長(zhǎng)江河勢(shì)急劇變化區(qū)拋石護(hù)岸工程對(duì)水流條件影響

王茂枚，朱 昊，趙 鋼，徐 毅，蔡 軍

（江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017）

0 引 言

長(zhǎng)江河勢(shì)急劇變化區(qū)通常指水深、流急、水動(dòng)力條件極其復(fù)雜，造成河床、洲灘擺動(dòng)性大，江岸沖淤變動(dòng)頻繁的河段［1］。據(jù)有關(guān)資料，自20 世紀(jì)90年代以來(lái)，長(zhǎng)江中下游河道已發(fā)生數(shù)百起崩岸現(xiàn)象，最嚴(yán)重時(shí)一年內(nèi)發(fā)生數(shù)十起，長(zhǎng)江中下游干流河道兩岸岸線總長(zhǎng)4 250 km，崩岸段的長(zhǎng)度就達(dá)到1 520 km，占比達(dá)35.7%。新中國(guó)成立之后，隨著水利事業(yè)的蓬勃發(fā)展，長(zhǎng)江保護(hù)和治理受到高度重視，持續(xù)開(kāi)展堤岸防護(hù)、河勢(shì)控導(dǎo)以及應(yīng)急搶護(hù)等工作，長(zhǎng)江下游實(shí)施了大量河道整治工程，大大減少了崩岸現(xiàn)象的發(fā)生，大幅度提高了江岸的抗洪能力。以張家港老海壩段為例，根據(jù)2014年以來(lái)逐月河勢(shì)監(jiān)測(cè)資料表明，沖淤最大深度的月際變化超過(guò)10 m，河勢(shì)變化極為劇烈［2］。水下拋石護(hù)岸能適應(yīng)各種岸坡地形需要，而且造價(jià)低，施工方便，在長(zhǎng)江中下游護(hù)岸工程中被廣泛采用，也是長(zhǎng)江河勢(shì)急劇變化區(qū)治理的主要護(hù)岸型式［3，4］，研究拋石護(hù)岸工程的岸坡防護(hù)效果和對(duì)河勢(shì)的控制效果對(duì)維持岸線穩(wěn)定、保障防洪安全具有重要意義［5，6］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)拋石護(hù)岸的研究，主要從拋石護(hù)岸的穩(wěn)定性、防沖促淤效果和河勢(shì)控制效果三個(gè)方面進(jìn)行考慮。拋石護(hù)岸的穩(wěn)定性受水流條件影響顯著，相關(guān)研究主要包括拋石粒徑［7］、拋石厚度［8］、拋投落距［9］、施工技術(shù)［10］等。一些學(xué)者通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)方法，分析了塊石的起動(dòng)流速以及不同鋪石厚度和面積對(duì)河床的防沖促淤作用，對(duì)拋石護(hù)岸的破壞機(jī)理進(jìn)行了深入研究［11-13］。在河勢(shì)影響方面，常用的研究方法是根據(jù)歷年水文泥沙及水下地形等基礎(chǔ)資料［14，15］，分析拋石護(hù)岸工程后河勢(shì)的變化。Islam［16］基于衛(wèi)星遙感圖像對(duì)印度孟加拉河上的Farakka 大壩實(shí)施前后引起的河道彎曲處的曲率變化進(jìn)行了研究，其研究成果在工程后期得到驗(yàn)證。趙鋼［17，18］等基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析對(duì)拋石護(hù)岸效果的拋投準(zhǔn)確性、拋投均勻性、拋石增厚值等方面開(kāi)展了水下拋石工藝拋投效果分析。羅青［19，20］等基于GIS 空間分析技術(shù)從拋石施工質(zhì)量、施工過(guò)程及施工成本等方面對(duì)水下拋石效果進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用價(jià)值大幅提升，李大鳴［21］等提出對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行錯(cuò)位計(jì)算的方法，改進(jìn)了相同層網(wǎng)格計(jì)算誤差較大的缺點(diǎn)，并結(jié)合水平有限元和垂向有限差分的分層方法建立了三維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，在海河下游進(jìn)行了模擬，模擬精度較好。姜果等［22］采用平面二維水沙數(shù)值模型分析了拋石工程對(duì)水位、流速的影響，為河道治理提供了理論依據(jù)，然而其未考慮感潮河段漲潮和落潮流情形下拋石護(hù)岸工程影響的差異。

拋石護(hù)岸作為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的護(hù)岸型式，目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中于拋石施工工藝、施工方法、工程設(shè)計(jì)和破壞機(jī)理等方面，以往關(guān)于河勢(shì)急劇變化區(qū)的拋石護(hù)岸防護(hù)效果的研究較少，且主要根據(jù)實(shí)測(cè)資料的結(jié)果進(jìn)行河勢(shì)演變分析，方法較為單一。此外，由于水下地形監(jiān)測(cè)需要較大人力、物力的投入，監(jiān)測(cè)時(shí)間受到較大的限制，目前仍難以做到實(shí)時(shí)水下地形監(jiān)測(cè)。針對(duì)以上研究中存在的不足，本文以長(zhǎng)江老海壩河段為例，基于Delft3D 開(kāi)源軟件建立三維水流數(shù)值模型，對(duì)拋石護(hù)岸實(shí)施后工程河段水流條件變化進(jìn)行研究，對(duì)比分析拋石護(hù)岸工程實(shí)施后不同漲、落潮情形下河勢(shì)急劇變化區(qū)水流結(jié)構(gòu)的變化，為類似區(qū)域的長(zhǎng)期治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河道概況

本文研究區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江澄通河段（圖1），上起江陰市鵝鼻嘴，下迄常熟市徐六涇，總長(zhǎng)度約96.8 km，由福姜沙汊道、如皋沙群段、通州沙汊道等組成，屬于長(zhǎng)江下游感潮河段，江中沙洲眾多，在徑流和潮汐的雙重作用下，河勢(shì)演變劇烈。福姜沙河道上段順直單一，下段為向南彎曲的穩(wěn)定性較好的雙分汊河道；如皋沙群段主要由民主沙、長(zhǎng)青沙和橫港沙等組成，如皋中汊及瀏海沙水道上段的兩股水流經(jīng)民主沙匯合后進(jìn)入瀏海沙水道下段（長(zhǎng)青沙南汊）；通州沙水道西起十三圩，下至徐六涇，隨著通州沙整治工程的實(shí)施，目前向通州沙東水道和西水道分流的穩(wěn)定雙分汊河道發(fā)展。老海壩所在如皋沙群段位于長(zhǎng)江口澄通河段中上部，處于河口潮汐與徑流的交匯區(qū)，長(zhǎng)約28 km，西起青龍港、東至天生港，該河段水流流路分歧多變，屬于典型的多汊型河段。河床對(duì)水流約束的邊界條件寬，使得水流隨著流量的變化而動(dòng)蕩，岸線坍塌和淤積反反復(fù)復(fù)，變化較大。

拋石工程區(qū)域位于福姜沙南汊瀏海沙水道下段右岸（見(jiàn)圖1 方框）。20 世紀(jì)70年代初，主流進(jìn)入瀏海沙水道，直接頂沖右江岸老海壩一帶，造成老海壩江岸全線崩塌。九龍港以下岸段因在頂沖區(qū)以下，受水流直接沖刷作用較弱，河岸與上游相比較為穩(wěn)定。隨后，如皋中汊分流開(kāi)始增加，到70年代末中汊分流比已接近10%，瀏海沙水道主流頂沖點(diǎn)由以往老海壩上段下移到九龍港～十一圩，因此九龍港以下近岸河床沖刷強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，江岸堤防安全受到直接影響。1990年以來(lái)，如皋中汊的發(fā)展趨于緩和，分流比漸漸趨于穩(wěn)定，但是九龍港～十一圩主流頂沖區(qū)域的河床沖刷強(qiáng)度依然較大，河床被普遍刷深，深泓右移，前沿由-30 m 發(fā)展到-50 m 的貫通深潭，多處出現(xiàn)-60 m深潭。2014年逐月河勢(shì)監(jiān)測(cè)資料表明，張家港市老海壩河段河勢(shì)變化極為劇烈，個(gè)別位置沖淤厚度的月際變化超過(guò)10 m，岸坡已處于臨界狀態(tài)。

圖1 研究河段河勢(shì)圖Fig.1 River regime map of study reach

1.2 工程概況

張家港老海壩節(jié)點(diǎn)綜合整治工程位于長(zhǎng)江下游澄通河段瀏海沙水道右岸，隸屬長(zhǎng)江澄通河段中部如皋沙群段，工程范圍為張家港市一干河～九龍港～二干河以下1 260 m 之間的岸線（圖2），里程總長(zhǎng)約7 250 m，沿岸線走勢(shì)長(zhǎng)度約6 800 m。其中平順護(hù)岸工程拋石分為堤防外坡的散拋石（外圍堤外由碼頭平臺(tái)及棧橋圍成的內(nèi)側(cè)水域拋石）與碼頭外部前沿深水區(qū)拋石（散拋大塊石、散拋小粒徑塊石防崩層）。工程分兩期實(shí)施，一期工程拋石量約為96.4 萬(wàn)m2，二期工程拋石總量約147.8 萬(wàn)m2，散拋大粒徑塊石的粒徑范圍為0.4～0.65 m，散拋小粒徑塊石的粒徑范圍為0.16～0.4 m。水下拋石主要功能是提高岸坡的抗沖刷能力，維持岸坡穩(wěn)定，為保證工程效果，設(shè)計(jì)拋石寬度為40～120 m，設(shè)計(jì)最大拋石厚度2.5 m。

圖2 老海壩拋石護(hù)岸工程范圍示意圖Fig.2 Scope of Laohaiba riprap revetment project

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

本文主要基于軟件Delft3D 進(jìn)行研究，其水動(dòng)力模型控制方程為基于淺水假設(shè)以及Boussines 假設(shè)的不可壓縮流Navier-Stoke 方程［23］，通過(guò)合適的邊界條件與控制方程組成定解條件，方程在空間上采用有限差分法進(jìn)行離散、在時(shí)間上采用歐拉向前差分法離散。求解變量在網(wǎng)格中交錯(cuò)布置，采用ADI 交替隱式方法進(jìn)行求解。

模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖3所示，上游邊界為江陰，下游邊界至徐六涇，橫向網(wǎng)格673 個(gè)，縱向網(wǎng)格168，對(duì)老海壩拋石工程區(qū)進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格尺寸為10 m 左右。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.3 min，以確?？吕蕯?shù)（Courant number）在計(jì)算過(guò)程中不超過(guò)1.0。模型采用2014年實(shí)測(cè)地形資料作為模型初始地形。平面坐標(biāo)系采用北京1954 投影坐標(biāo)，地形高程及計(jì)算潮位均采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

圖3 模型網(wǎng)格示意圖Fig.3 Model grid diagram

2.2 模型驗(yàn)證

模型水動(dòng)力驗(yàn)證采用2014年7月27日-7月31日的實(shí)測(cè)潮位、流速和流向資料（測(cè)站位置見(jiàn)圖4），潮位驗(yàn)證選擇如皋港、太子圩港、天生港、五干河、七干河、望虞河、營(yíng)船港、匯豐碼頭等8 個(gè)潮位站的實(shí)測(cè)潮位過(guò)程，流速驗(yàn)證采用計(jì)算區(qū)域內(nèi)的四條垂線的實(shí)測(cè)平均流速過(guò)程。驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。模擬計(jì)算的水位、流速、流向的幅值和相位與實(shí)測(cè)值吻合較好，因此模擬結(jié)果可信，模型在模擬水流運(yùn)動(dòng)時(shí)是較為合理和準(zhǔn)確的。

圖4 研究區(qū)域水尺、測(cè)流點(diǎn)、采樣點(diǎn)布置Fig.4 Layout of water ruler and flow measuring point in study area

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)潮位、流速及流向驗(yàn)證Fig.5 Layout of water ruler and flow measuring point in study area

2.3 拋石區(qū)糙率修正

由于河床演變?cè)谘雌诘难葑兯俾拭黠@高于非汛期。為綜合分析拋石護(hù)岸工程實(shí)施對(duì)研究河段水流條件的影響，選擇汛期實(shí)測(cè)潮位模擬典型水動(dòng)力邊界下河段水動(dòng)力過(guò)程。拋石護(hù)岸工程通過(guò)加密局部地形網(wǎng)格（圖3）后抬高地形以及拋石區(qū)修正局部糙率的方法進(jìn)行模擬。護(hù)底加糙后糙率與拋石前糙率關(guān)系采用以下公式［24］：

式中：n為加糙后的糙率系數(shù)；n0為加糙前的糙率系數(shù)；D為加糙后拋石中值粒徑；D0為加糙前床沙粒徑；k、k0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 對(duì)潮位的影響

為詳細(xì)分析工程對(duì)水流特性產(chǎn)生的影響，在不同河段內(nèi)選取多個(gè)采樣點(diǎn)，位置如圖4所示，其中P1-P13位于瀏海沙水道，P14、P15 位于如皋中汊，P16～P18 位于如皋左汊。潮位變化主要體現(xiàn)的是拋石護(hù)岸工程對(duì)河段防洪、排澇的影響，因此重點(diǎn)對(duì)洪季條件下工程對(duì)潮位的影響進(jìn)行分析。工程河段受非正規(guī)半日淺海潮影響，水位呈周期性漲落變化。為分析工程潮位變化對(duì)河段防洪、排澇的影響，選取模擬期內(nèi)漲憩（潮水漲到最高時(shí)）和落憩（潮水落到最低時(shí)）的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行工程前后的水位變化分析。

工程后漲憩、落憩時(shí)刻水位變化分布如圖6 所示。由圖可見(jiàn)，漲憩時(shí)刻拋石護(hù)岸工程實(shí)施后，離工程區(qū)越遠(yuǎn)水位變化幅度越小，整體呈上游水位壅高下游水位下降的規(guī)律。落憩時(shí)刻與漲憩時(shí)刻水位變化規(guī)律相似且變化規(guī)律更為明顯，以一干河到十一圩港為分界，上游水位壅高下游水位降低。總體來(lái)看工程實(shí)施對(duì)河段的水位影響較小，不論是漲憩還是落憩時(shí)刻水位變幅大多在0.01 m以內(nèi)。表1給出了工程河段內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位的變化結(jié)果，由表可見(jiàn)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位變化值都在0.01 m 以內(nèi)，拋石工程區(qū)剛好為水位壅高與水位降低的分界點(diǎn)，因此上游拋石區(qū)P7 水位壅高，下游拋石區(qū)P12 水位下降，而P10 則在漲憩時(shí)刻水位壅高，落憩時(shí)刻水位下降。其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)也符合上游測(cè)點(diǎn)水位壅高，下游測(cè)點(diǎn)水位下降的規(guī)律?？傮w上，落憩時(shí)刻水位變化幅度略高于漲憩時(shí)刻水位變幅，這可能是由于漲潮時(shí)，水流在徑流和潮汐的共同作用下應(yīng)拋石區(qū)地形拔高而產(chǎn)生的影響有些許抵消作用，而落潮時(shí)，河道內(nèi)水流受徑流作用，呈現(xiàn)較為規(guī)律的水位變化情勢(shì)。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)潮位變化統(tǒng)計(jì) mTab.1 Statistics of tidal level changes at monitoring points

圖6 工程后水位變化分布圖Fig.6 Distribution map of water level change after engineering

3.2 對(duì)流速的影響

選取工程實(shí)施后河段漲、落急時(shí)刻垂向平均流速進(jìn)行分析，工程實(shí)施后漲急、落急情形下流速變化分布如圖7所示。模擬結(jié)果表明，工程實(shí)施后漲急情形下，流速變化主要發(fā)生在拋石工程區(qū)所在河段，即瀏海沙水道從上游一干河至下游西界港所在區(qū)域，最大變幅在0.2 m/s 以內(nèi)，其余河段流速變化均小于0.01 m/s。流速增大和減少區(qū)域無(wú)明顯規(guī)律，究其原因，拋石護(hù)岸工程不僅增加了拋石區(qū)的河底高程，還改變了河道及岸坡的糙率，加上漲潮流與徑流相互作用導(dǎo)致該處流速流向較為復(fù)雜，總體表現(xiàn)為拋石區(qū)及岸坡流速減小，拋石區(qū)外側(cè)流速增大，深槽內(nèi)流速又減少的規(guī)律。落急情形下工程實(shí)施后，流速變化區(qū)域與漲急時(shí)刻類似，主要局限拋石區(qū)及下游10 km 范圍河段內(nèi)，流速變化大多在0.1 m/s以內(nèi)，離工程區(qū)越遠(yuǎn)流速變化越小。流速變化規(guī)律較為明顯，拋石區(qū)及其下游帶狀區(qū)域流速減小，而拋石區(qū)外側(cè)河道內(nèi)則流速增大，這是由于拋石施工增加了河底高程，且塊石增大了河道的糙率，從而增大了水流經(jīng)過(guò)的阻力，使得一部分水流從左側(cè)河道通過(guò)，增大了瀏海沙水道左側(cè)河道的流速。

圖7 工程后流速變化分布圖Fig.7 Distribution map of velocity change after engineering

為了更加直觀的了解工程附近的流速變化情況，表2 給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程前后的漲急和落急的流速大小，并給出了其差值大小及變化率。由表可知，漲急情形下，工程區(qū)以外各測(cè)點(diǎn)流速變化很小，變幅小于0.005 m/s，工程區(qū)內(nèi)流速變化在-0.15～0.2 m/s，最大變幅發(fā)生在P10 測(cè)點(diǎn)，流速增幅達(dá)43.52%。落急時(shí)刻，非工程區(qū)流速變化較漲急時(shí)刻有所增大，整體流速變化在0.02 m/s以內(nèi)，瀏海沙水道及如皋中汊流速以減少為主，如皋左汊流速有所增加。工程區(qū)內(nèi)流速變化較大，流速變化范圍為-0.3～0.1 m/s，最大變幅發(fā)生在P12測(cè)點(diǎn)，流速減幅達(dá)31.51%。綜上，工程實(shí)施后，不論是漲急時(shí)刻還是落急時(shí)刻，流速變化主要集中于拋石工程區(qū)域，流速最大變幅在0.3 m/s 左右，主要呈現(xiàn)拋石區(qū)流速減少深槽流速增大的規(guī)律。

3.3 對(duì)分流比的影響

對(duì)于分汊河道來(lái)說(shuō)，分流比是反映汊道興衰變化的重要水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，工程實(shí)施后河段的汊道形態(tài)、汊道阻力、河槽容積等均有所改變，影響汊道分流比，進(jìn)而影響本河段的河勢(shì)變化，為分析工程的實(shí)施對(duì)河道分流比的影響，在工程附近河道布置斷面如圖8。

圖8 斷面布置圖Fig.8 Section layout diagram

工程前后各斷面分流比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，民主沙將福姜沙水道分為如皋中汊（斷面1）和瀏海沙水道（斷面2），其中瀏海沙水道落潮時(shí)分流比占比超70%，落潮時(shí)刻占比大于漲潮時(shí)刻，工程前后兩河道的漲落潮分流比有所變化。如皋中汊分流比在漲急時(shí)增加0.84%，在落急時(shí)增加0.02%，瀏海沙水道分流比變化則相反。長(zhǎng)青沙的存在使如皋中汊的水流一部分從如皋左汊流過(guò)，兩股水流合并為瀏海沙水道（斷面4），與如皋左汊（斷面3）共同流入通州沙水道，其中瀏海沙水道落潮流時(shí)水流占比超98%，落急時(shí)刻占比大于漲急時(shí)刻，工程后斷面4分流比略微減小，斷面3略微增大?？傮w而言，工程的實(shí)施阻礙了瀏海沙水道的水流，使得斷面2 和斷面4 分流比有所減小，斷面1 和斷面3分流比增大。同時(shí)，漲潮流所受工程影響大于落潮時(shí)刻，特別是斷面1分流比變化最大，變幅達(dá)0.84%。

表3 工程后各斷面分流比變化 %Tab.3 Change of diversion ratio of each section after engineering

4 結(jié) 論

基于Delft3D 采用三維水流數(shù)學(xué)模型針對(duì)長(zhǎng)江下游河勢(shì)急劇變化區(qū)拋石護(hù)岸工程對(duì)水流條件影響開(kāi)展研究。分別針對(duì)落憩時(shí)刻和漲憩時(shí)刻工程實(shí)施后潮位變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明，落憩時(shí)呈現(xiàn)工程區(qū)上游壅高下游降低的規(guī)律變化，漲憩時(shí)由于潮汐的影響潮位呈不對(duì)稱波動(dòng)式變化；針對(duì)工程后漲急、落急時(shí)刻流速及分流比變化可知，流速變化主要集中于拋石工程區(qū)，呈現(xiàn)拋石區(qū)流速減少深槽流速增大的規(guī)律，工程實(shí)施后瀏海沙水道分流比減小且漲急時(shí)刻所受影響大于落急時(shí)刻。所得成果為分析和預(yù)測(cè)拋石護(hù)岸工程實(shí)施效果及未來(lái)拋石方案的制定提供參考依據(jù)，也對(duì)保障河道防洪安全和堤防安全具有重要意義。 □