强潮河口治河围涂工程促淤方法探讨——(熊绍隆,潘存鸿,曾剑,陈武)

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潮河口治河围涂工程促淤方法探讨——水利论文-H(g4k$f|[
以钱塘江河口尖山一期促淤围涂工程为例

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熊绍隆潘存鸿,曾 剑,陈 武
Vg Rf%Tf)c5XG!E0(浙江省水利水电河口海岸研究设计院)

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摘要:首先简单介绍了潮汐河口治河围涂工程一般促淤方法及其研究手段,接着阐述了泥沙淤积模型试验在促淤工程科研中的应用,随后结合围涂工程实践探讨了回流促淤机理,比较了不同工程布置方案的回流特征与淤积效果,提出了一般情况下较为合理的促淤围涂工程布置方法。水利论文"ZSv;gtG C

关键词:围涂工程;促淤方法;回流水利论文?3h!?-\ b,L!v

作者简介:熊绍隆(1942-),男,浙江省水利水电河口海岸研究设计院教授级高工。

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1 问题的提出

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汐河口多较宽浅,涨、落潮主流流路常不一致,主槽因此时有摆动。为稳定河势,常因地制宜,及时围涂已淤成的高滩,如珠江口、钱塘江河口。近年来,为改善航运条件,满足综合治理的需要,有些河口段如钱塘江河口尖山河湾、长江口等不得不主动出击,于低滩甚至近深槽段围涂。这就要求有合适的工程布置方案,使拟围低滩甚至近深槽能迅速淤涨,成为宝贵的土地资源,因此有促淤方法的研究。

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2 潮汐河口围涂工程一般促淤方法及其研究手段水利论文;s@(a2d7Nq*d'V'M(oG

对于河口整治的低滩围涂工程布置,可分为丁坝与顺坝型两大类。前者先在拟围区上游或下游或上下游同时出击抛筑丁坝,然后沿两丁坝前沿连线筑顺坝闭气围涂;后者于上游向下游抛筑与岸线斜交顺坝或从下游向上游抛筑与岸线斜交顺坝至拟围外侧新岸线,再沿新岸线筑顺坝,最后于下游或上游闭气围涂;两者均主要借助回流促使坝田淤积。回流淤积常始于回流中心,逐步向周围扩展。为使河口促淤围涂工程布置合理,对于不大的项目,常通过水流数模与定床实体模型试验探讨不同方案回流的范围、坝田流场的变化,然后借助抛坝前后水深与单宽流量关系的半经验公式粗略估算淤积范围及其厚度。然而潮汐河口回流中心与强度随时变化,特别是强潮河口变化更为显著,致使前一时段的回流淤积易在后一时段回流强度增大时被水流带走。数模与实体定床模型均不能反映围涂过程中河床的冲淤变化,当回流强度较大时,由坝田平均流速的变化推求淤积量分布有时会得出与实际相反的结论。对促淤工程,动床数模目前还未达到实际应用的阶段,而泥沙淤积模型试验能清楚地显示回流的变化及其引起的淤积和可能产生的冲刷,从而可根据不同的径流与潮汐情况选择适当的工程措施达到最佳促淤效果。

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3 钱塘江河口尖山一期促淤围涂工程泥沙淤积模型试验简介[1]水利论文0r J-Ez:t v!Qx6Nv~

该模型试验可清楚地反映不同工程布置方案下的回流特征和淤积效果,其设计与验证如下。水利论文CUs;e6Ij8e

3.1 模型试验的目的与任务水利论文1h},V l A.n?

钱塘江海宁八堡至澉浦习称尖山河湾。八堡以下,江道骤然开阔(八堡宽3km,至澉浦宽达20km,参见图1),水浅潮强,涌潮汹涌,流路分歧。大潮枯水季节,该河段大量泥沙被带向盐官以上河段淤积,梅汛期,盐官以上淤沙又被冲向尖山河湾,使得尖山河湾不仅具有大冲大淤特性,而且主槽横向摆动剧烈频繁。钱塘江河口尖山河段大潮期平均含沙量达3~5kg/m3,底沙与悬沙粒径差异不大,多由海域带来,河口河床变化主要取决于悬移质的运动。尖山河湾悬沙粒径范围为0.015~0.045mm,中值粒径0.028mm,均为分选优良的细粉沙,较少粘性颗粒,抗冲能力弱,能起动一般便可悬扬。水利论文E&JB:e+H;pC D

1 尖山围涂工程规模及模型测点布置图
D)@+y.G Y7h8Z0B$g k|0Fig.1 Reclamation project in Jianshan Bend and layout of model for Qiantang Estuary

在长期系统的科学研究与工程实践基础上,钱塘江河口采取了自上而下、全线缩窄的综合治理方针,初步规划尖山河湾南岸还将围涂约27万亩、北岸围涂9万亩。为此,海宁市抓住1996年~1997年北岸尖山一线边滩淤涨的有利时机,开展大规模的治河围涂,泥沙模型试验旨在提出合理的北岸治河促淤围涂工程布置方案。水利论文t5E$DvEb7u"\

3.2 模型设计与验证

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3.2.1 模型设计 模型以盐官与秦山为其上、下游边界,平面比尺λl=700,铅直比尺λh=70。

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  由平面二维非恒定流运动方程与连续方程(略),根据相似现象各物理量组成的无量纲综合体(相似准则)为常数原理,易得到模型与原型水流相似的重力、阻力、水流连续等比尺关系式。鉴于钱塘江河口河床变形主要取决于悬移质的运动,且底沙与悬沙粒径差异不大,因此按悬移质模型设计。根据潮汐河口一维(或二维)不平衡输沙方程与河床变形方程,易得到泥沙运动的悬移、挟沙与河床变形相似条件。表1列出了主要相似比尺的理论值与实际值。水利论文 e$p8xr4j)Nc

1 模型相似准则的理论值与实际采用值水利论文6`k1[fX F

Table 1 Calculated and adopted model scales

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相似准则计算式理论值实际采用值

平面比尺λl700
铅直比尺λh70
流速比尺λuvh1/28.378.37
水流连续时间比尺λt1lu83.6783.67
沉降速度比尺λωhlλu0.8370.705
起动流速比尺λvcu8.379.12
糙率系数比尺λnbh2/3l1/20.643定床0.67
动床0.55
含沙量比尺潮汐河口模型:水利论文6s^t`fq(wfa
由冲淤验证确定
0.091*0.25
河床变形水利论文9Q&O&x)F*MUv%t
时间比尺
λt2ρ′sλt11672608

  注“*”:由河流模型的比尺关系:λSS*ρs(ρs-ρ)计算。

试验主要研究不同抛坝方案的促淤效果,考虑到尖山河湾所具有的大冲大淤特性,因此,按悬移与起动相似要求进行模型沙选择。尖山河湾悬沙中值粒径0.028mm,级配较为均匀,涨、落急沙样平均沉降速度ωP=0.137cm/s,起动流速Vcp=0.64~0.72m/s(相应水深3~6m)。为同时兼顾悬移与起动相似,选d50=0.25mm的苯乙烯二乙烯苯共聚珠体(习称塑料沙)作模型沙,ωm=0.19cm/s,Vcm=6cm/s(水深4~9cm,相应原型3~6m)。因此,λω=0.721,λvc=10.67~12,前者略小于理论值,说明模型沙沉速略偏大;后者稍大于理论值,表征模型沙可动性稍大;相对易沉、易动,就冲淤综合效果而言,两者不大的误差会有所抵消。水利论文|+C4k3Q4sv

3.2.2 模型制作 模型采用具有大范围同步实测水文资料的近年水下地形制作,尖山围涂规模与模型测点布置如图1。

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3.2.3 模型验证 模型进行了潮位、流速、含沙量与河床冲淤验证,6个连续潮24个高、低潮位与12个潮差,原、模型误差绝大部分在10*!cm以内。半潮平均与最大流速验证结果,相对误差(Vm-Vp)/Vp×100%超过20%者,占实测24组的13%;各站涨、落急流向误差均在5度以内。水利论文[#j[BE_"O

2 (a) 南股槽实测冲淤平面分布图水利论文}!TP!}(Ph {
Fig.2(a) Scouring and silting distribution in
水利论文7} z-v Q8SS2ON? V0e
Southern Channel
2(b) 南股槽验证冲淤平面分布图水利论文Y+P9d#LNmX
Fig.2(b) Scouring and silting distribution in model

含沙量与河床冲淤验证主要为方案试验确定含沙量比尺λS与河床变形时间比尺λt2。对于泥沙粒径变化不大的同一河段,在模型沙种类及其粒径选定后,不同的研究区域,λS和λt2不会有大的差异,为此,采用1996年完成的尖山河湾南股槽动床模型试验的验证结果,即λS=0.25,λt2=608[2]。验证试验中,含沙量按各潮次半潮平均值控制,涨潮下游加沙,落潮上游加沙,模拟时间为三个月。验证结果表明南股槽各分段的相对误差在3%~19%之间,全河段的相对误差小于10%,各实测断面深泓冲淤厚度误差小于1m,冲淤平面分布验证如图2所示,上述数字与图2表明河床变形验证精度亦较高。水利论文C&ea.b ],N#e+@[

4 潮汐河口治河围涂工程促淤机理探讨

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刘清泉对单向恒定流盲肠河段回流淤积进行过系统的研究,并导得盲肠区泥沙淤积率的计算公式[3]。一般说来,回流区具有累计淤积特点,且由于回流内径向环流的作用,河床并非均匀抬升,而是回流中心淤涨速度大于回流四周淤涨速度;淤积量随主流含沙量增大而增大,当主流流速适度时淤积量还随主流流速增大而增大,但当主流流速大到一定程度,则淤积量反随其增大而减小。

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潮汐河口为典型的非恒定往复流,潮流随时间的变化远较径流迅速,回流也随时间不断变化,但上述盲肠回流淤积特点仍然存在,且因回流的随时变化还具有:淤积量随回流范围增大而增大,在一定的回流强度内,还随回流强度增大而增大,超过某一强度,则反随其增大而减小。水利论文x@c-SVZr

  涨、落潮的冲淤特征也有显著差异。涨潮伊始,水位最低,随后,水深渐增,流速迅速加大,此水浅流急之势极易使底沙掀起、悬浮,并因水深继续增加而运移较长距离,在适当的工程措施下,将随涨潮回流首先落淤至其中心附近;由于回流位置与范围随时变化,当其不是过于强劲,逐渐变动的回流中心便会迅速淤高,并向其周边发展。落潮经高平开始,含沙量较小,此后流速渐大,水位渐低,但水深仍较涨急前为大,因而落急较之涨急,泥沙稍难于起动;此后水深继续减小使水流在铅直方向的回旋余地越来越小,加之强潮河口涨潮流一般明显较落潮流强劲,因此,强潮河口落潮回流(如丁坝下游)一般均明显小于涨潮回流(该丁坝上游)。
3 顺坝方案涨落急回流示意图
}6WhF"d|0Fig.3 Backflow during rapid flow of flood and ebb for longitudinal dam

综上所述,当涨、落潮流强度相当时,涨潮流淤积效果一般均强于落潮流。不仅如此,若抛坝措施不当如单丁坝方案,坝上游涨潮淤沙还会在落潮中后期因水浅流急而被带走。

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5 不同工程布置方案的回流特征与促淤效果

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3~6分别为顺坝(小尖山3.5km)、单丁坝(鼠尾山1.6km)、顺丁坝(小尖山1.5km顺坝与鼠尾山1.6km丁坝组合)、双丁坝(大尖山1.1km丁坝与鼠尾山1.6km丁坝组合)四组不同工程布置方案下涨、落急回流示意图,图7~9则为顺坝、单丁坝与顺丁坝方案半年后的淤积面貌。水利论文g2xkq`X7G7P[z

4 单丁坝方案涨落急回流示意图水利论文#d4kz7P8Xtu
Fig.4 Backflow during rapid flow of flood and ebb for single spur dike
5 顺丁坝方案涨落急回流示意图水利论文 Y7Yc(ar vVjx"{`
Fig.5 Backflow during rapid flow of flood and ebb for logitudinal and spur dams
6 双丁坝方案涨落急回流示意图
7N p&js~Bf4|3H0Fig.6 Backflow during rapid flow of flood and ebb for two longitudinal dams
7 顺坝方案淤积面貌示意图水利论文Pk#[l0fKY S&A2g;I
Fig.7 Siltation features for longitudinal dam scheme
8 单丁坝方案淤积面貌示意图水利论文3@5w1CO f!d|.C
Fig.8 Siltation features for single dam scheme
9 顺丁坝方案淤积面貌示意图
js Q`wO(`dE$M0Fig.9 Siltation features for longitudinal and spur dams scheme

由图可知,各种工程措施引起的回流范围,涨潮均明显大于落潮,原因前已叙述。试验表明,各抛坝方案坝囊淤积泥沙基本上由涨潮流带来,主要因回流淤积。自小尖山向下游抛筑顺坝可使坝囊及其下游回流范围广,而强度适中,利于泥沙落淤,且其形如口袋,泥沙易进难出;落潮流随顺坝下泄时有所外逼,使涨潮淤积泥沙很少在落潮中、后期因水浅流急而被带走;致其促淤效果最佳。若鼠尾山同时辅以丁坝即顺丁坝方案,则涨潮时将在顺、丁坝间产生上、下各一逆、顺时针回流,从而回流范围减小,但却特别强劲,使泥沙落淤困难,促淤效果较差。鼠尾山单丁坝虽使坝上游涨潮回流范围扩大,但因强度偏大,前一时段的回流淤沙易在下一时段回流中心变动时被部分冲走,尤其落潮中、后期,大量涨潮淤沙因水浅流急而被冲往下游,其淤积效果在此三类方案中居中。此外,间距小于顺丁坝的双丁坝方案将会在涨潮时于双丁坝间及大尖山丁坝上游各产生一顺时针回流,双丁坝间回流强度较单丁坝还大,致其促淤效果也不佳。试验表明,半年后顺坝、单丁坝与顺丁坝方案小尖山至鼠尾山拟围水域将分别产生2.9m、1.1m与0.8m的平均淤积(参见表2)。顺坝方案的淤积总量较试验时段天然情况拟围水域总沙量还多20%左右,表明顺坝方案还能借助回流带入部分主流区泥沙。考虑到1996年钱塘江径流偏枯,尖山一线于该年冬至次年春淤涨大片边滩(平均高程近3.0m),实际平均淤积高程将至少较图7增加0.6m以上。故文献[1]得到如下结论:“综合试验结果,考虑新近淤涨形势,当小尖山顺坝抛至鼠尾山断面,预计除坝头内侧等局部水域因回流带走部分淤沙使淤积高程稍低外,其余坝田内大部分水域半年淤积期均可达5.0~5.5m高程。”水利论文DXL2ZDo7y&q

2 各抛坝方案淤积效果比较(小尖山~鼠尾山段)水利论文`#`5d@}7L3n'bZI_-~d

Table 2 Comparison of silting effect for variable schemes

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鼠尾山与小尖山双坝鼠尾山丁坝小尖山顺坝

淤积量(106m3)平均淤厚(m)淤积量(106m3)平均淤厚(m)淤积量(106m3)平均淤厚(m)
5.660.777.701.0523.822.92

海宁市抓住了上述有利时机,于1997年4月开始实施尖山北岸治河围涂工程,初拟从鼠尾山抛筑丁坝并完成鼠尾山四通一平工程,后根据试验结果,及时改为从小尖山抛筑顺坝,顺坝下游随即迅速淤涨,至1997年底完成长2.3km抛石顺坝。结果,顺坝下游淤积最高,范围也最广,其次是鼠尾山上游;从顺坝坝头沿内侧有长约300~400m冲沟,这一切以及淤积高程均与试验结果极为相似。但与试验也有如下差异,回流范围小于模型试验,这是因为模型中3.5km试验坝系两次放置(一次2km相应于原型试验3个月,然后加长1.5km,再试验3个月),而实际抛坝是逐渐实施。水利论文d]7fs[1oQ}:sX W

正是在上述试验的指导下,海宁市于1998年汛前与1999年先后成功围涂1.1万亩与0.9万亩,不仅取得了巨大的社会效益与经济效益,而且为尖山河湾的综合治理创造了极为有利的条件。

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从上述试验结果及钱塘江河口大量丁坝护岸工程实践可以看出,潮汐河口尤其是强潮河口低滩围涂工程,丁坝以及丁坝群(即上、下游丁坝组合)的促淤效果往往较差,这是因为单丁坝上游的部分涨潮淤沙会在落潮中后期因水浅流急而被冲往下游,加上长丁坝产生的回流往往强度偏大,前一时段的回流淤沙,在回流中心变动时部分会被冲走。顺、丁坝组合方案当丁坝较长时易在两坝间产生上、下各一反向回流,使回流范围减小,而强度却明显增大,从而泥沙落淤困难。水利论文(w*[3B-|j

自上而下(当泥沙主要来自海域)或自下而上(当泥沙主要来自陆域)的顺坝将使坝下游(或坝上游)形如口袋,泥沙易进难出,从而淤积迅速;加上坝下游(或坝上游)将出现范围较广、强度适中的回流,更有利于泥沙落淤。如果涨(或落)潮流过于强劲,可在其下(或上)游适当位置抛短丁坝与之呼应,使强劲潮流外挑,减轻顺坝坝囊的来流强度。

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若河口存在泥沙上下游往返搬运的纵向沙槛,如钱塘江河口,顺坝开口方向当视涨、落潮流的强度而定,涨强于落则开口应向着涨潮流即开口向下游、顺坝自上而下,落强于涨则开口向上游;若涨、落强度差异不是太大,则开口应向下游,原因如4章所述。水利论文;S'u/`%j2g1b

为使工程布置具有最佳治河促淤围涂效果,一般可采用平面二维水流模型或定床实体模型试验结合半经验公式予以研究,对于规模较大的治河促淤围涂工程,最好同时进行实体泥沙模型试验。尽管河口实体模型一般多为变态,但仍可反映一定的三维特征,且能清楚地显示回流的变化及其引起的冲淤过程。当河口河床变形主要取决于悬移质的运动,且底、悬沙粒径差异不大如钱塘江河口,可按悬移质淤积模型设计,考虑到工程措施总会引起局部地区的冲刷,因而根据悬移与起动相似条件选择模型沙。如推移质的造床作用亦不容忽视,则可按全沙模型设计,悬移质按悬移与扬动相似、推移质遵循起动相似进行模型沙选择。如河床变形主要取决于推移质运动,则主要按起动相似适当兼顾悬移相似选沙[4]水利论文K9d|&D6{~u!U;R

6 结语

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(1)为稳定河势的强潮河口低滩治河促淤围涂工程最好采用顺坝出击,它不仅使其下或上游形如口袋,泥沙易进难出,而且将在其下或上游产生一范围较广,强度适中的回流,更有利于泥沙的落淤。水利论文it{BH)B/S`O

(2)顺坝开口方向应视泥沙的主要来源与涨、落潮流强度对比而定,开口应尽可能向着主要来沙方向,向着相对显著强劲的潮流方向,如涨、落潮流强度差异不是太大,因涨潮流泥沙可挟带至更远距离且涨潮回流范围明显大于落潮回流,从而开口向着涨潮流促淤效果更好。水利论文,k``}OT

(3)单丁坝易在其上游产生随时变动的范围较广且常较为强劲的涨潮回流——尤其当丁坝较长时,前一时段的回流淤沙易在下时段回流中心变动时被部分冲走,落潮中、后期水浅流急,涨潮淤沙被带走更多,从而淤积效果不佳。钱塘江河口的大量实践表明,丁坝群用于促淤围涂,基本与单丁坝类似,促淤效果均不甚理想,但短坝密距的低丁坝群(坝距以3~5倍坝长为宜),可使坝间堤脚形成不宽的中、高滩,从而起到有效保护堤脚免遭冲刷的作用。水利论文J#C:eD9`beW

(4)开口向下的顺(上游)、丁(下游)坝组合,当丁坝较长时(如本试验鼠尾山已显著突出江中,再加上1.6km顺坝),涨潮时易在两坝间形成两反向回流,使各回流范围减小,然而强度却显著增加,泥沙难以落淤,从而促淤效果也差。若岸线较为平直(如两弯道间的过渡段,且涨潮流过于强劲,则下游适当辅以短丁坝,使涨潮主流挑离上游坝瓤常会收到较好的促淤效果。水利论文3i#xQ%i j4i!G

(5)为使工程布置具有最佳治河促淤围涂效果,一般可采用平面二维水流数模与定床实体模型予以研究,但对规模较大的促淤围涂工程,宜同时进行实体泥沙模型试验。水利论文 q-u$R6WY

(6)如河口河床变形主要取决于悬移质的运动,且底、悬沙粒径差异不大,可设计成悬移质淤积模型,由悬移与起动相似条件选沙;若推移质的造床作用亦不容忽视,可设计成全沙模型,悬移质按悬移与扬动相似、推移质由起动相似分别进行模型沙选择;若以推移质造床为主,则可设计成推移质动床模型,按起动适当兼顾悬移相似条件选沙。

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参 考 文 献

9R j"Vp"FW+tJ0

[1] 熊绍隆等。海宁市尖山一期促淤围垦工程泥沙淤积试验研究。浙江省河口海岸研究所科研报告,1997年6月。水利论文~"}r"g Pe

[2] 熊绍隆等。钱塘江河口尖山河湾南股槽整治研究之三——动床模型试验。浙江省河口海岸研究所科研报告,1996.水利论文N`7[,ok'm oPuE

[3] 刘清泉。盲肠河段回流区及主回流过渡区的水沙运动规律。武汉水利电力大学博士论文,1993年4月。

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[4] 熊绍隆。潮汐河口泥沙物理模型设计方法。水动力学研究与进展,1995,(4).水利论文.Dvl a9a

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