1個(gè)近岸測(cè)量斷面，斷面寬度在2010年5月—2013年4月為從現(xiàn)有坦水外口往外江30m(7—9月每月觀測(cè)2次，其他月份每月觀測(cè)1次)，2013年4月之后斷面寬度調(diào)整為100m(5—10月每月觀測(cè)2次，其他月份每月觀測(cè)1次)，測(cè)點(diǎn)間距2m。自秧田廟至塔山壩，江道全斷面?zhèn)€數(shù)12個(gè)，堤前近岸測(cè)量斷面25個(gè)。

3.2 尖山圍墾前后沖刷變化

尖山圍墾之前近岸河床有1974、1975、1976、1989、1991、1993、1994年等11次洪水過后實(shí)測(cè)灘地地形圖。尖山圍墾之后有2010年以來近岸25個(gè)實(shí)測(cè)河床斷面。尖山圍墾前后堤前20m范圍內(nèi)河床平均高程對(duì)比如圖2所示。

圖2 尖山圍墾前后堤前高程對(duì)比圖

可見經(jīng)過20余年的圍墾縮窄河道，徑流作用加強(qiáng)，平面形態(tài)變化，及圍墾后測(cè)量期間洪峰流量大于圍墾前等因素，實(shí)測(cè)近岸平均河床除個(gè)別斷面抬升0.25m外，普遍已刷深0.05～0.5m。

3.3 河段整體沖淤分析

錢塘江海寧河段具有明顯的沖淤變化，一般年內(nèi)變化為豐水期(3—7月)河床沖刷，枯水期(10月至次年2月)河床淤積，洪峰流量和洪量越大，沖刷幅度越大，沖刷河段越長(zhǎng)[10]。如2017年6月24—27日，富春江電站最大下泄流量14900m3/s，105K斷面沖刷淤幅度超8m，與堤腳距離170m左右，如圖3所示。

圖3 105K斷面年內(nèi)沖淤變化

尖山河段圍涂后，該河段潮流演變?yōu)椋簼q潮流基本貼南岸上溯，頂沖在大缺口附近，受阻反射后水位迅速壅高，一股繼續(xù)向上游上溯，一股則向下在尖山附近形成回流區(qū)，有利于泥沙落淤，從而該區(qū)域位于洪水的頂沖點(diǎn)，發(fā)生洪水時(shí)，該河段北岸灘地則被沖開。從如圖4所示的2017年4、7、11月的河床形態(tài)可以看出，洪水后北岸河床年內(nèi)經(jīng)歷高灘-深槽-高灘動(dòng)態(tài)變化過程，體現(xiàn)了河床大沖大淤的特點(diǎn)。

圖4 尖山河段2017年河床變化圖

3.4 上游洪水與河床高程關(guān)系分析

以相對(duì)枯水的2018年和相對(duì)豐水的2019年為例，按照沿線有無丁壩群劃分為81K—84K順直段(丁壩群)、86K—88K順直段(無丁壩群)、99K—102K彎道段(無丁壩群)、103K—105.8K彎道段(丁壩群)段，各段堤前30m河床高程和各測(cè)次間富春江水庫(kù)下泄的最大流量如圖5所示。

81.9K、83.1K和84K三個(gè)斷面位于順直河道丁壩群段，從圖5可知，總體上流量的變化對(duì)該段灘地高程的影響較明顯。2018年流量較小，灘地高程在1.0m左右，秋季大潮后有所下降；2019年流量較大，灘地有所刷深，其中年內(nèi)5—6月份淤積明顯，7月受梅雨影響沖刷，8月之后緩慢淤積，除春汛外，大體高程在0m以上。因此本段總體沖淤變幅相對(duì)較小，一般年份在2m左右，在一定量的洪水過后，灘地會(huì)刷深，但無洪水持續(xù)刷深，則灘地穩(wěn)步淤積，淤積時(shí)段較長(zhǎng)。

86K、87K和87.9K三個(gè)斷面位于順直河道無丁壩群段，從圖5可知，8月之后雖然上游來水減少，但灘地高程仍有2m左右的沖淤變化，可見無丁壩段受潮水的影響較丁壩群段更大。本段流量變化對(duì)河床沖淤影響波動(dòng)也十分明顯，波動(dòng)幅度較81K—84K丁壩群段大?？傮w上灘地平衡時(shí)段較短，且平均河床高程接近-1m。

99K、100K、101K和102K四個(gè)斷面位于彎曲河道凹岸無丁壩群段，從圖5可知，春汛流量相對(duì)梅汛期流量較小，基本無法加深灘地高程，而梅汛對(duì)灘地刷深明顯，汛后則灘地總體緩慢淤積直到來年4月，維持時(shí)間較長(zhǎng)，且總體高程在0m以上。

圖5 各段堤前30m河床高程與流量對(duì)照?qǐng)D

103K、104K、105K和105.8K四個(gè)斷面位于彎曲河道凹岸丁壩群段，從圖5可知，因春汛流量相對(duì)梅汛期流量較小，灘地較99K—102K段更穩(wěn)定，梅汛流量較大時(shí)，則對(duì)灘地刷深較明顯，汛后灘地淤積也較快，直到來年6月，維持時(shí)間更長(zhǎng)，1—6月高程在3m以上。

上述各段在富春江電站下泄流量4000m3/s左右以下時(shí)，洪水對(duì)河床影響小，超過這一流量時(shí)，則洪水下河床刷深，流量越大，刷深越明顯。

3.5 洪潮作用分析

塘前河床沖淤受徑流、潮流以及江道變化[11- 12]等多種因素共同影響。洪水的影響主要是梅汛期沖刷河槽，江道容積增大，潮動(dòng)力減弱，進(jìn)而引起堤前江道沖刷。如2010—2012年的7月閘口—鹽官河段5.17m以下江道容積分別高達(dá)5.47億、5.23億、5.34億m3，此后的9月份鹽官的月平均潮差分別高達(dá)4.0、4.09、4.05m，較鹽官多年9月平均潮差增大0.8m左右。圖6為鹽官月均潮差與塘前灘地最低高程的相關(guān)性，從圖6可見，兩者相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8以上(R2=0.6763，R=0.82)，洪水越大，江道沖刷幅度越大，容積亦越大，從而引起該河段潮動(dòng)力增強(qiáng)，塘前灘地沖刷劇烈。

圖6 月均潮差與堤前河床最低高程相關(guān)性

自2010年開展堤前灘地精細(xì)測(cè)量以下，在2011年和2017年有5次流量相對(duì)較大的洪峰，情況見表1。

表1 2011年和2017年富春江電站洪峰流量 單位：m3/s

2010—2017年98K、101K、105K斷面堤前30m范圍內(nèi)河床最低高程變化如圖7—8所示。98K斷面最低值-2.71m，測(cè)量時(shí)間為2010年9月10日(當(dāng)月鹽官月均潮差4m)；105K斷面最低值-2.25m，測(cè)量時(shí)間為2016年8月21日(梅汛后大潮期)。

圖7 98K斷面各測(cè)次最低高程變化過程

圖8 105K斷面各測(cè)次最低高程變化過程

98K(大缺口)位于潮水上溯頂沖河段，2011和2017年洪水過程前后最低沖刷高程與洪峰流量關(guān)系不明顯，見表2，堤前河床最低值出現(xiàn)在梅汛后的秋季大潮期間，屬于洪水先沖，大潮加劇的局面。

表2 98K斷面典型洪水前后實(shí)測(cè)最深點(diǎn)高程 單位：m

105K(平頭)斷面在梅汛期堤前河床發(fā)生沖刷，梅汛后的7—11月秋季大潮作用下仍進(jìn)一步?jīng)_刷，幅度1～4m左右，梅汛后的大潮期也有產(chǎn)生一定的沖刷，幅度0.1～1.5m左右，進(jìn)入弱潮枯水期則回淤。堤前河床多在梅汛期和梅汛后8—11月的大潮期出現(xiàn)最低值，但總體以洪水沖刷為主。105K斷面在2017年洪水前后最深點(diǎn)高程變化見表3。

表3 105K斷面2017年洪水前后最深點(diǎn)高程變化

105K斷面最深點(diǎn)并不是出現(xiàn)在2011年2017年2次洪水期間，這與前期地形有關(guān)，見表4，2017年梅汛期洪峰流量最大，灘地沖刷幅度亦最大，可達(dá)4.42m，但由于汛前地形較高，沖刷后高程仍高于汛前灘地高程較低年份的高程，如2015年和2016年。

表4 105K斷面梅汛期沖刷幅度 單位:m

因錢塘江在2010年以來進(jìn)入相對(duì)豐水期，105K斷面在連續(xù)豐水年最深點(diǎn)有刷深的趨勢(shì)，2011—2012年塘前30m范圍內(nèi)最深點(diǎn)高程介于0.3～0.7m；2013—2015年介于-1.5～-1m；2016—2017年介于-2.3～-1.5m。

4 沖刷高程分析

4.1 分析數(shù)據(jù)選取

因堤前近岸河床測(cè)量時(shí)間較短，而江道全斷面測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，選取與全斷面位置鄰近的10個(gè)斷面作為代表斷面，以1996—2009年數(shù)據(jù)進(jìn)行延長(zhǎng)序列，同時(shí)增補(bǔ)1989年10月、1991年6月、1993年7月、1994年10月和1995年9月的近岸河床平面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)沖刷高程分析。

4.2 多項(xiàng)式擬合分析

經(jīng)多項(xiàng)式函數(shù)[13]對(duì)各代表斷面最低高程經(jīng)驗(yàn)頻率進(jìn)行擬合，得到81K—105.8K段P=1%沖刷高程介于-3.97～-2.33m之間，如圖9所示。

圖9 101K斷面多項(xiàng)式擬合圖

4.3 P-Ⅲ型曲線擬合分析

在水文分析與計(jì)算中P-Ⅲ型曲線常用于洪水頻率計(jì)算[14]，而錢塘江河床沖刷與洪水大小正相關(guān)[15]，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行擬合計(jì)算，得到81K—105.8K段P=1%沖刷高程介于-4.47～-2.35m之間，如圖10所示。

圖10 101K斷面P-Ⅲ擬合圖

5 結(jié)論

(1)錢塘江海寧古海塘段自治江圍墾縮窄河道后，徑流作用加強(qiáng)，實(shí)測(cè)近岸平均河床高程已普遍已刷深，加深幅度總體在0.5m以內(nèi)。

(2)近岸河床最低高程出現(xiàn)在造床流量4000m3/s以上的洪水沖刷后，再經(jīng)大潮沖刷；彎道段洪水沖刷作用強(qiáng)于順直段。

(3)基于實(shí)測(cè)資料的多項(xiàng)法擬合分析方法和P-Ⅲ型曲線擬合分析方法適用于錢塘江強(qiáng)涌潮河段堤腳沖刷高程分析，P-Ⅲ型曲線分析法的沖刷高程總體深于多項(xiàng)式擬合法。

同時(shí)錢塘江河口海寧段收洪水與涌潮雙重影響，近岸河床沖淤變化原因十分復(fù)雜，受測(cè)量頻次的限制，每年實(shí)測(cè)最低高程不一定是實(shí)際年最低高程，因此全面了解河床沖刷機(jī)理及沖刷高程精準(zhǔn)分析還有待更多研究者進(jìn)行深入研究。