錢塘江河口九溪岸段涌潮越堤影響試驗(yàn)研究

楊火其，徐 新，何 昆，林一楠

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.杭州市南排工程建設(shè)管理服務(wù)中心，杭州 310020 )

喇叭口的外形和河床溯源抬升是錢塘江河口涌潮形成的主要成因[1]。錢塘江河口由于受自然演變和人類活動的影響，涌潮行進(jìn)到錢塘江大橋時理應(yīng)已成強(qiáng)弩之末，但涌潮行進(jìn)大橋之上的九溪彎道時，由于受局部地形的抬升、珊瑚沙水庫以下喇叭口外形(圖1)，九溪岸段的涌潮再次增強(qiáng)成為錢塘江河口涌潮觀潮景點(diǎn)之一，該處涌潮有時還會翻越之江路防洪堤影響交通和人員生命財(cái)產(chǎn)安全。涌潮對涉水建筑物的作用力[2-3]和基礎(chǔ)沖刷[4-5]有過較多的研究，對涌潮作用下越堤的影響因素也作過初步探索[6]，但對具體岸段沒有作過深入研究。因此，通過物理模型試驗(yàn)研究導(dǎo)致九溪岸段涌潮越堤致災(zāi)的原因以及涉水建筑物對該岸段涌潮的影響，對保護(hù)涌潮景觀資源的同時如何減免涌潮災(zāi)害也具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 錢塘江河口九溪岸段位置圖Fig.1 Location of Jiuxi section of the Qiantang estuary

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模型比尺及范圍

模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是涌潮的產(chǎn)生，根據(jù)九溪岸段的江道及試驗(yàn)場地情況，涌潮物理模型下游邊界定在錢塘江大橋附近，上邊界布置在之江大橋附近。模型平面比尺λL=150，模型長度為50 m、寬度為7～11 m，考慮到量測精度按變態(tài)模型設(shè)計(jì)，但因研究的是局部問題，變率不宜太大，故選擇垂直比尺為λH=50 ，模擬范圍及潮位測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 模型布置及潮位測點(diǎn)布置圖Fig.2 The test model and water level measuring point arrangement

1.2 主要儀器設(shè)備

模型控制系統(tǒng)采用多臺水泵變頻調(diào)速、多口門閉環(huán)水位控制系統(tǒng)生潮，試驗(yàn)過程中通過調(diào)試變頻水泵的頻率來滿足試驗(yàn)要求的水位及涌潮高度。水位由水位儀監(jiān)測和控制，涌潮水位過程采用電容式波高儀測量，通過多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時跟蹤、采集、處理得到所需的涌潮高度、水位等參數(shù)。在模型堤內(nèi)側(cè)砌筑帶有斜坡的集水槽收集越堤水量。

1.3 試驗(yàn)條件

模型的涌潮水流條件主要是控制低潮位以及涌潮高度。影響九溪岸段涌潮強(qiáng)弱的因素較多，其主要的因素為低潮位和潮差，通常情況下，潮差越大，涌潮高度越高，涌潮的動力則越強(qiáng)[7]。以往的研究表明涌潮高度與潮差之間存在一定的關(guān)系，根據(jù)九溪下游閘口站高低潮位、潮差等潮汐資料及工程附近相關(guān)的涌潮觀測成果分析模型試驗(yàn)采用的水流條件。

涌潮高度：多次現(xiàn)場觀測資料表明涌潮高度H與漲潮潮差△Z之間存在一定的線形關(guān)系，潮差越大，涌潮高度越大。工程岸段下游閘口3 a一遇的潮差約為2.8 m、20 a一遇的潮差約為3.6 m[8]，根據(jù)對工程岸段下游七堡、錢江二橋涌潮的涌潮分析成果推算工程岸段涌潮高度為漲潮潮差的0.7倍，涌潮模型試驗(yàn)分別采用1.4 m、2.0 m以及2.5 m的涌潮高度作為常見、3 a一遇以及20 a一遇的涌潮水流條件。

低潮位：錢塘江河口具有一定觀賞性的涌潮通常發(fā)生在農(nóng)歷七、八、九月的初一～初四、十六～十九，分析工程岸段下游1998年以來閘口站低潮位與漲潮潮差的關(guān)系，大潮汛期間漲潮潮差在2.0 m以上時的低潮位約為4.0 m，如發(fā)生有歷史記錄最大潮差3.69 m時的低潮位為4.0 m(閘口站)，本次模型試驗(yàn)采用低潮位約為4.0 m。

地形：試驗(yàn)采用2018年6月1：10 000實(shí)測的水下地形圖，其中九溪岸段為加密1：2 000水下地形圖[9]。

試驗(yàn)工況：包括之江防洪堤高程9.7 m和10.7 m以及九溪順壩有、無等(表1)。

表1 試驗(yàn)工況和地形水流試驗(yàn)條件Tab.1 Engineering situation and topographic water flow test conditions

2 涌潮越堤分析

2.1 涌潮越堤現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)

圖3 九溪岸段涌潮越堤試驗(yàn)過程(低潮位3.9 m、涌潮高度2.5 m)Fig.3 Test process of tidal bore overtopping embankment in Jiuxi section(low tidal level 3.9 m, tidal height 2.5 m)

錢塘江河口涌潮遇到丁壩、盤頭、水閘以及橋墩等涉水建筑物時，引起涌潮水體翻越涉水建筑物或引起涉水建筑物附近局部范圍的大幅度壅高，有時會導(dǎo)致涉水建筑物的破壞甚至帶來人員的傷亡。珊瑚沙新閘閘下出口段河道的特殊地形(喇叭形、閘門正對涌潮方向)[9]，涌潮能量集聚反射壅高越堤，由于九溪岸段緊鄰交通要道(之江路)，已經(jīng)發(fā)生多起涌潮翻越防洪堤至之江路引起交通混亂和人員生命財(cái)產(chǎn)損失。

室內(nèi)試驗(yàn)觀測到，當(dāng)涌潮推進(jìn)到珊瑚沙水庫圍堤前沿開始，潮能集中，涌潮強(qiáng)度和壅高增加，當(dāng)涌潮潮頭遇到珊瑚沙新閘后反射引起第二次的壅高，較強(qiáng)涌潮情況下，導(dǎo)致遇閘反射水體翻越珊瑚沙新閘下游一段的防洪堤(堤頂高程為9.7 m)至之江路(圖3)。

2.2 閘下沿程壅高

九溪岸段涌潮在向上游的傳播過程中，由于受珊瑚沙水庫下游圍堤喇叭型的逐漸收縮以及水下地形的抬升，潮能集中，沿之江防洪堤堤前的壅高逐漸增加(圖4及圖5中的行進(jìn)壅高)，當(dāng)涌潮潮頭碰撞珊瑚沙新閘后反射形成回頭潮的壅高則更高(圖4及圖5中的反射壅高)。

表2 防洪堤加高前后涌潮遇閘最大壅高、越堤水量比較Tab.2 Comparison of the maximum raising of water lever, water volume of overtopping dyke before and after rising of flood control embankment

3 工程措施降低越堤水量效果

3.1 防洪堤加高

錢塘江河口強(qiáng)潮河段的標(biāo)準(zhǔn)海塘建設(shè)，在堤頂高程設(shè)計(jì)中要考慮由涌潮引起的水位驟然壅高的因素[10]，參考滿足越浪量海堤高程優(yōu)化研究方法[11]，試驗(yàn)時將九溪岸段之江路防洪堤高程從9.7 m加高至10.7 m，發(fā)現(xiàn)加高之江防洪堤后涌潮遇閘反射引起的堤前壅高有所增加，越堤水量則因堤頂高程增加而有所減少，表2為防洪堤高程從9.7 m增加至10.7 m情況下，涌潮遇閘碰撞反射引起的堤前最大壅高和越堤水量。

從表2可見，防洪堤高程的加高，越堤水量降低的同時，堤前壅高有所增加。

表3 有、無順壩條件下涌潮遇閘最大壅高、越堤長度 以及越堤水量比較Tab.3 Comparison of the maximum raising of water lever , length of overtopping embankment and water volume of overtopping dyke under the condition of or without dyke

3.2 長順壩

珊瑚沙新閘下游九溪岸段在20世紀(jì)90年代中期因涌潮越堤引起的潮災(zāi)較多，杭州市市政工程處提出減免該岸段涌潮越堤災(zāi)害的整治措施，通過對三座丁壩群、圍堤以及不同長度順壩布置方案比選分析后，推薦與將來堤線外移有效銜接的長順壩作為九溪岸段過渡性整治方案[12]，于是1996年在閘下480 m位置建設(shè)長度250 m、壩頂高程5.46～6.06 m的混凝土護(hù)面型順壩(圖2)，該長順壩對涌潮在行進(jìn)和反射過程中具有消弱壅高的作用(圖6)。

從圖6可見，九溪順壩建成后，九溪岸段涌潮遇閘最大壅高、涌潮反射越堤長度降低，越堤水量明顯減少(表3)。

比較防洪堤加高和長順壩工程措施對減免涌潮越堤水量的效果看，由于長順壩具有阻擋、導(dǎo)向、挑流作用，涌潮在沖擊順壩后產(chǎn)生部分反射、部分越壩而過，另外也有繞過順壩而直接涌向珊瑚沙新閘，兩股或兩股以上涌潮達(dá)到時間差異，減小了涌潮強(qiáng)度，較大幅度減小了壅水高度，越堤水量大幅度降低。加高防洪堤沒有改變涌潮水流，堤前壅高反而有所增加，防洪堤高度增加1.0 m引起的越堤水量降低效果不如順壩方案，此外，九溪岸段處于之江名勝風(fēng)景區(qū)，防洪堤不宜過高，采用長順壩減免該岸段越堤致災(zāi)較為合理。

4 結(jié)論

錢塘江河口九溪岸段喇叭形外形和逐漸抬升的水下地形導(dǎo)致九溪岸段涌潮進(jìn)一步增強(qiáng)，涌潮遇珊瑚沙新閘反射形成的回頭潮導(dǎo)致水體越堤是引起該岸段涌潮災(zāi)害的主要原因。防洪堤加高和長順壩可降低九溪岸段涌潮遇閘反射等引起的越堤水量，其中長250 m順壩方案能較大幅度地降低防洪堤前沿的水位壅高和越堤水量，防洪堤加高1.0 m方案會引起堤前壅高增加且降低越堤水量的效果不如長順壩方案。