強潮河口海岸沖蝕對海堤安全的影響研究

李路 劉新成 宋永港 趙庚潤

摘要：采用杭州灣北岸典型沖蝕岸段——華電灰壩大堤堤前高分辨率的地形資料，分析了該岸段近年來的岸灘變化，并通過建立長江口杭州灣波浪數(shù)學(xué)模型，結(jié)合相關(guān)設(shè)計規(guī)范計算了該岸段現(xiàn)狀地形下的波浪要素，分析了不同灘地沖蝕深度對堤前波浪要素、海堤設(shè)防高度和外坡護(hù)面的影響.計算結(jié)果表明，在200年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，隨著堤前灘地的沖蝕，平均波高和波周期變化不大，但波長和H1%顯著增加，導(dǎo)致波浪爬高增加、大堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下降，其中波長增加是導(dǎo)致波浪爬高增加的主要原因.此外，隨著灘地的沖蝕，外坡護(hù)面的設(shè)計厚度顯著增加，在實際設(shè)計中應(yīng)充分考慮安全富余度.

關(guān)鍵詞：海岸沖蝕;海堤安全;波浪要素;堤頂高程;護(hù)坡強度

中圖分類號：P731.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.04.019

0 引言

位于長江口和杭州灣的一線海堤，是上海抵御風(fēng)暴潮災(zāi)害的第一道防線，肩負(fù)著全市防汛安全的重要任務(wù).河口地區(qū)的海堤建立在灘地之上，受人類活動和自然災(zāi)害的影響，堤前灘地的穩(wěn)定具有較大的不確定性，這給海堤的安全帶來較大的風(fēng)險.隨著三峽工程的建設(shè)和運行，長江上游來沙已急劇下降，長江口杭州灣灘地的發(fā)育演變已發(fā)生了較明顯的變化，杭州灣灣口北部水域近10年來已由過去的淤積狀態(tài)轉(zhuǎn)為沖刷狀態(tài)[1-2];同時，近年大規(guī)模的圈圍造地工程的實施，攔截了大量泥沙，使得長江口杭州灣灘地出現(xiàn)了局部的沖淤變化[3-4];此外，破壞力極強的臺風(fēng)風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害頻發(fā)，巨大的風(fēng)浪可造成岸灘在短時間內(nèi)迅速侵蝕，使得一線海堤及灘地的安全形勢越來越嚴(yán)峻.2005年8月在麥莎臺風(fēng)侵襲下，奉賢柘林塘、華電灰壩的促淤壩體結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重?fù)p壞，化學(xué)工業(yè)區(qū)一線海堤半數(shù)丁壩群損毀，海堤外側(cè)灘面發(fā)生劇烈沖刷，給海堤的安全造成嚴(yán)重威脅[5-6].

在長江口上游來沙減少以及圈圍工程攔截大量泥沙的背景下，加上臺風(fēng)等不確定性因素的影響，長江口、杭州灣北岸沖蝕型灘地前沿有繼續(xù)沖蝕的可能，需要系統(tǒng)分析一線海堤應(yīng)對灘地沖蝕的防汛能力，為提高海堤的防汛安全水平提供有效對策.本文選取杭州灣北岸奉賢段的華電灰壩大堤及其前沿灘地為研究對象，分析灘地沖蝕對海堤安全的影響.

1 研究區(qū)域概況

杭州灣是一個典型的喇叭形強潮河口灣，在強勁的潮流動力作用下，灣內(nèi)沖淤強烈，地貌演變復(fù)雜[7].根據(jù)1990 2014年的實測地形資料，杭州灣北岸奉賢岸段的金匯港至中港岸段是典型的沖蝕岸段，Om、2m和5m等深線全線內(nèi)移，岸灘坡度變陡，高灘喪失，岸灘侵蝕嚴(yán)重[8].華電灰壩大堤位于杭州灣北岸奉賢段的中部，奉賢碧海金沙東側(cè)，處于上述典型沖蝕岸段中（見圖1）.華電灰壩大堤長約4.65 km，軸線呈西南一東北走向.圈圍大堤采用復(fù)式斜坡堤，大堤向海側(cè)建有促淤壩，該促淤壩工程為永久性工程，除了滿足促淤功能外，同時是圈圍大堤保灘工程的一部分（見圖2）.

從華電灰壩大堤前沿2005和2009年的1：6 000高分辨率的地形資料可以看出，Om、2m、5m等深線基本與大堤平行（見圖3a）.相比2005年，2009年圈圍大堤2m和5m等深線較2005年明顯向岸后退，表明堤前灘地存在明顯的沖刷現(xiàn)象.從大堤堤前縱向水深變化來看，自西向東各斷面均發(fā)生了不同程度的沖刷，沖刷最明顯的范圍在促淤壩前20～250m，300m以外水深變化較?。ㄒ妶D3（b-f））.大堤兩側(cè)堤前灘地的沖刷程度強于中段，最大沖刷深度約1.5～2.5 m.5m等深線后退約60～80 m，2m等深線后退約15～ 50 m，Om等深線基本沒有變化.根據(jù)2009 2014年實測資料以及分形理論分析[9]，華電灰壩岸段在2009年后有進(jìn)一步?jīng)_刷的趨勢，岸灘的持續(xù)沖刷對海堤的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅.

2 波浪模型的建立

2.1 模型介紹

本研究關(guān)注的重點是灘地沖蝕后對海堤前沿的波浪要素以及海堤安全的影響.杭州灣口外為開敞海域，灣內(nèi)島嶼眾多、地形復(fù)雜，外海波浪傳入時受舟山群島的影響較大.同時堤前灘地水深較淺，水位和潮流對波浪參數(shù)的影響較大，應(yīng)充分考慮水位和潮流的作用.本研究采用丹麥水利研究所（DHI）的MIKE21 Spectral Wave（SW）模型[10]對長江口、杭州灣及其附近水域的波浪場進(jìn)行計算.該模型已廣泛應(yīng)用于大洋[11]、河口[12]、海岸[13-15]和渴湖[16]的波浪模擬和研究.

MIKE21 SW模型根據(jù)波作用守恒原理模擬近海及海岸地區(qū)風(fēng)生浪和涌浪的生長、衰減以及水深變化引起的折射和淺水變形，可以考慮水位和流速對波浪場的影響，并方便與MIKE21 FM水動力模型進(jìn)行耦合.模型基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，能較好地擬合岸線和島嶼.模型基

2.2 模型設(shè)置

波浪模型的計算范圍包括整個長江口、杭州灣和鄰近海域，上游邊界位于長江大通和錢塘江鹽官.長江口和杭州灣網(wǎng)格分辨率約1～1.5 km，外海開邊界網(wǎng)格較粗，分辨率約15km（見圖4a）.對奉賢岸段的網(wǎng)格進(jìn)行加密，并對華電灰壩大堤堤前網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，分辨率最高為10 m（見圖4b）.模型的地形主要通過長江口杭州灣沿岸最新實測地形以及近年新出版的海圖資料插值得到，其中華電灰壩大堤堤前的水深采用2009年2月實測的高分辨率地形資料.

在近岸水深較淺的區(qū)域，潮位變化對總水深影響較大，在同一位置潮位較高時波浪要素也相應(yīng)較大.波浪模型在計算華電灰壩大堤設(shè)計條件下的波浪參數(shù)時，采用定常水位和定常正向風(fēng).在模擬實際過程時，充分考慮風(fēng)應(yīng)力、水位和流速對波浪場的影響，其中海表面風(fēng)場采用中尺度的大氣數(shù)值模式Weather Research and Forecasting （WRF）計算得到，水位和流速由MIKE21 FM計算給出，計算網(wǎng)格同波浪模型.波浪模型的開邊界設(shè)置波浪可以自由傳出，避免因邊界反射波浪影響計算區(qū)域.

2.3 模型驗證

采用2005年對上海地區(qū)影響較大的麥莎（0509號）和卡努（0515號）臺風(fēng)期間長江口和杭州灣實測的波浪數(shù)據(jù)對建立的波浪模型進(jìn)行驗證.兩次臺風(fēng)期間，長江口杭州灣的最大風(fēng)速分別出現(xiàn)在8月6日12：00和9月12日0：00前后，各測站的有效波高和平均波周期總體上隨風(fēng)速的增大而增大（見圖5和圖6）.麥莎臺風(fēng)期間，金山衛(wèi)波浪站實測最大有效波高2.9 m，最大平均波周期7.5 s.卡努臺風(fēng)期間，金山衛(wèi)站的波浪參數(shù)整體上小于麥莎臺風(fēng)期間：大戢山、嵊山、灘滸島和佘山站均不同程度的受到臺風(fēng)影響，嵊山站觀測到的最大有效波高約3m，而其他測站觀測到的最大有效波高不超過2m.

從波浪模型計算的兩次臺風(fēng)過程下波浪要素來看，有效波高和波周期量值與變化過程與觀測資料整體上吻合良好，部分時段的波高和周期與實測資料有一定誤差，有效波高平均絕對誤差為0.38 m，波周期平均絕對誤差為0.52 s，主要與臺風(fēng)風(fēng)場計算的誤差有關(guān).總體上，建立的波浪模型可應(yīng)用于長江口杭州灣近岸的波浪要素的模擬計算.

2.4 計算潮位與風(fēng)速

大堤堤前設(shè)計波要素根據(jù)其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的高潮位和風(fēng)速計算.華電灰壩大堤的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇高潮位加12級風(fēng)下限（32.7 m/s）.華電灰壩大堤200和100年一遇高潮位分別為6.33和6.14 m（吳淞高程）[8].

3 灘地沖蝕對堤前波浪要素的影響

3.1 現(xiàn)狀地形條件下堤前波浪要素計算結(jié)果分析

由于華電灰壩堤前高分辨率的地形資料較少，本研究采用2009年2月的實測資料作為現(xiàn)狀地形.根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》[17]的相關(guān)規(guī)定，海堤工程的設(shè)計波要素應(yīng)取堤腳前約1/2波長處的波浪要素.根據(jù)文獻(xiàn)8的研究，該水域在200年一遇高潮位和12級風(fēng)下限設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的波長約50～ 60 m.華電灰壩大堤和促淤壩斷面如圖2所示，堤腳前1/2波長處為大堤促淤壩前的低灘，現(xiàn)狀高程為-0.5 m，設(shè)計波要素取該位置的波浪要素.

按照華電灰壩大堤200年一遇高潮位加12級風(fēng)下限風(fēng)速的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，波浪模型的水位和風(fēng)速取定常，分別設(shè)置為6.33 m和32.7 m/s.通過波浪模型計算比較發(fā)現(xiàn)，波向基本與風(fēng)向一致，風(fēng)向為正向和正向偏東22.5°下計算的波浪要素大小比較接近，均大于風(fēng)向為正向偏西22.5。下的波浪要素.考慮到相同波要素條件下波浪正向入射對大堤的影響更大，從工程設(shè)計偏安全的角度考慮，本研究取正向入射的波浪要素分析.

根據(jù)堤前地形資料，華電灰壩促淤壩前的等深線基本與岸線平行（見圖3a），且促淤壩前30 m為低灘，水深變化相對較緩，波浪模型的計算結(jié)果比較穩(wěn)定可靠，因此將波浪模型的輸出點取在促淤壩前30m處.由于波浪向淺水區(qū)傳播時會產(chǎn)生淺水變形效應(yīng)，引起波高的增大或減小，因此需要將促淤壩前30 m處的波浪要素進(jìn)行淺水變形計算，得到促淤壩前低灘處的波浪要素，淺水變形按照《灘涂促淤圈圍造地工程設(shè)計規(guī)范》[18]中近距離波浪傳播變形的規(guī)定計算.考慮到促淤壩的頂高程為3.34 m，寬3m，具有一定的消浪作用，根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》[”]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行潛堤消浪計算.華電灰壩大堤現(xiàn)狀地形條件下的設(shè)計波浪要素如下：波周期和波長分別為6.56 s和47.95 m，H1%、H13%（有效波高）和平均波高分別為3.77、2.81和1.92m（見表1）.

3.2 灘地沖蝕條件下堤前波浪要素的計算結(jié)果分析

從華電灰壩大堤堤前2005和2009年的水深斷面圖來看（見圖3），在促淤壩前300～350 m范圍內(nèi)，水深小于5--6 m的灘地沖刷較為明顯.為了模擬在現(xiàn)狀條件下近岸灘地進(jìn)一步?jīng)_深對波浪要素的影響，將波浪模型中促淤壩前500 m范圍內(nèi)、水深小于6m的網(wǎng)格水深進(jìn)行修改，修改后的水深h1，和現(xiàn)狀水深h0之間關(guān)系為其中，△h <0，表示沖刷深度，從而可以使修改水深的區(qū)域與周圍相對平滑，避免因修改水深導(dǎo)致的地形突變.本研究設(shè)置了△h = -1，-2，-3，-4和-5 m，共5組對比試驗，分別表示堤前灘地沖刷1、2、3、4和5m.

修改地形后采用波浪模型重新計算促淤壩前波浪要素，并經(jīng)過潛水變形和潛堤消浪計算后得到不同灘地沖刷深度下華電灰壩大堤的設(shè)計波浪要素，計算結(jié)果如表1所示.華電灰壩大堤灘地從現(xiàn)狀變化至沖深5m，平均波高從1.92 m增至1.96 m，波周期從6.56 s減至6.53 s，二者變化較小.這主要是由于該水域灘地為低灘，疊加200年一遇高潮位后堤前總水深較深，水深進(jìn)一步加深對平均波高和波周期影響不大.隨著灘地沖蝕1～5 m，波長分別增加5%、9%、13%、16%和20%，說明華電灰壩堤前灘地沖深對波長影響較大.不同累積頻率波高隨著灘地的沖蝕而增加，H1%波高增幅相對較大，隨著灘地沖蝕1～5 m，分別增加3%、6%、8%、10%和12%.

4 灘地沖蝕對海堤安全的影響

灘地沖蝕增加了堤前波浪要素，從而增加了波浪爬高，很可能造成大堤的設(shè)防高度不足.另一方面，波要素的增加加大了對護(hù)面的沖擊，很可能造成外坡護(hù)面的損毀.接下從大堤設(shè)防高度和外坡護(hù)面安全兩方面定量分析灘地沖蝕對海堤安全的影響.

4.1 對大堤設(shè)防高度的影響

海堤的設(shè)防高度是大堤安全與否的重要因素，根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》[17]對堤頂高程設(shè)計的規(guī)定，堤項高程由設(shè)計高潮（水）位、波浪爬高及安全加高3部分決定，其中波浪爬高根據(jù)規(guī)范中的波浪爬高公式計算.堤前灘地沖蝕引起的波浪要素增加，將直接影響波浪爬高，從而對海堤的設(shè)防安全產(chǎn)生影響.

華電灰壩大堤的設(shè)計堤項高程為10.33 m.在200年一遇設(shè)計條件下，現(xiàn)狀灘地下計算的波浪爬高為2.84 m，滿足設(shè)計安全的堤頂高程為10.17 m，未超過設(shè)計堤頂高程（見表2）.當(dāng)?shù)糖盀┑貨_深2m后，波浪爬高增至3.06 m，相應(yīng)堤頂高程為10.39 m，已超過大堤設(shè)計的堤頂高程，大堤有漫溢風(fēng)險.當(dāng)?shù)糖盀┑貨_深5m后，波浪爬高增至3.20 m，相應(yīng)的堤項高程為10.53 m，超過設(shè)計堤項高程0.20 m.隨著堤前灘地沖蝕1～5 m，波浪爬高增加5%、8%、10%、11%和13%，堤頂高程增加1%、2%、3%、3%和4%.隨著灘地的不斷沖深，堤頂高程增加的趨勢逐漸減緩，灘地從現(xiàn)狀變化至沖深I(lǐng)m，堤頂高程增加0.13 m.而灘地從沖深4m變化至沖深5m，堤項高程僅增加了0.04 m.表明堤前水深越深，沖刷相同深度對大堤的安全風(fēng)險影響越小.

從3.2節(jié)的分析可知，灘地的沖蝕雖對平均波高和波周期影響不大，但顯著增加了淺水波長和H1%.從波浪爬高的計算公式看，在同一計算工況下，對于某一固定斷面，波浪爬高由堤前水深、波長和H1%決定.下面以華電灰壩大堤現(xiàn)狀灘地的堤前水深、波長和H1%為基準(zhǔn)，分別分析這三個因子單獨增加對波浪爬高的影響.從圖7（a）可以看出，在波長和H1%保持不變的情況下，僅增加堤前水深，波浪爬高減小;從圖7（b）可以看出，增加波長或H1%，波浪爬高均增加，并且波長增加對波浪爬高增加的貢獻(xiàn)明顯大于H1%.由此可見，堤前灘地沖蝕后波浪爬高的增加主要是波長增加引起的.

灘地沖蝕增加了堤前的波浪要素，使得設(shè)計堤頂高程擋水的防御能力下降，為了定量分析灘地沖蝕對海堤防御能力的降低程度，本文計算了100年一遇條件下（水位6.14 m，風(fēng)速30.1m/s），在現(xiàn)狀灘地以及不同沖刷深度下的波浪爬高和相應(yīng)的設(shè)計堤頂高程，結(jié)果如表3所示.現(xiàn)狀灘地地形條件下的波浪爬高為2.72 m，相應(yīng)的設(shè)計堤頂高程為9.86 m，比200年一遇條件下減低0.31 m.隨著灘地的沖深，波浪爬高和堤頂高程增加.堤前灘地沖深5m時，波浪爬高為3.04m，相應(yīng)的堤項高程為10.18 m，與200年一遇條件下現(xiàn)狀灘地的堤頂高程10.17 m基本一致，這表明若華電灰壩大堤堤前灘地刷深5m，海堤設(shè)防高度的防御能力將從200年一遇下降為100年一遇.

4.2 對外坡護(hù)面的影響

海堤護(hù)坡結(jié)構(gòu)主要為柵欄板、漿砌塊石、異型塊體等，其厚度或重量的設(shè)計安全值可通過《海堤工程設(shè)計規(guī)范》[17]計算獲得.本節(jié)從設(shè)計規(guī)范中的公式出發(fā)，通過計算比較不同灘地沖刷深度下護(hù)坡結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全值，分析灘地沖蝕對外坡護(hù)面安全的影響.

華電灰壩大堤外側(cè)護(hù)坡為柵欄板，上坡設(shè)計厚度為25 cm，下坡為30 cm.柵欄板的厚度根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》[17]計算確定.200年一遇條件下，華電灰壩大堤在現(xiàn)狀灘地下的柵欄板厚度為25.2 cm（見表4）.根據(jù)柵欄板厚度的計算公式，其大小與H13%以及堤前水深成正比，隨灘地的沖深而增加.隨著灘地沖蝕1～5 m，柵欄板厚度增加顯著，增幅分別為7%，13%，19%，25%和31%.在100年一遇條件，相同地形條件下的柵欄板厚度均小于200年一遇，但量值相差較小，均在2 cm以內(nèi).當(dāng)灘地沖深1m后，柵欄板厚度為25.6 m，已大于200年一遇條件下現(xiàn)狀灘地柵欄板厚度.這表明灘地沖蝕1m引起的柵欄板設(shè)計厚度差異，與相同地形下100和200年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)引起的差異相近，因此在護(hù)面的設(shè)計中應(yīng)充分考慮安全富余度.

5 結(jié)論

本研究分析了華電灰壩大堤堤前的岸灘變化，通過建立長江口杭州灣波浪數(shù)學(xué)模型，結(jié)合相關(guān)設(shè)計規(guī)范計算了該岸段現(xiàn)狀地形下的波浪要素，分析了不同灘地沖蝕深度對堤前波浪要素、海堤設(shè)防高度和外坡護(hù)面的影響.主要結(jié)論如下：

（1）華電灰壩大堤前沿灘地是杭州灣北岸典型的沖蝕岸段，在200年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)狀地形條件下的平均波高、H1%波高、波周期和波長分別為1.92 m、3.77 m、6.56 s和47.95 m.隨著灘地沖蝕1--5 m，波長分別增加5%～20%，H1%波高增分別增加3%～12%，但平均波高和波周期變化不大.

（2）在200年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)狀灘地下的波浪爬高為2.84 m，堤頂高程為10.17 m，隨著堤前灘地沖蝕1～5 m，波浪爬高增加5%～13%，堤頂高程增加1%～4%.當(dāng)?shù)糖盀┑貨_深2m以上，現(xiàn)狀堤頂高程不足，大堤有漫溢風(fēng)險.堤前灘地沖蝕引起波浪爬高增加和設(shè)計堤頂高程的增加，其主要原因是堤前淺水波長的增加.當(dāng)?shù)糖盀┑厮⑸?m，海堤設(shè)防高度的防御能力將從200年一遇下降為100年一遇.

（3）在200年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)狀灘地下的外坡柵欄板所需厚度為25.2 cm，隨著灘地沖蝕1～5 m，柵欄板厚度分別增加7%～31%，增幅顯著.同時灘地沖蝕1m引起的柵欄板厚度差異，與相同地形下100和200年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)引起的差異相近.應(yīng)在外坡護(hù)面安全設(shè)計中充分考慮安全富余度.

需要說明的是，本研究的結(jié)果均基于設(shè)計高潮位，且選取的華電灰壩斷面堤前灘面高程較低.若在設(shè)計低水位或者堤前灘面高程較高的岸段，灘地沖刷引起的波浪要素變化將更加顯著，很可能對大堤安全的影響更大.應(yīng)在今后做進(jìn)一步研究.

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