長江口河段柔性護(hù)灘結(jié)構(gòu)周邊河床沖刷形態(tài)分析

賈 曉，胡志鋒，吳華林，周發(fā)林，唐曉峰

(1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201;2.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003)

在早期護(hù)灘及航道整治工程中，工程周邊的局部沖刷現(xiàn)象十分嚴(yán)重，局部沖刷既危害工程，又將進(jìn)一步降低工程的整治效果.根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計，超過一半的涉水工程損毀是由局部沖刷引起的［1］.近年來，在長江中下游及河口的航道整治工程中，作為護(hù)灘結(jié)構(gòu)或者其他工程的輔助結(jié)構(gòu)，軟體排護(hù)灘(護(hù)底)技術(shù)得以廣泛應(yīng)用［2－5］.軟體排作為新興護(hù)灘(護(hù)底)結(jié)構(gòu)型式，具有結(jié)構(gòu)耐久性好、貼覆性好、整體性好、施工便捷等一系列優(yōu)點.目前，較為常見的軟體排主要有混凝土聯(lián)鎖塊軟體排、混凝土鉸鏈沉排、砂肋排等.然而由于工程現(xiàn)場的復(fù)雜性，軟體排周邊河床演變過程較難分析.現(xiàn)有的研究手段主要有現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)學(xué)模型和局部物理模型試驗.3種方法各有側(cè)重，現(xiàn)場監(jiān)測即采用走航觀測特定斷面或者采用多波數(shù)地形儀監(jiān)測局部地形變化，最能反應(yīng)實際情況，但投入大，且由于水文條件的復(fù)雜性，仍較難把握特定因素對沖刷坑的影響［6－7］;數(shù)學(xué)模型受限于不能夠模擬軟體排的護(hù)灘效果及其結(jié)構(gòu)問題，故一般僅用于計算工程附近的水流結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而概算沖刷坑范圍［8］，目前僅極少數(shù)學(xué)者嘗試采用三維數(shù)學(xué)模型模擬沖刷坑的發(fā)展［9］;局部概化物理模型是常見、也是最為工程設(shè)計人員所接受的研究手段，主要有系列模型試驗方法［10－11］及局部正態(tài)模型試驗［12］兩種.但物理模型試驗往往服務(wù)于設(shè)計需要，試驗中經(jīng)常采用極端水力條件得到極限沖刷坑，這并不完全代表軟體排外緣沖刷坑的自然演變情況，且兩種試驗方法均存在一定的系統(tǒng)誤差和比尺效應(yīng).

筆者積累了長江口河段部分軟體排相關(guān)工程實施后的地形監(jiān)測資料，嘗試以軟體排外緣局部沖刷產(chǎn)生的機理為切入點，分析軟體排工程實施后周邊河床的沖刷形態(tài)及沖刷演變特點.一般情況下，由于軟體排與灘體存在軟硬邊界的差異，或者由于其他主體工程(諸如丁壩、魚骨壩)引起的流場改變，會形成3種不同的沖刷坑:護(hù)灘軟體排外緣的沖刷槽;繞流引起的頭部沖刷坑，以及跌流引起的沖刷坑.本文重點分析不同原因造成的沖刷坑的幾何形態(tài)及演變特點，因受限于篇幅，對由此而產(chǎn)生的特定水文、地質(zhì)情況及工程工況條件僅做概述，所有數(shù)據(jù)均來自于相關(guān)工程科研報告和實測資料.本文旨在通過資料的積累與分析，為后續(xù)針對該問題的研究奠定基礎(chǔ).

1 護(hù)灘軟體排外緣的沖刷槽

在長江中下游及河口段河道中，部分工程僅采用軟體排作為護(hù)灘工程的主體工程.采用軟體排護(hù)灘是一種相對被動的護(hù)灘方式，不通過調(diào)整工程周圍的流場來增強對灘體的守護(hù)效果.這種工程措施常應(yīng)用于汊道分流、航道水深條件較好且灘體高程較高的分汊河段.長江口南北港分流口、青草沙水庫西南側(cè)的新瀏河沙護(hù)灘工程，采用了混凝土聯(lián)鎖塊軟體排護(hù)灘(灘體外緣僅有壓載低壩).新瀏河沙護(hù)灘配合南沙頭通道限流工程同步實施，在護(hù)灘的同時限制支汊發(fā)展.工程位置及周邊河勢見圖1.

新瀏河沙護(hù)灘工程所處河段為典型的潮汐河段，漲落潮流均較強，洪季大潮落潮時寶山南水道垂線平均流速接近2 m/s.河床底質(zhì)為較典型的細(xì)沙，中值粒徑為0.08～0.13 mm.自2007年底施工以來，軟體排外緣沖刷極為劇烈，局部沖刷坑深達(dá)10 m以上.其后在2009年4月，由于局部沖刷幅度過大，加寬了軟體排的守護(hù)范圍.沖刷強烈的部位主要分為2個區(qū)域:北側(cè)(A區(qū)域)受水流頂沖部位的淘刷區(qū)域及南側(cè)(B區(qū)域)順?biāo)鞣较虻臎_蝕區(qū)域.局部沖淤見圖2.

圖1 新瀏河沙周邊河勢圖Fig.1 Local river regime around Xinliuhe shoal

圖2 新瀏河沙護(hù)灘工程外緣局部沖淤Fig.2 Local scour morphology around Xinliuhe shoal protection works

由圖2可見，兩部位軟體排外緣的灘體沖刷坑形態(tài)略有區(qū)別.在北側(cè)區(qū)域，受上游來水頂沖作用的影響，軟體排外緣(A區(qū)域)呈現(xiàn)較為明顯的抗掀穩(wěn)定性不足，沖刷坑很快發(fā)展至軟體排守護(hù)部位.軟體排外緣形成深陡的沖刷槽，且發(fā)展速度很快.A區(qū)域典型斷面演變趨勢見圖3(a).在南側(cè)部位，水流基本平行于軟體排外緣，軟體排守護(hù)部位的灘體守護(hù)效果較好，但軟體排外側(cè)灘體沿整個斷面呈均勻侵蝕趨勢，且軟體排外緣沖刷侵蝕的區(qū)段較長、持續(xù)時間較久，目前仍未達(dá)到穩(wěn)定形態(tài).B區(qū)域典型斷面演變趨勢見圖3(b).

新瀏河沙護(hù)灘工程軟體排外緣沖刷幅度過大，原因很多，除軟體排所造成的邊界抗沖性不一致、軟體排外緣紊動強度增加外，另外一個原因是上游河勢發(fā)生變化，即扁擔(dān)沙南移造成主流頂沖新瀏河沙體沖刷加?。?3］.

圖3 新瀏河沙護(hù)灘工程南北側(cè)外緣典型斷面發(fā)展過程Fig.3 Developing process of the typical sections along the north and south sides of Xinliuhe shoal protection works

2 繞流引起的沖刷坑

除作為主體工程措施應(yīng)用于護(hù)灘工程之外，軟體排通常配合一些“主動性”的工程措施，如丁壩、魚骨壩等，形成護(hù)灘帶(護(hù)底帶).此類工程最大的優(yōu)點為既有壩體工程主動調(diào)整流場的作用，又有軟體排護(hù)底，弱化并外移壩頭的局部沖刷坑，達(dá)到固灘刷槽的工程整治效果.

壩頭無軟體排護(hù)底情況下的局部沖刷問題，已經(jīng)有較為詳細(xì)的調(diào)查資料及較為完整的研究成果［14－15］.近年來長江口河段實施的涉水工程通常配合較大范圍的軟體排護(hù)底，沖刷坑較淺，且可較快達(dá)到平衡狀態(tài).以長江口深水航道工程為例，在2001年9月二期工程S4～S6及N4～N6丁壩工程施工完成后，丁壩頭部沖刷坑很快達(dá)到平衡.

3 跌流引起的沖刷坑

當(dāng)整治工程與水流夾角較大，且壩體在落急時刻呈淹沒狀態(tài)時，表層水流過壩頂后形成跌水沖向灘體再折回，沖刷壩后灘體，這與溢洪道的跌流形成的沖刷坑極為類似［16］.如果軟體排防護(hù)范圍足夠，背水側(cè)軟體排外緣水體紊動不強烈，基本不會產(chǎn)生沖刷坑.如果潮位高、流速大，而軟體排防護(hù)范圍又無富余，則水流會直接沖擊灘體，在短時間內(nèi)形成陡深的沖刷坑，這種現(xiàn)象通常發(fā)生在潛堤背水側(cè)(若位于潮流界，可能兩側(cè)都有).以新瀏河沙與中央沙之間的南沙頭限流潛堤工程為例(圖2中C區(qū)域)，典型斷面見圖4.

圖4 南沙頭限流潛堤典型斷面發(fā)展過程Fig.4 Developing process of the typical sections of the Nanshatou submerged embankment

該處限流潛堤經(jīng)歷了3個階段，自2007年7月軟體排實施后至2008年底，工程軸線處僅有壓載低壩，壩高不足2 m，此時限流潛堤上下僅呈現(xiàn)輕微沖刷或淤積(幅度不超過3 m);自2009年2月，壩高加至－2 m高程處(壩高約4～5 m)，此后軟體排外緣沖刷坑發(fā)展迅速，至2009年5月Xl0+060處的沖刷幅度達(dá)7 m;其后經(jīng)過6～8個月的時間，由跌流引起的深陡的沖刷坑發(fā)育至平衡形態(tài)(此與因沉降等因素導(dǎo)致的壩體高程降低亦有一定關(guān)系).

在實際工程中，某些工程(尤其是分流魚嘴壩或者護(hù)灘突堤)經(jīng)常與主流存在一定夾角，此時繞流和跌流均對沖刷坑的發(fā)展產(chǎn)生影響.尤其長江口外存在旋轉(zhuǎn)潮，長江口部分分流魚嘴壩南北側(cè)漲落潮時刻并不一致，導(dǎo)致魚嘴壩上越堤流和繞流同時存在.長江口南北槽分流魚嘴壩壩頭的沖刷坑，即是由落潮流的繞流和跌流綜合作用的結(jié)果，多波束測量的局部地形圖見圖5.

圖5 南北槽分流魚嘴潛堤頭部局部地形Fig.5 Local bathymetry map around diversion dam between the south passage and the north passage of Yangtze estuary

4 結(jié)語

以現(xiàn)場監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，沖刷坑產(chǎn)生原因為切入點，分析了實施柔性護(hù)灘結(jié)構(gòu)后，其邊緣的3種沖刷坑形態(tài)及其發(fā)展過程.主要通過實測資料的積累為后續(xù)針對該問題的研究奠定初步基礎(chǔ)，對沖刷坑具體形態(tài)參數(shù)及沖刷發(fā)育機理，本文未能展開詳細(xì)論述，有待于今后試驗資料及實測資料更詳細(xì)時再作深入研究.

［1］ANNANDALE W.Scour technology:mechanics and engineering practice［M］.New York:McGraw-Hill Companies，2006.

［2］張景明.長江口深水航道治理工程護(hù)底軟體排結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.水運工程，2006(增刊1):20-23.(ZHANG Jing-ming.Structural design of soft mattress in Yangtze Estuary deepwater channel regulation project［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2006(Suppl1):20-23.(in Chinese))

［3］曹棉.軟體排在長江航道整治工程中的應(yīng)用［J］.水運工程，2004(9):70-73.(CAO Mian.Application of flexible mattress in waterway regulation engineering of the Yangtze River［J］.Port＆ Waterway Engineering，2004(9):70-73.(in Chinese))

［4］程玉來，趙龍根，樓啟為.土工織物軟體排在長江口深水航道治理工程一期北導(dǎo)堤工程中的應(yīng)用［J］.水運工程，2000(12):53-58.(CHENG Yu-lai，ZHAO Long-gen，LOU Qi-wei.Application of geotextile soft mattress in the north leading dike engineering of the Yangtze Estuary deepwater channel regulation phaseⅠ project［J］.Port＆ Waterway Engineering，2000(12):53-58.(in Chinese))

［5］李文全，雷家利，王偉峰，等.長江中下游航道整治軟體排護(hù)灘帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.水運工程，2012(1):88-92.(LI Wen-quan，LEI Jia-li，WANG Wei-feng，et al.Structural optimization of flexible mattress beach protection belts used in waterway regulation in the middle and lower reach of the Yangtze River［J］.Port＆ Waterway Engineering，2012(1):88-92.(in Chinese))

［6］DEPONTE S，MONTI R.Flow field around a circular obstacle emerging from an erosion scour hole［EB/OL］.http:∥www.amazon.cn/Levy-Flights-and-Related-Topics-in-Physics-Proceedings-of-the-International-Workshop-Held-at-Nice-France-27-30-June-1994/dp/3540592229.

［7］HILL D F，YOUNKIN B D.PIV measurements of flow in and around scour holes［J］.Experiments in Fluids，2006，41(2):295-307.

［8］劉懷漢，曹民雄，潘美元，等.魚骨壩工程水流結(jié)構(gòu)與水毀機理研究［J］.水運工程，2011(1):192-197.(LIU Huai-han，CAO Min-xiong，PAN Mei-yuan，et al.On flow structure and flood damage of fish-bone type dividing dike［J］.Port＆ Waterway Engineering，2011(1):192-197.(in Chinese))

［9］張新周，竇希萍，王向明，等.感潮河段丁壩局部沖刷三維數(shù)值模擬［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2012(2):222-228.(ZHANG Xin-zhou，DOU Xi-ping，WANG Xiang-ming，et al.3D numerical modeling of local scour processes around spur dikes in tidal rivers［J］.Advances in Water Science，2012(2):222-228.(in Chinese))

［10］鄭英.東流水道沖刷坑系列正態(tài)模型研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010(7):1802-1803.(ZHENG Ying.The research of Dongliu waterway series normality model scour hole［J］.Science Technology and Engineering，2010(7):1802-1803.(in Chinese))

［11］曹民雄，李青云，蔡國正，等.長江口岸直水道鰻魚沙心灘頭部守護(hù)工程局部沖刷水槽概化試驗研究-Ⅱ:局部沖刷試驗研究［J］.水運工程，2011(8):73-79.(CAO Min-xiong，LI Qing-yun，CAI Guo-zheng，et al.On local scour deformation flume generalized experiment of Manyusha shoal head protection engineering in straight reach of Yangtze estuary:Ⅱ.On local scour［J］.Port＆ Waterway Engineering，2011(8):73-79.(in Chinese))

［12］賈曉，伍文俊，吳華林，等.長江中下游洲灘守護(hù)工程概化模型試驗研究［J］.水運工程，2012(2):123-127.(JIA Xiao，WU Wen-jun，WU Hua-lin，et al.Experimental research on generalized model of river beach protection engineering in middle and lower Yangtze River［J］.Port＆ Waterway Engineering，2012(2):123-127.(in Chinese))

［13］茅志昌，郭建強.長江口南支新瀏河沙的演變過程［J］.泥沙研究，2009(1):33-38.(MAO Zhi-chang，GUO Jian-qiang.Evolution of Xinliuhe sand shoal in the south branch of the Changjiang Estuary［J］.Journal of Sediment Research，2009(1):33-38.(in Chinese))

［14］應(yīng)強，曹民雄，邢素英.丁壩壩頭沖刷坑深度的研究［J］.南昌水專學(xué)報，1999(1):17-21.(YING Qiang，CAO Minxiong，XING Su-ying.A study on the local-scour holes at groin-nose［J］.Journal of Nanchang College of Water Conservancy and Hydroelectric Power，1999(1):17-21.(in Chinese))

［15］GHODSIAN M，VAGHEFI M.Experimental study on scour and flow field in a scour hole around a T-shape spur dike in a 90°bend［J］.International Journal of Sediment Research，2009(2):145-158.

［16］GHODSIAN M，F(xiàn)ARADONBEH A A.Scour hole characteristics below free overfall spillway［J］.International Journal of Sediment Research，2002(4):304-313.