浙江省河口海岸地区海塘塘脚冲刷问题探讨

张芝永，曾 剑，史英标，陈甫源，张伯虎

（浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

堤防是早期广为采用的一种重要防洪工程。筑堤是防御洪水泛滥、保护居民和工农业生产的主要措施。在河口海岸地区，堤防工程除了防洪之外，还需要防御外海潮汐风暴潮等海洋灾害，通常称河口海岸地区的堤防为海塘。海塘的破坏形式有：塘顶溢流、潮浪越顶破坏后坡引起的结构破坏、渗流引起的渗透破坏、土体滑动失稳破坏等[1-2]。其中滑动失稳破坏最为严重，其破坏原因主要是受洪潮影响，塘脚前沿滩地冲刷，高程降低，阻止海塘滑动的塘前土体被动土压力减小，从而导致海塘滑动失稳。

2020年，浙江省委省政府为深入贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，落实习近平总书记关于提高防治灾害能力的重要指示精神，作出实施海塘安澜千亿工程的决策部署，工程以“安全、生态、融合、引航”的“安全+”高标准生态海塘为建设目标，是继标准海塘建设后又一重大举措，工程的实施可全面提高浙江省沿海防台御潮能力，防范化解重大风险，确保沿海安澜。根据海塘安澜千亿工程的建设规划，塘脚防冲能力的提升是海塘提升安全度的一个重要建设部分。而目前由于浙江省河口海岸地区海塘塘脚冲刷的复杂性、工程实施的可操作性等问题，在塘脚冲刷问题的确定方法、标准选择等方面均未形成统一的认识。因此，为更好地指导各地海塘安澜工程的顺利开展，本文系统梳理了浙江省河口海岸地区海塘塘脚冲刷的主要难点问题和现行常用的研究方法，并对河口区海塘进行分类，推荐计算方法，以供工程设计参考。

2 浙江省河口海岸地区海塘塘脚冲刷存在问题

浙江省海塘安澜千亿工程涉及898段，一线海塘总计2 014 km，工程分布在浙江省钱塘江河口、瓯江河口、飞云江河口、鳌江河口、椒江河口及海岛地区。浙江省沿海地区多为淤泥质海岸，其塘脚滩地基本处于淤积或稳定状态。而对于河口区海塘，因受洪潮动力共同影响，部分塘段塘脚冲淤规律复杂且冲刷比较严重。

2.1 水动力强劲冲刷问题突出

浙江省沿海地区是我国潮流动力最强的海域，风暴潮台风浪及其引起的洪水等极端灾害频发。在浙江省几大感潮河段，海塘塘脚河床受到洪水、潮流动力的叠加影响，冲刷问题比较突出。特别是在钱塘江河口，动力极强的涌潮对海塘塘脚的冲刷及结构的稳定造成极大的影响。图1为明清期钱塘江海宁段老海塘图，从图1可看出老海塘在潮流及涌潮动力影响下塘脚底部发生明显淘刷，海塘基础木桩已很多裸露。2014年宁波市奉化江堤防鄞州段发生滑坡[3]，并导致板桩向外倾斜（见图2）。经分析，主要原因是2012年以来受多场台风洪水影响，奉化江河床水下地形剧烈冲刷，板桩前河床刷深达3.00 m左右，同时-7.00 m等深线由堤脚外26.00 m推进到堤脚外12.00 m。图3为2019年绍兴口门段海塘塘脚冲刷情况图，从图3可见板桩已裸露达2.00 m以上，对塘脚稳定产生不利影响。

图1 明清海宁段老海塘基础裸露图

图2 奉化江堤防滑坡致板桩倾斜图

图3 绍围口门丘段海塘板桩裸露图

2.2 塘脚冲淤规律复杂

不同于长江、黄河等大江大河堤防冲刷主要受洪水单向冲刷影响[4-5]，浙江省沿海特别是河口地区海塘受到洪水、潮水的共同影响，导致河口区河床冲淤演变剧烈，河势变化频繁，由此引起近塘段河床因河势、洪潮动力差异而呈现出明显不同的塘脚冲淤规律[6]。如钱塘江河口闻堰河段的西江塘，位于河口区上游，潮流动力稍弱，图4为该塘段16+090 m断面2011—2017年塘前最低高程变化情况图。从图4 可看出塘前河床高程最深发生在大洪水过后的6—7月，其后潮流动力逐渐增强，潮流携带泥沙在此淤积，使得河床高程逐渐抬高，并在10月份左右达到高点。西江塘段海塘塘脚冲淤规律是洪冲潮淤，洪水是影响西江塘海塘塘脚冲刷的主要动力因子条件。

图4 钱塘江河口闻堰段西江塘16+090 m断面塘脚最低高程变化情况图

位于钱塘江河口海宁段的明清老海塘，其塘脚冲淤规律与西江塘有所差别，图5为老海塘101+000 m断面塘前河床高程变化情况图[6]。 可以看出该断面在梅汛期4—7月塘前滩地发生冲刷，梅汛后7—11月在秋季大潮作用下塘前滩地仍进一步冲刷，幅度在0.10～1.50 m ，进入弱潮枯水期滩地回淤。塘前滩地在梅汛期 4—7月和梅汛后大潮期 8—11月出现最低值，总体呈现洪水冲刷潮水也冲刷，其中以洪水冲刷为主。

图5 钱塘江河口海宁段老海塘101+000 m断面塘脚高程变化情况图

2.3 塘脚设计冲刷高程无相关规范标准

目前在海塘工程设计中，对于堤顶高程、宽度等均有相关规范可循，但对于海塘塘脚冲刷高程，相关规范仅给出了计算方法，并未给出冲刷标准。在工程实践中，如长江、黄河等大江大河堤防工程设计时[7-11]，均以堤防设防标准相匹配设计洪水动力条件下的冲刷高程作为堤防设计冲刷高程来进行堤防抗滑稳定复核和塘脚防冲措施设计。另外，一些堤防工程在实际建设时，若采用设计水文条件下堤脚冲刷高程，堤脚防冲措施工程投资将会增加很多，同时考虑到堤脚河床可通过日常定期维护使其维持在一较高高程，为节省工程投资，一些堤防工程选择历史最低高程或低于堤防设防标准的冲刷高程作为工程的设计冲刷高程，由此导致堤防工程设计时标准选择不一。

3 塘脚冲刷确定方法分类

目前对于塘脚冲刷确定方法主要有3类：①实测资料分析法；②数学模型计算法；③物理模型试验法。其中最常用的是数学模型计算法。

3.1 实测资料分析法

对于拥有长系列实测近塘地形资料的海塘段，通过对近塘河床冲淤演变规律分析，解析出近塘滩地冲刷高程变化规律，揭示其历史最低高程的原因，结合与之相应的洪水条件或潮流动力条件，建立塘脚冲刷与相应水文动力条件之间的相关关系，据此推求设计水文动力条件下的塘脚冲刷高程值。

对于无长系列近塘地形资料，但有工程河段宏观长系列地形资料的塘段，通过对该河段宏观河床冲淤演变规律分析，解析出工程河段河床平均高程变化规律，建立工程河段河床平均高程与相应水文动力条件之间的相关关系，进而推求出设计水文动力条件下的工程河段河床平均高程，再依据河床平均高程与塘脚河床高程之间的经验坡度关系，进而推求出设计水文动力条件下的塘脚冲刷高程。

该方法要求工程塘段具有详实的长系列近塘地形资料或宏观河段地形资料。

3.2 数学模型计算法

数学模型计算法是目前较常用的一种方法，其主要思路是基于圣维南浅水方程，建立工程所在河段平面二维水动力泥沙数学模型，根据近塘河床冲淤演变分析出的主要水动力因子，对相应设计水文动力条件下的局部流场情况进行模拟，得到近塘区域的流速、水深情况，运用GB 50286—2013《堤防工程设计规范》推荐的顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式[12]：

其中泥沙起动流速采用张瑞瑾的泥沙起动公式：

式中：hs为冲刷深度（m）；H0为冲刷处水深（m）；Ucp为近岸行进流速（m/s），对于涨落潮流情况，其流速和水深取值建议取涨落急最大流速及其对应时刻的水深；n为与护岸在平面上的形状有关的系数，n=1/4～1/6；Uc为泥沙起动流速（m/s）；d50为床沙中值粒径（m）；rs，r为泥沙与水的容重（kN/m3）。

当水流斜冲防洪岸坡产生的冲刷按GB 50707—2011《河道整治设计规范》附录B中B.2.2公式计算[13]：

式中：α为水流流向与岸坡的交角（°）；m为防护建筑物迎水面边坡系数；d为坡角处土壤计算粒径（m）。对非黏性土，取大于 15%（按质量计）的筛孔直径；对黏性土，取GB 50707—2011《河道整治设计规范》中附表 D.2.2-1的当量粒径值[13]。

在利用上述方法得到冲刷深度值后可根据数模计算时采用的河床高程作为起始高程，减去冲刷深度后，即可得到其冲刷高程值，对于河床冲淤幅度较大的岸段，为安全起见，建议以河床历史最低高程作为起始高程值，同样再减去冲刷幅度即可得到其塘脚冲刷高程。

3.3 物理模型试验法

物理模型试验分为动床水槽模型试验和大范围动床河工物理模型试验。

对于海塘塘脚前河床由于抛石等防护措施的存在及河床底质泥沙分层而导致河床土体条件较为复杂的情况，数学模型计算方法无法考虑这种复杂河床条件下的冲刷问题，需根据各段海塘塘前河床分层情况，分析河床各层土体泥沙起动特性，然后基于泥沙起动相似理论，构建海塘塘脚分层河床水槽试验模型，来研究塘脚冲刷问题。

对因局部涉水工程较多、弯道水流顶冲，洪潮动力条件复杂导致塘脚冲刷问题突出的的塘段，需基于物理模型试验相似理论，建立能够精准模拟现场条件的局部大范围动床河工物理试验模型。考虑到研究对象主要是近塘约100 m范围内河床，其模型试验比尺宜在1：50～1：300，试验中结合塘前一定范围及深度区域内的河床泥沙底质特性，根据泥沙起动相似和休止角相似准则，确定合适的模型沙，从而能够对复杂河段海塘塘脚冲刷问题进行精细化研究。

4 海塘安澜工程中塘脚冲刷问题的几点建议

4.1 塘脚设计冲刷高程的涵义

浙江省实施海塘安澜千亿工程，是为建设高标准的“安全+”生态海塘，理论上说是一劳永逸的一次工程，不需要定期的日常维护。因此对于此次工程来说，海塘塘脚设计冲刷高程应是海塘防御标准相应水文动力条件下的滩地冲刷高程值。它包含2个条件：一是海塘现状防冲条件下塘脚设计冲刷高程值；二是新防冲措施实施后塘脚设计冲刷高程值。

4.2 研究思路及研究方法

对于河口区海塘安澜工程，开展塘脚冲刷问题研究时，应搜集该区域的大范围地形资料、近塘河床地形资料及相关水文泥沙资料。开展必要的河床冲淤演变及近塘河床冲淤演变规律分析，确定该段海塘塘脚河床是属于淤积稳定型还是冲刷型海塘，并分析塘前滩地历史最低高程出现的原因。对于冲刷型塘段应分析其塘脚冲刷规律及其主要水动力因子，在此基础上采用数学模型计算法、实测资料分析法或物理模型试验法等进行海塘塘脚设计冲刷高程的研究。对于浙江省各河口海塘塘段应采用何种方法，按照河口区海塘塘脚冲刷问题的轻重差异进行初步分类，将河口区海塘安澜工程塘前滩地冲淤研究分为重点关注区段和一般关注区段。

（1）重点关注区段：河口区弯道凹岸段、深槽贴岸段及涉水建筑物影响的水流复杂段，宜采用实测资料分析、数学模型方法及物理模型试验方法综合研究塘脚冲刷问题。

（2）一般关注区段： 河口区重点关注区段之外塘段，宜至少采用实测资料分析、数学模型方法2种方法研究塘脚冲刷问题。

5 结论

塘脚冲刷问题是浙江省海塘安澜千亿工程中的关键问题之一，本文系统总结浙江省河口海岸地区海塘冲刷问题、现有的研究方法，给出浙江省海塘塘脚冲刷研究思路与推荐方法，得出结论：

水动力强劲致塘脚冲刷严重、塘脚冲淤规律复杂及塘脚冲刷高程标准选择不一，是浙江省河口海岸地区海塘塘脚冲刷目前存在的主要问题。

对于河口区弯道凹岸段、深槽贴岸段及因涉水建筑物影响的水流复杂段，归类为重点关注段，宜采用实测资料分析、数学模型方法及物理模型试验方法研究塘脚冲刷问题；河口区重点关注区段之外塘段，宜至少采用实测资料分析、数学模型方法2种方法研究塘脚冲刷问题。