涌潮作用下彎道丁壩局部沖刷試驗研究

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)計研究院），浙江 杭州 310017）

1 引 言

錢塘江河口洪潮水文動力極為復(fù)雜，河口的中、上段還伴有涌潮現(xiàn)象，河床沖淤多變，強勁復(fù)雜的動力環(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)計和建設(shè)中，通常會修建丁壩以保護海塘，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)險情。

多年來，許多學(xué)者對丁壩壩頭局部沖刷的過程、深度、防護措施等進行大量研究[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涌潮動力條件下的彎道丁壩局部沖刷進行試驗研究，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，得到充分防護時涌潮作用下直道段、彎道段典型丁壩壩頭局部沖刷經(jīng)驗公式，可供丁壩設(shè)計參考。

2 物理模型設(shè)計

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、模型水流進口過渡段、模型沙選擇及研究區(qū)域涌潮運動特征，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

為保證水流運動相似，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)泥沙運動，因此模型為懸移質(zhì)動床模型，并按起動相似的要求選沙。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)對實測水沙資料進行分析，結(jié)合理論公式的計算并考慮研究水域的水深情況等因素，原型沙起動流速0.60~0.90 m/s（水深1~6 m）。根據(jù)起動相似的要求，選取中值粒徑0.12 mm的木粉作為模型底沙，起動流速為0.06~0.08 m/s（水深5~10 cm），起動相似條件良好。對于壩頭拋石的模擬，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。為遵循起動相似，根據(jù)沙莫夫公式、張瑞瑾公式等起動流速公式，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)域水流泥沙運動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及質(zhì)量相似。

圖2 水槽模型平面布置圖

2.3 模型驗證

模型的水動力驗證見參考文獻[7]。由于單個涌潮作用下，丁壩沖刷坑的地形實際測量難度極大且精度不高，故整體模型中的動床驗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)）的動力強度相當(dāng)，從工程安全角度考慮并結(jié)合2019年9月的涌潮觀測成果，采用實測最大涌潮高度1.7 m左右，8個涌潮的連續(xù)模擬，驗證鹽倉彎道6座典型丁壩的沖刷高程，驗證結(jié)果見表2。由表2可見，丁壩壩頭高程模型驗證值與實測值較為吻合。

表2 丁壩壩頭沖刷高程驗證結(jié)果表

2.4 試驗條件

試驗共模擬3種典型丁壩，分別對應(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位置見圖3。

圖3 試驗丁壩布置圖

丁壩試驗條件為：起沖高程選擇實測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，試驗方案按照不防護—拋石防護—拋石+扭王防護3個漸進方案逐步開展，每個方案實施8個涌潮過程（見表3）。

表3 丁壩試驗條件表 單位：m

3 試驗結(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)出強烈的三維紊流特征，改變了周邊原有的泥沙動力環(huán)境，極大增加泥沙起動機率，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間發(fā)展的過程見圖4。通過對丁壩壩頭河床高程進行隨潮監(jiān)測可以看出：

（1）不防護條件下，試驗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）拋石防護條件下，試驗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于泥沙，在2~4個潮后，拋石層即可基本穩(wěn)定，河床不再明顯下切。

（3）拋石+扭王防護條件下，在拋石護底的基礎(chǔ)上進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種模型的試驗成果差異（見表4）可知：

表4 丁壩壩頭沖刷高程試驗成果表 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。錢塘江的實測資料也同樣表明[6]，平均而言，凹岸低壩壩頭高程較直段順壩低0.50 m。

（2）試驗結(jié)果表明，2個模型的2#典型低壩沖刷差異可達2.50 m，遠超1#典型低壩和3#典型高壩。結(jié)合涌潮傳播及強度變化（見圖5）可知，由于涌潮傳播及行進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)驗公式

錢塘江赭山灣9號潛壩多年實測結(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后的沖刷經(jīng)驗公式：

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

通過物理模型試驗對涌潮動力條件下的彎道段、直道段丁壩局部沖刷進行研究，試驗結(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位置這一直接因子，以及受彎道影響所導(dǎo)致的涌潮強度變化這一間接因子共同決定的結(jié)果。研究得出充分防護時涌潮作用下直道段、彎道段典型丁壩壩頭局部沖刷經(jīng)驗公式，可供丁壩設(shè)計參考。