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(yùn)輸部長(zhǎng)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(jì)，超過(guò)一半的涉水工程損毀是由局部沖刷引起的［1］.近年來(lái)，在長(zhǎng)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(diǎn).目前，較為常見(jiàn)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(chǎng)的復(fù)雜性，軟體排周邊河床演變過(guò)程較難分析.現(xiàn)有的研究手段主要有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)學(xué)模型和局部物理模型試驗(yàn).3種方法各有側(cè)重，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)即采用走航觀測(cè)特定斷面或者采用多波數(shù)地形儀監(jiān)測(cè)局部地形變化，最能反應(yīng)實(shí)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(duì)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(wèn)題，故一般僅用于計(jì)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(jiàn)、也是最為工程設(shè)計(jì)人員所接受的研究手段，主要有系列模型試驗(yàn)方法［10－11］及局部正態(tài)模型試驗(yàn)［12］兩種.但物理模型試驗(yàn)往往服務(wù)于設(shè)計(jì)需要，試驗(yàn)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(yàn)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(zhǎng)江口河段部分軟體排相關(guān)工程實(shí)施后的地形監(jiān)測(cè)資料，嘗試以軟體排外緣局部沖刷產(chǎn)生的機(jī)理為切入點(diǎn)，分析軟體排工程實(shí)施后周邊河床的沖刷形態(tài)及沖刷演變特點(diǎn).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(yú)骨壩)引起的流場(chǎng)改變，會(huì)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(diǎn)分析不同原因造成的沖刷坑的幾何形態(tài)及演變特點(diǎn)，因受限于篇幅，對(duì)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(lái)自于相關(guān)工程科研報(bào)告和實(shí)測(cè)資料.本文旨在通過(guò)資料的積累與分析，為后續(xù)針對(duì)該問(wèn)題的研究奠定基礎(chǔ).

1 護(hù)灘軟體排外緣的沖刷槽

在長(zhǎng)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(duì)被動(dòng)的護(hù)灘方式，不通過(guò)調(diào)整工程周圍的流場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)對(duì)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(zhǎng)江口南北港分流口、青草沙水庫(kù)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(shí)施，在護(hù)灘的同時(shí)限制支汊發(fā)展.工程位置及周邊河勢(shì)見(jiàn)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(qiáng)，洪季大潮落潮時(shí)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(lái)，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(guò)大，加寬了軟體排的守護(hù)范圍.沖刷強(qiáng)烈的部位主要分為2個(gè)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(jiàn)圖2.

圖1 新瀏河沙周邊河勢(shì)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(jiàn)，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(lái)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(shì)見(jiàn)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(gè)斷面呈均勻侵蝕趨勢(shì)，且軟體排外緣沖刷侵蝕的區(qū)段較長(zhǎng)、持續(xù)時(shí)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(shì)見(jiàn)圖3(b).

新瀏河沙護(hù)灘工程軟體排外緣沖刷幅度過(guò)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(dòng)強(qiáng)度增加外，另外一個(gè)原因是上游河勢(shì)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劇［13］.

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(guò)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(dòng)性”的工程措施，如丁壩、魚(yú)骨壩等，形成護(hù)灘帶(護(hù)底帶).此類工程最大的優(yōu)點(diǎn)為既有壩體工程主動(dòng)調(diào)整流場(chǎng)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(wú)軟體排護(hù)底情況下的局部沖刷問(wèn)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(lái)長(zhǎng)江口河段實(shí)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(zhǎng)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(shí)刻呈淹沒(méi)狀態(tài)時(shí)，表層水流過(guò)壩頂后形成跌水沖向?yàn)w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(dòng)不強(qiáng)烈，基本不會(huì)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(wú)富余，則水流會(huì)直接沖擊灘體，在短時(shí)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(jiàn)圖4.

圖4 南沙頭限流潛堤典型斷面發(fā)展過(guò)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(gè)階段，自2007年7月軟體排實(shí)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(shí)限流潛堤上下僅呈現(xiàn)輕微沖刷或淤積(幅度不超過(guò)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(guò)6～8個(gè)月的時(shí)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(shí)際工程中，某些工程(尤其是分流魚(yú)嘴壩或者護(hù)灘突堤)經(jīng)常與主流存在一定夾角，此時(shí)繞流和跌流均對(duì)沖刷坑的發(fā)展產(chǎn)生影響.尤其長(zhǎng)江口外存在旋轉(zhuǎn)潮，長(zhǎng)江口部分分流魚(yú)嘴壩南北側(cè)漲落潮時(shí)刻并不一致，導(dǎo)致魚(yú)嘴壩上越堤流和繞流同時(shí)存在.長(zhǎng)江口南北槽分流魚(yú)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(cè)量的局部地形圖見(jiàn)圖5.

圖5 南北槽分流魚(yú)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(yǔ)

以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，沖刷坑產(chǎn)生原因?yàn)榍腥朦c(diǎn)，分析了實(shí)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(guò)程.主要通過(guò)實(shí)測(cè)資料的積累為后續(xù)針對(duì)該問(wèn)題的研究奠定初步基礎(chǔ)，對(duì)沖刷坑具體形態(tài)參數(shù)及沖刷發(fā)育機(jī)理，本文未能展開(kāi)詳細(xì)論述，有待于今后試驗(yàn)資料及實(shí)測(cè)資料更詳細(xì)時(shí)再作深入研究.

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