錢盛杰，陳 剛，金 新，羅紅林，何 昆

（1·海寧市鹽倉江堤管理所，浙江 海寧 314423；2·浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

1 引 言

錢塘江河口洪潮水文動(dòng)力極為復(fù)雜，河口的中、上段還伴有涌潮現(xiàn)象，河床沖淤多變，強(qiáng)勁復(fù)雜的動(dòng)力環(huán)境條件使海塘基礎(chǔ)面臨極大的沖刷壓力，導(dǎo)致塘腳經(jīng)常被淘空，危及海塘安全。在海塘工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，通常會(huì)修建丁壩以保護(hù)海塘，而位于錢塘江彎道的丁壩易受到涌潮沖擊，經(jīng)常發(fā)生損毀，屢屢出現(xiàn)險(xiǎn)情。

多年來，許多學(xué)者對(duì)丁壩壩頭局部沖刷的過程、深度、防護(hù)措施等進(jìn)行大量研究[1-4]，但彎道三維水流結(jié)構(gòu)和涌潮這一特殊動(dòng)力條件，共同導(dǎo)致位于彎道的丁壩壩頭局部沖刷極為復(fù)雜[5-6]。本文采用物理模型對(duì)涌潮動(dòng)力條件下的彎道丁壩局部沖刷進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別用錢塘江河口鹽倉彎道整體模型、水槽斷面模型模擬彎道段、直道段丁壩的壩頭局部沖刷，得到充分防護(hù)時(shí)涌潮作用下直道段、彎道段典型丁壩壩頭局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式，可供丁壩設(shè)計(jì)參考。

2 物理模型設(shè)計(jì)

2.1 整體模型

整體物理模型的上邊界設(shè)在江東大橋下游約0.8 km處[7]，下邊界設(shè)在老鹽倉大壩下游約5.0 km處，模擬總長約10.4 km，模擬水域面積27.0 km2，平面布置見圖1。綜合考慮模型場地、模型水流進(jìn)口過渡段、模型沙選擇及研究區(qū)域涌潮運(yùn)動(dòng)特征，選定整體模型平面比尺λL=200，垂直比尺λh=100，變率η=2的小變率模型。

圖1 整體模型平面布置圖

為保證水流運(yùn)動(dòng)相似，根據(jù)相似準(zhǔn)數(shù)等于同量原則以及潘存鴻等[8]推導(dǎo)建立的涌潮傳播速度的解析計(jì)算公式，確定整體模型主要相似比尺（見表1）。

表1 整體模型主要相似比尺表

錢塘江河口河床變形主要取決于懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)，因此模型為懸移質(zhì)動(dòng)床模型，并按起動(dòng)相似的要求選沙。錢塘江河口的河床質(zhì)為分選良好、粒徑較均勻的粉沙，中值粒徑一般為0.02~0.04 mm，分選系數(shù)1.7~2.0，泥沙輸移以懸沙為主，易沖易淤。經(jīng)對(duì)實(shí)測(cè)水沙資料進(jìn)行分析，結(jié)合理論公式的計(jì)算并考慮研究水域的水深情況等因素，原型沙起動(dòng)流速0.60~0.90 m/s（水深1~6 m）。根據(jù)起動(dòng)相似的要求，選取中值粒徑0.12 mm的木粉作為模型底沙，起動(dòng)流速為0.06~0.08 m/s（水深5~10 cm），起動(dòng)相似條件良好。對(duì)于壩頭拋石的模擬，由于工程區(qū)歷史上經(jīng)歷過多次除險(xiǎn)加固，丁壩壩頭及壩身周邊拋填了大量厚度不等的拋石、異形塊體等，其中拋石質(zhì)量多為10~100 kg。為遵循起動(dòng)相似，根據(jù)沙莫夫公式、張瑞瑾公式等起動(dòng)流速公式，選用中值粒徑為0.33 mm的原型沙模擬丁壩壩頭拋石；對(duì)于異形塊體，則考慮質(zhì)量相似。

2.2 水槽斷面模型

水槽斷面模型采用正態(tài)模型，考慮研究區(qū)域水流泥沙運(yùn)動(dòng)特征與模型沙的特性，選定幾何比尺為40，模型長42 m，寬4 m，動(dòng)床段長10 m，鋪沙厚度0.35 m，水槽平面布置見圖2。選擇中值粒徑0.05 mm的木粉作為模型底沙，拋石及異形塊體的相似同樣分別遵循起動(dòng)及質(zhì)量相似。

圖2 水槽模型平面布置圖

2.3 模型驗(yàn)證

模型的水動(dòng)力驗(yàn)證見參考文獻(xiàn)[7]。由于單個(gè)涌潮作用下，丁壩沖刷坑的地形實(shí)際測(cè)量難度極大且精度不高，故整體模型中的動(dòng)床驗(yàn)證主要以丁壩壩頭局部沖刷高程為準(zhǔn)。由于在潮汛期內(nèi)（一般4 d以內(nèi)）的動(dòng)力強(qiáng)度相當(dāng)，從工程安全角度考慮并結(jié)合2019年9月的涌潮觀測(cè)成果，采用實(shí)測(cè)最大涌潮高度1.7 m左右，8個(gè)涌潮的連續(xù)模擬，驗(yàn)證鹽倉彎道6座典型丁壩的沖刷高程，驗(yàn)證結(jié)果見表2。由表2可見，丁壩壩頭高程模型驗(yàn)證值與實(shí)測(cè)值較為吻合。

表2 丁壩壩頭沖刷高程驗(yàn)證結(jié)果表

2.4 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)共模擬3種典型丁壩，分別對(duì)應(yīng)2組低丁壩和1組高丁壩，壩長均為80 m，低丁壩的壩頂高程3.60 m，高丁壩的壩頂高程6.60 m，3座丁壩在彎道中的相對(duì)位置見圖3。

圖3 試驗(yàn)丁壩布置圖

丁壩試驗(yàn)條件為：起沖高程選擇實(shí)測(cè)較為不利的河床高程1.00 m，低潮位為大潮期的平均低潮位2.4 m，涌潮高度選用2.4 m，試驗(yàn)方案按照不防護(hù)—拋石防護(hù)—拋石+扭王防護(hù)3個(gè)漸進(jìn)方案逐步開展，每個(gè)方案實(shí)施8個(gè)涌潮過程（見表3）。

表3 丁壩試驗(yàn)條件表 單位：m

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 丁壩壩頭局部沖刷發(fā)展過程

丁壩壩頭局部沖刷產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜。普遍認(rèn)為，由于丁壩的存在，造成丁壩壩頭附近水流呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的三維紊流特征，改變了周邊原有的泥沙動(dòng)力環(huán)境，極大增加泥沙起動(dòng)機(jī)率，加劇丁壩壩頭周邊河床的沖刷。

丁壩壩頭局部沖刷高程隨時(shí)間發(fā)展的過程見圖4。通過對(duì)丁壩壩頭河床高程進(jìn)行隨潮監(jiān)測(cè)可以看出：

（1）不防護(hù)條件下，試驗(yàn)初期丁壩附近河床快速下切形成沖刷坑，但隨著沖刷的發(fā)展，水深增加，流速減小，水流的挾沙能力逐漸下降，沖刷率迅速減小并漸趨穩(wěn)定。

（2）拋石防護(hù)條件下，試驗(yàn)初期丁壩附近河床依舊快速下切形成沖刷坑，但拋石的抗沖能力明顯強(qiáng)于泥沙，在2~4個(gè)潮后，拋石層即可基本穩(wěn)定，河床不再明顯下切。

（3）拋石+扭王防護(hù)條件下，在拋石護(hù)底的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拋填扭王塊壓載，以上一階段拋石穩(wěn)定后的高程作為起沖高程。由圖4可見，隨著扭王塊的加入，總體上沖刷變緩，初期也無明顯河床下切現(xiàn)象。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若坑內(nèi)扭王塊緊密擺放，扭王塊的滑落或走失數(shù)量較少，該高程可認(rèn)為是丁壩壩頭較為不利的沖刷高程。

圖4 不同試驗(yàn)方案丁壩壩頭局部沖刷發(fā)展過程圖

3.2 彎道段與直道段丁壩局部沖刷高程差異

整體模型考慮了彎道的影響，其試驗(yàn)成果可反映彎道效應(yīng)下的丁壩局部沖刷，而水槽模型試驗(yàn)采用斷面布置的方式，可近似代表直道段的丁壩沖刷特征，分析2種模型的試驗(yàn)成果差異（見表4）可知：

表4 丁壩壩頭沖刷高程試驗(yàn)成果表 單位：m

（1）位于彎道中心附近1#典型低壩的壩頭沖刷高程，整體模型的沖深較水槽模型加劇0.90 m；而位于彎道出彎后3#典型高壩的壩頭沖刷高程，整體模型與水槽模型試驗(yàn)成果相差0.40 m，同樣為整體模型略深。表明彎道不同位置的丁壩沖刷，尤其是位于彎道中心附近的丁壩，彎道效應(yīng)導(dǎo)致其沖刷更甚。錢塘江的實(shí)測(cè)資料也同樣表明[6]，平均而言，凹岸低壩壩頭高程較直段順壩低0.50 m。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，2個(gè)模型的2#典型低壩沖刷差異可達(dá)2.50 m，遠(yuǎn)超1#典型低壩和3#典型高壩。結(jié)合涌潮傳播及強(qiáng)度變化（見圖5）可知，由于涌潮傳播及行進(jìn)方向受彎道河岸約束，彎道出彎口2#典型低壩附近水域的涌潮因折返而強(qiáng)度增加，最終導(dǎo)致該區(qū)域整體模型的沖刷高程明顯更深。

圖5 2#典型低壩區(qū)域涌潮傳播變化圖

3.3 壩頭沖刷經(jīng)驗(yàn)公式

錢塘江赭山灣9號(hào)潛壩多年實(shí)測(cè)結(jié)果表明，其壩頂高程低至一般低潮位以下1倍涌潮高度，歷經(jīng)數(shù)十年始終存在，較易穩(wěn)定，因此利用彎道段整體模型和直道段水槽模型，可建立丁壩壩頭充分防護(hù)后的沖刷經(jīng)驗(yàn)公式：

式（1）中：h為低潮位水深，m；D為丁壩壩頭沖刷深度，m；H為涌潮高度，m；KΔ為河勢(shì)影響因子，本文中彎道段可取2.8~3.3，直道段可取2.3~2.6。

4 結(jié) 語

通過物理模型試驗(yàn)對(duì)涌潮動(dòng)力條件下的彎道段、直道段丁壩局部沖刷進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，彎道的丁壩局部沖刷坑較直道段深0.40~2.50 m。沖深加劇主要是由丁壩所處的彎道相對(duì)位置這一直接因子，以及受彎道影響所導(dǎo)致的涌潮強(qiáng)度變化這一間接因子共同決定的結(jié)果。研究得出充分防護(hù)時(shí)涌潮作用下直道段、彎道段典型丁壩壩頭局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式，可供丁壩設(shè)計(jì)參考。