(上海市水利工程設計研究院有限公司 上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海 200061)

南匯東灘位于長江口和杭州灣兩股水流的交匯地帶，因長江口攔門沙高含沙量區(qū)域和漲落潮優(yōu)勢沙組成了平面輸沙系統，該區(qū)域為不斷淤漲的岸段，灘涂資源豐富，一直是長江口灘涂資源開發(fā)利用與保護的重點區(qū)域。自20世紀90年代開始，在0 m等深線以上通過先促淤后圈圍吹填成陸[1]，相繼為浦東國際機場、臨港新城等提供了大量建設用地和農用地。

浦東機場外側區(qū)域至南匯匯角-2～-3 m線以上總面積約200 km2。新一輪的灘涂資源開發(fā)利用與保護采用先實施促淤后擇機圈圍整治[2]，不僅可有效降低后期圈圍實施風險和成本，而且也是控制河勢穩(wěn)定、保護生態(tài)環(huán)境等的重要技術措施。目前，許多研究人員研究了波流作用對泥沙淤積的影響，提出了較為實用的淤積效果預報計算方法[3-5]，以及為抵御波流作用設置不同型式的促淤堤結構[6-7]。而對于大規(guī)模的低灘促淤工程，如何節(jié)約成本獲得較好促淤效果，同時更好地發(fā)揮河勢控制的先導作用，在以往促淤總體方案中系統性的研究較少。

本文針對該區(qū)域不同促淤區(qū)地形與水沙特性不同的特點，從技術經濟角度分析了促淤堤與后期圈圍堤的關系、促淤區(qū)分隔布置以及促淤分期實施方案，并對沒冒沙水域復雜流場作用下的促淤堤的實施順序進行了研究，提出了對周邊影響較小又能取得較好促淤效果的實施方案，為類似工程提供參考。

1 工程概況及地形、水沙特征

1.1 促淤區(qū)概況

促淤區(qū)自浦東機場外側至匯角的順岸線長度約42 km，中間由薛家泓泵閘、大治河東閘排水通道分隔，形成3塊自然促淤分區(qū)。浦東機場外側促淤區(qū)、大治河以北促淤區(qū)和大治河以南促淤區(qū)，面積分別為14，60.7 km2和88 km2，見圖1。順堤離岸距離由北至南為500～8 800 m，其走向與南槽水道主流向基本平行，從浦東機場外側沿-1～-2 m等深淺布置，逐漸過渡至沒冒沙外側-2 m線，至東南轉角的-3m線處與正東方向的南堤以大圓弧連接，南堤以南為自然生態(tài)培育區(qū)。

注：① 浦東機場外側促淤區(qū)(14 km2);② 大治河以北促淤區(qū)(60.7 km2)；③ 大治河以南促淤區(qū)一期(44 km2)；④ 大治河以南促淤區(qū)二期(44 km2)。圖1 長江口南匯東灘促淤工程布置示意Fig.1 Layout of the reclaiming project in Nanhui east shore of the Yangtze River estuary

1.2 地形特征

大治河以北至浦東機場外側為沒冒沙區(qū)域，地形特征為兩灘夾一槽，近岸灘地高程自北向南為1.5～0.0 m，沒冒沙沙脊高程0 m左右，寬度約300 m，沙體距河岸距離為1 000～4 000 m，內側溝槽上窄下寬，深3.5～4 m，最深段位于浦東機場外側，寬度300～550 m。實測資料反映沒冒沙自形成以來沙頭部位沖刷下移，但其移動距離不大，沙尾部分則不斷淤積延伸，沙尾-2m高程沙體逐漸與下游處于淤漲狀態(tài)的邊灘連成一體。沒冒沙外側灘坡由北至南逐漸變緩，由1%過渡至5‰。

大治河以南促淤區(qū)水下地形為單一斜坡，近岸灘地高程0～-0.5 m，灘坡坡度5‰～1‰，較為平緩。

1.3 水沙特征

工程區(qū)水文監(jiān)測資料反映，大治河以北為往復流，大治河以南至南匯嘴區(qū)域水流為旋轉流，見圖2。工程區(qū)外側附近大潮汛最大流速1.0～2.3 m/s，小潮汛最大流速0.5～1.4 m/s；大潮漲落潮平均含沙量0.7～2.9 kg/m3，小潮漲落潮平均含沙量0.1～0.74 kg/m3，下層水體含沙量大于上層；懸沙中值粒徑0.005～0.035 mm。促淤區(qū)床沙中值粒徑0.0086～0.1049 mm。監(jiān)測資料進一步說明南匯東灘區(qū)域在0 m線實施大規(guī)模促淤圈圍工程以后，因地處河口攔門沙區(qū)域，水體含沙量依舊普遍較高，泥沙輸移方式仍有利于潮灘淤漲[8]。

2 促淤工程總體方案研究

2.1 促淤東堤與圈圍堤的關系

促淤順堤具有河勢控制的先導作用，其布置與河勢、灘勢的演變趨勢，及與后續(xù)圍堤的關系是研究的重點。沒冒沙水域地理位置特殊，浦東機場外側促淤區(qū)緊臨南槽上段，沒冒沙內側溝槽受漲落潮流影響沖深1～2 m，外側-5 m等高線距離促淤堤僅200 m，灘坡陡。該段河勢演變顯示-5～-8 m高程有向下游發(fā)展趨勢。而浦東機場外側新建圍堤的高程與第五跑道末端的距離須滿足飛機起飛和降落的安全要求，圍堤沒有內移建設的條件。

以往0 m等高線以上的中高灘區(qū)域因前沿水深淺、波要素相對小而堤身總體高度不高。常規(guī)先行實施的促淤堤與后期圈圍堤的關系有2種：① 是直接作為圍堤堤腳，如浦東機場早期圍堤；② 是作為圈圍堤的消浪潛堤及保灘結構，即圍堤堤腳距離促淤堤約半個波長，如臨港新城圍堤。

圖2 工程區(qū)附近南槽水域大潮流速矢量圖(2010年)Fig.2 Tidal current velocity vector near the engineering area in south water way( 2010)

河勢分析工程區(qū)外側的南槽上段受落潮主流偏南影響，在自然狀態(tài)下呈微沖刷態(tài)勢[9]，促淤堤直接作為整治堤防的堤腳已不具備條件，而作為堤防的消浪保灘結構，促淤堤軸線外移后灘地高程在-3 m左右，工程費用增加5 600元/m，以促淤區(qū)所在的沒冒沙沙脊長6 km計算，增加費用約3 360萬元，經濟性較差。研究后提出促淤堤作為堤防穩(wěn)定的鎮(zhèn)壓結構，堤線位于相對穩(wěn)定的沒冒沙灘地，同時加寬促淤堤外側的混凝土聯鎖排護底結構，兼作保灘結構方案最為經濟實用。

經計算滿足大堤穩(wěn)定的促淤堤距離堤防軸線約65 m，在促淤堤與大堤堤腳之間設充泥管袋加拋石形成低于促淤堤堤頂的鎮(zhèn)壓平臺，寬平臺可降低大堤的波浪爬高[10]。該平臺在200 a一遇高潮位與同頻率風組合設計標準時，可折減波浪爬高近1 m，節(jié)省圍堤工程費用約2.5萬元/m。該結構不僅具有穩(wěn)定和消浪作用，而且今后平臺段蘆葦等植物的生長，更有利于生態(tài)環(huán)境和植物消浪作用的發(fā)揮，實現促淤工程的多重功效。

2.2 促淤區(qū)分隔

該區(qū)域強風向東北風是造成岸灘沖刷的主要原因，促淤以設置順壩阻擋東北強風浪為優(yōu)[11]。低順壩(平均低潮位附近)進水、沙量大，促淤速度快，高順壩(平均高潮位附近再加半個波高)消浪性能好，低灘區(qū)通過設置納潮口(即低順壩)與高順壩的組合，達到促淤目的。通過水動力數學模型計算，若中間不設分隔堤，集中一處設寬納潮口門，促淤區(qū)內的新淤積土容易被風浪、潮流淘刷，影響促淤效果。若中間不設分隔堤，納潮口門沿堤線分散設置，受漲落潮流影響，上下游的納潮口門之間進出水量極不均衡，下游納潮口水流集中，流速大，易發(fā)生沖刷，而上游納潮口進潮量小，同樣不利于淤積。

從后期實施圈圍建設條件分析，單庫面積60.7 km2的龍口設置及合龍難度非常大，中間須設隔堤。考慮后期交通需要，可設2～3條隔堤，將促淤區(qū)分隔成3倉或4倉，促淤區(qū)內平均流速比不分隔方案降低約30%，高含沙量水體進入促淤區(qū)后呈環(huán)流狀，有利于泥沙落淤。采用竇國仁的泥沙啟動流速公式[12]，計算灘面泥沙的最小啟動流速為0.23 m/s，分隔后的促淤區(qū)基本可避免常見大風時風浪掀沙現象，分成4倉時風浪引起的底流速更小，與3倉方案相差10%左右，總體上，設2條隔堤與3條隔堤的淤積效果相差不大，而多建1條4.5 km長的隔堤投資至少增加1億元。大型促淤區(qū)分隔間距取約1.5倍隔堤長度較為經濟合理。

2.3 促淤分期

大治河以南促淤區(qū)灘坡極緩，-2～-3 m高程線促淤順堤離岸距離更遠，達6.6～8.8 km，灘地平均高程約-1.0 m，比北區(qū)低約1 m，但該區(qū)域因更靠近攔門沙區(qū)域，實測水體含沙量明顯比北區(qū)高，尤其是下層水體的含沙量更高，在同樣采用促淤分隔和納潮口布置的基礎上，是否需要采用分期促淤是該分區(qū)促淤方案研究的重點。

南匯東灘破波帶在-2.5 m等高線，促淤堤外邊線位于附近，從設置分隔堤攔截泥沙的功能上看，隔堤長度宜為0.4～0.6倍的水邊線至破波點的距離[13]。不分期促淤方案的隔堤長度接近于1倍距離，破波突然釋放的能量引起的掀沙水體，由于潮流輸沙的動力減弱，輸沙率和輸沙距離因流速降低而受影響[14]，致使泥沙淤積區(qū)主要集中在外側區(qū)域，對南區(qū)總淤積量有影響。水流數值模擬計算結果顯示：對于分期促淤方案，進入促淤區(qū)的納潮量和水體交換率均比一次促淤方案略大[15]。從風浪掀沙角度分析，分期促淤因在中間設置了縱向隔堤，風區(qū)長度減半，高、低潮位時大風引起的底部最大流速比一次促淤降低30%～50%。

以上分析說明分期促淤具有較好的淤積效果，估算6 a的總淤積量比一次促淤多約4 100萬m3，減少今后吹填費用約6億元，凈收益超過前期投入的1倍以上，而且獲得了寶貴的泥沙資源。

3 促淤堤實施順序研究

浦東機場外側促淤區(qū)為最先實施的促淤區(qū)，地理位置、地形、河勢灘勢以及流場較特殊，實施過程中，如果各促淤堤構筑進度不合理，會造成周邊流場發(fā)生較大變化，引起其他堤段嚴重沖刷。為此，采用二維潮流數學模型，研究各堤段的實施順序。

3.1 促淤區(qū)內部布置

浦東機場外側促淤區(qū)采用丁順壩布置，區(qū)內設置3條隔堤，各促淤分區(qū)面積分別為1.16 ，1.68，4.20，6.96 km2，每個分區(qū)在東堤各設1座納潮口，口寬分別為150，250，800，1 200m。工程平面布置見圖3。

促淤堤頂高程3.7 m，拋石堤頂高程2.5 m，護面結構為扭王塊體，護底為拋石加混凝土連鎖塊體結構。促淤堤典型結構斷面見圖4。

3.2 數學模型建立

采用丹麥水力學研究所(DHI)研發(fā)的二維潮流數學模型MIKE21 Flow Model(FM)模塊對促淤實施方式和實施順序進行模擬計算。分別建立大小兩套模型進行模擬，大模型為長江口杭州灣整體模型，模擬水域面積為41 000 km2，主要為小模型提供開邊界條件；小模型用于模擬工程方案。小模型計算范圍主要包括長江口南支及其口外海域，其上邊界至南支瀏河口，北至崇明東灘，南至南匯邊灘，基本以工程區(qū)域為中心，模型范圍內水域面積為5 907 km2。模型均采用無結構三角形網格，工程區(qū)域采用網格加密技術，單元格邊長由90 m逐漸過渡到15 m。

圖3 浦東國際機場外側促淤工程平面布置Fig.3 Layout of the reclaiming project outside Shanghai Pudong International Airport

圖4 促淤堤典型結構斷面Fig.4 Section diagram of typical structure of silt-promotion dike

大模型上游邊界由實測資料給出，為便于模型計算選取合適的邊界條件，且可利用大規(guī)模同步水文觀測資料對模型進行率定和驗證，計算水文條件經分析后選取該區(qū)域實測汛期最大潮差潮型，比10 a一遇最大潮差潮型更為不利。外海邊界潮位過程由全球潮汐預報模型提供。

3.3 實施方式研究

實施方式研究了按單頭推進和平鋪抬升2種方案，重點分析了促淤區(qū)內跨深槽堤段的實施順序。由于促淤工程岸線較長，結合施工強度和進度要求對實施過程進行概化，模擬典型實施進展狀態(tài)。

單頭推進方式3組方案研究結果表明：

(1) 自然灘面上直接先實施側堤、隔堤時，因北側堤和1、2號隔堤較短，堤頭流速增加不明顯，但在沒冒沙沙脊、南側堤和3號隔堤堤頭會產生較大流速區(qū)域，尤其在南側堤堤頭形成較大挑流區(qū)，會引起灘面較大幅度的沖刷。在隔堤、側堤與順堤交接處各實施200 m長的堤頭保護，即形成T形堤頭時，促淤區(qū)流速減小的范圍擴大。

(2) 南側堤和3號隔堤的深槽段暫緩實施時，漲潮流同樣對3號隔堤和南側堤深槽段堤頭流速增加均超過20%。

單頭推進方式容易引起促淤區(qū)灘面，尤其是沒冒沙的沖刷，應采用先護底后平鋪抬升的實施方式。平鋪抬升方式與4組方案研究結果表明：

(1) 下段深槽(即3號隔堤和南側堤的中段)保持自然灘面，其余堤段抬升至0 m高程。漲潮流在2號隔堤受阻，致使3號隔堤和南側堤深槽段的漲急流速增加分別超過20%和15%，落急流經2號隔堤后從深槽段下瀉，流速有所增加。

(2) 上段深槽(即2號隔堤的中段和b區(qū)順堤)保持自然灘面，其余堤段抬升至0 m高程。因實施了南側堤，工程區(qū)域的漲急流速增加區(qū)域不明顯，落潮時南側堤下側的沒冒沙沙脊流速增加。

(3) 深槽段(即2號，3號隔堤和南側堤的中段以及b區(qū)順堤)均保持自然灘面，其余壩段抬升至0 m高程。因深槽段暫不實施，無論漲落急流速均在深槽兩側伸出的堤頭附近有明顯增加，增加幅度超過20%。

(4) 隔堤(2號，3號)、南側堤及b圍區(qū)順堤保持自然灘面，順堤抬升至0 m高程。漲落急流速變化均很小，對工程區(qū)的流態(tài)幾乎沒有影響。

初步結論為：僅先實施順堤至0 m高程的方案明顯好于預留深槽段方案；對于深槽段，先封堵深槽下段方案明顯好于先封堵上段方案。

3.4 實施順序研究

促淤工程實施順序研究結果為：在全線鋪排護底，分堤段超前護底200～500 m不等的前提下，先平抬順堤拋石至一定高程后，逐步實施側堤、隔堤；南側堤先于其他側堤、隔堤實施，且始終保持南側堤的高程高于其他側隔堤，以達到南側堤的掩護作用。主要步驟控制如下。

(1) 步驟1。順堤拋石至0 m高程，南側堤深槽段拋石至-1 m高程，其余堤段暫保持護底狀態(tài)，見圖5。工程漲落急流速變化很小。

圖5 順堤抬升，南側堤深槽段填筑Fig.5 Uplifting along the dike, filling in the deep channel of the south dike

(2) 步驟2。南側堤逐步填筑至2.5 m高程時，其他隔堤與側堤同步開始填筑，同樣，先深槽段后整體填筑至2.5 m高程，側隔堤的堤頭兩側各200 m范圍呈T形或L形保護，并與順堤0 m高程段按斜坡相接，見圖6。此階段，隨著側堤、隔堤的實施，漲落潮流場開始受到影響，尤其是南側堤的漲急流速在轉角處增加明顯，形成較大挑流區(qū)，南側堤轉角的拋石護底同步實施。

圖6 隔堤與側堤填筑至2.5m，完成堤頭保護Fig.6 Filling of separation dike and side dike to 2.5m,completing protection of dike T-head

(3) 步驟3。順堤填筑抬升，納潮口兩側各500 m范圍填筑至1.0 m高程，納潮口段填筑至0 m高程，各分區(qū)順堤與納潮口形成2.5 m-1.0 m-0 m的臺階，見圖7。此階段確保納潮口及其兩側作為水流通道，避免出現局部豁口和造成不必要沖刷，此階段流速增加區(qū)仍為南側堤挑流區(qū)。

(4) 步驟4。順堤繼續(xù)保持向納潮口方向逐步填筑至2.5 m高程，納潮口兩側1.0 m高程的范圍繼續(xù)呈臺階縮短，納潮口門維持0 m高程，南側堤開始安裝扭王塊體。此階段各個分區(qū)基本初現規(guī)模，納潮口逐步形成，漲急流速增加區(qū)在納潮口段和南側堤轉角段。

此后，隨著拋石堤護面人工塊體安放和促淤堤設計斷面的完成，整體表現為納潮口門和南側堤堤頭的漲急流速增加，落急流速變化不明顯，各分區(qū)內漲落急流速均大幅降低，形成有利于泥沙落淤的環(huán)境。

圖7 順堤向納潮口方向呈臺階狀推進Fig.7 Stepwise advance along the training dike towards the tidal inlet

4 實施效果與分析

促淤工程實施前后對促淤區(qū)內外地形、水文進行了監(jiān)測，實施效果如下。

(1) 先期實施的浦東機場外側促淤工程為其以南的東灘區(qū)在河勢導向上奠定了基礎，沒冒沙內側-2 m高程以深的溝槽寬度由原800～1 500 m逐漸縮窄至0～500 m，原-3 m高程以下的溝槽已回淤至-2.0 m高程及以上，其中靠近南側堤以南的促淤區(qū)已回淤至0～-1.0 m高程，為后續(xù)實施的大治河以北促淤區(qū)的促淤分隔堤創(chuàng)造了有利條件。

上述地形變化主要為南側堤的先期實施很大程度上削弱了原沒冒沙內側漲潮溝的過流能力，同時形成了回流區(qū)，使泥沙大量在此淤積。

(2) 工程后促淤區(qū)內流速降幅明顯，且由工程前的漲落潮流速接近轉變?yōu)楣こ毯鬂q潮流占優(yōu)。促淤區(qū)內漲潮含沙量以增加為主，落潮含沙量以降低為主，且由工程前的漲落潮含沙量接近轉變?yōu)楣こ毯鬂q潮含沙量占優(yōu)，說明泥沙在促淤區(qū)內得以落淤。

(3) 浦東機場外側促淤區(qū)促淤過程中未發(fā)生異常的沖刷，沒冒沙內側溝槽回淤加快。按多年回淤強度經驗公式計算，開工至竣工后1 a內3a～3d圍區(qū)的淤積平均厚度分別為0.7，1.05，1.38 m和1.55 m。從各分區(qū)實測淤積效果來看(見表1)，施工期已取得了較好的促淤效果。

浦東機場外側促淤取得較好效果的主要原因為：

(1) 開工后6個月內完成了南側堤，下游先封堵了深槽，提前發(fā)揮了促淤功能。

(2) 分隔堤提早完成，有效降低了促淤區(qū)流速和波浪掀沙的風險。

(3) 工程后溝槽段因水體流速降低明顯，泥沙沉降率增大，回淤強度更高。泥沙淤積經驗公式反映的是回淤強度與平均水深的關系，未考慮本工程“兩灘夾一槽”區(qū)域流速變化的特殊情況。因此，實際泥沙淤積情況好于計算和分析結果。

表1 促淤區(qū)內淤積量統計Tab.1 Statistics of the amount of sediment in the deposition area m

(4) 跨越沒冒沙的南側堤在形成初期，其內側淤積明顯，但其外側因沒冒沙溝槽漲潮流受阻，南側堤外側的沙脊形成漫灘流，至東南轉角的堤頭匯成繞堤流，實測最大流速2.5 m/s，略低于計算水文條件下的最大流速2.9 m/s，其主要原因為實施期間未遭遇計算水文條件。堤頭沖刷深度為0.5～1.4 m，溝槽沖刷寬度逐漸變寬，待達到寬度80 m時趨于穩(wěn)定態(tài)勢，加寬的混凝土連鎖塊排體護底措施確保了堤頭的安全?？⒐r實測南側堤外側灘地已回淤0.5～1.0 m。

(5) 大治河以北促淤區(qū)受浦東機場外側促淤工程實施的影響，實施前灘面平均淤積厚度約1 m，實施3 a后平均淤積厚度1.76 m，與計算各分區(qū)的平均淤積厚度在1.5～2.0 m之間較為一致。

(6) 大治河以南促淤一期實施3 a后平均淤積厚度2.38 m，略高于計算各分區(qū)平均淤積厚度1.8～2.0 m，主要原因為南區(qū)水體含沙量比北區(qū)略高，采用分期促淤方案后，進入促淤區(qū)的輸沙率和輸沙距離更為科學合理。同時外側促淤二期區(qū)域在促淤一期淤積厚度0.79 m的基礎上，實施促淤15個月后平均淤積厚度1.05 m，與計算平均淤積厚度在0.9～1.0 m之間較為接近。

5 結 論

本文以長江口南匯邊灘大型低灘促淤工程為例，采用河勢演變分析和潮流數學模型，從技術經濟角度對不同水沙特性促淤區(qū)，有針對性地研究了各分區(qū)促淤方案，主要結論如下。

(1) 先期實施促淤堤具有河勢控制先導作用，低灘區(qū)促淤堤結合后期大堤穩(wěn)定設置，既作穩(wěn)定壓載又作保灘結構，具有較好的經濟性和生態(tài)性。

(2) 結合后期圈圍合龍需要，大型低灘促淤區(qū)設置分隔堤和納潮口，可降低大風區(qū)風浪掀沙影響，形成潮流輸沙入庫環(huán)流環(huán)境，有利于促淤區(qū)泥沙的落淤。分隔間距取約1.5倍隔堤長度較為經濟合理。

(3) 順堤離岸較遠的促淤區(qū)，通過分期促淤可增加納潮量和促淤區(qū)的水體交換率，增加總淤積量。

(4) 在外沙內泓促淤區(qū)，采用先順堤淺部筑堤，再進行側隔堤與“T”字型保護，下游深槽段側隔堤始終優(yōu)先于上游實施，然后順堤全面抬升，最后以臺階狀構筑堤身逐步形成納潮口的促淤堤實施順序經實踐證明，對工程區(qū)及周邊河勢影響較小，且實施期間獲得較理想的淤積效果。