钱塘江海宁临江古海塘堤前河床冲刷机理及冲刷高程研究

2022-06-17王忠权魏小旺陈文江

水利规划与设计 2022年6期

王忠权，魏小旺，陈文江

(1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州 310016；2.浙江省钱塘江流域中心，浙江杭州 310016)

1 概况

钱塘江海宁鱼鳞石塘在光绪六年(公元1880年)最后一次进行大规模维修，目前海宁段古海塘(鱼鳞石塘)遗存且仍然坚守在防洪御潮一线的主要集中分布在海宁老盐仓至塔山坝长33.5km岸段内，其中鱼鳞石塘的长度合计约28km，占该岸段总长的85%。根据历史记载，海宁鱼鳞石塘大部分建于乾隆年间，绝大部分塘段塘型为：塘高5.44m，塘基宽3.84m，塘基下布置11排木桩支承，除塘趾双排马牙桩、中间与内侧各1排密排桩外，余7排均为梅花桩，桩顶空隙间填筑碎石、墁灰土，使桩石、塘底连成一片；石塘塘身以厚32cm、宽38cm条石用糯米石灰浆丁、顺间砌，参差压缝；塘顶与迎潮面的条石之间还采用铁锭、铁锔、铁笋、铁箫等铁件嵌联；塘身砌石多为17层，自下而上逐层收分，成阶梯形，至顶层石塘宽1.44m，塘身迎潮面用油灰或桐油石灰杂以苧蔴筋嵌挤结实，以阻水淘吸附土[1]，1996—2004年的标准塘建设时，对部分段堤脚增设了板桩和丁坝，如图1所示。

图1 鱼鳞石塘结构示意图

2 问题的提出

钱塘江河口自20世纪60年代以来实行“治江与围涂相结合，以围代坝，以围促淤”的治理方针[2]，经过50余年的乘淤围涂，江道不断缩窄，已有160万亩[3]江面变成了陆地，在缩窄最明显的海宁河段，河势已发生较大变化[4]。

河势变化将引起堤前河床高程的变化[5]，而堤前河床设计冲刷高程直接影响海塘的安全[6- 9]，为此，需要研究新的河势下堤前河床冲刷高程。

3 冲刷机理研究

3.1 基础数据

钱塘江海宁河段在2010年已基本达到规划治导线，为此，在每年3次1∶50000全江道断面监测的基础上，以沿河方向平均1km布置1个近岸测量断面，断面宽度在2010年5月—2013年4月为从现有坦水外口往外江30m(7—9月每月观测2次，其他月份每月观测1次)，2013年4月之后断面宽度调整为100m(5—10月每月观测2次，其他月份每月观测1次)，测点间距2m。自秧田庙至塔山坝，江道全断面个数12个，堤前近岸测量断面25个。

3.2 尖山围垦前后冲刷变化

尖山围垦之前近岸河床有1974、1975、1976、1989、1991、1993、1994年等11次洪水过后实测滩地地形图。尖山围垦之后有2010年以来近岸25个实测河床断面。尖山围垦前后堤前20m范围内河床平均高程对比如图2所示。

图2 尖山围垦前后堤前高程对比图

可见经过20余年的围垦缩窄河道，径流作用加强，平面形态变化，及围垦后测量期间洪峰流量大于围垦前等因素，实测近岸平均河床除个别断面抬升0.25m外，普遍已刷深0.05～0.5m。

3.3 河段整体冲淤分析

钱塘江海宁河段具有明显的冲淤变化，一般年内变化为丰水期(3—7月)河床冲刷，枯水期(10月至次年2月)河床淤积，洪峰流量和洪量越大，冲刷幅度越大，冲刷河段越长[10]。如2017年6月24—27日，富春江电站最大下泄流量14900m3/s，105K断面冲刷淤幅度超8m，与堤脚距离170m左右，如图3所示。

图3 105K断面年内冲淤变化

尖山河段围涂后，该河段潮流演变为：涨潮流基本贴南岸上溯，顶冲在大缺口附近，受阻反射后水位迅速壅高，一股继续向上游上溯，一股则向下在尖山附近形成回流区，有利于泥沙落淤，从而该区域位于洪水的顶冲点，发生洪水时，该河段北岸滩地则被冲开。从如图4所示的2017年4、7、11月的河床形态可以看出，洪水后北岸河床年内经历高滩-深槽-高滩动态变化过程，体现了河床大冲大淤的特点。

图4 尖山河段2017年河床变化图

3.4 上游洪水与河床高程关系分析

以相对枯水的2018年和相对丰水的2019年为例，按照沿线有无丁坝群划分为81K—84K顺直段(丁坝群)、86K—88K顺直段(无丁坝群)、99K—102K弯道段(无丁坝群)、103K—105.8K弯道段(丁坝群)段，各段堤前30m河床高程和各测次间富春江水库下泄的最大流量如图5所示。

81.9K、83.1K和84K三个断面位于顺直河道丁坝群段，从图5可知，总体上流量的变化对该段滩地高程的影响较明显。2018年流量较小，滩地高程在1.0m左右，秋季大潮后有所下降；2019年流量较大，滩地有所刷深，其中年内5—6月份淤积明显，7月受梅雨影响冲刷，8月之后缓慢淤积，除春汛外，大体高程在0m以上。因此本段总体冲淤变幅相对较小，一般年份在2m左右，在一定量的洪水过后，滩地会刷深，但无洪水持续刷深，则滩地稳步淤积，淤积时段较长。

86K、87K和87.9K三个断面位于顺直河道无丁坝群段，从图5可知，8月之后虽然上游来水减少，但滩地高程仍有2m左右的冲淤变化，可见无丁坝段受潮水的影响较丁坝群段更大。本段流量变化对河床冲淤影响波动也十分明显，波动幅度较81K—84K丁坝群段大。总体上滩地平衡时段较短，且平均河床高程接近-1m。

99K、100K、101K和102K四个断面位于弯曲河道凹岸无丁坝群段，从图5可知，春汛流量相对梅汛期流量较小，基本无法加深滩地高程，而梅汛对滩地刷深明显，汛后则滩地总体缓慢淤积直到来年4月，维持时间较长，且总体高程在0m以上。

图5 各段堤前30m河床高程与流量对照图

103K、104K、105K和105.8K四个断面位于弯曲河道凹岸丁坝群段，从图5可知，因春汛流量相对梅汛期流量较小，滩地较99K—102K段更稳定，梅汛流量较大时，则对滩地刷深较明显，汛后滩地淤积也较快，直到来年6月，维持时间更长，1—6月高程在3m以上。

上述各段在富春江电站下泄流量4000m3/s左右以下时，洪水对河床影响小，超过这一流量时，则洪水下河床刷深，流量越大，刷深越明显。

3.5 洪潮作用分析

塘前河床冲淤受径流、潮流以及江道变化[11- 12]等多种因素共同影响。洪水的影响主要是梅汛期冲刷河槽，江道容积增大，潮动力减弱，进而引起堤前江道冲刷。如2010—2012年的7月闸口—盐官河段5.17m以下江道容积分别高达5.47亿、5.23亿、5.34亿m3，此后的9月份盐官的月平均潮差分别高达4.0、4.09、4.05m，较盐官多年9月平均潮差增大0.8m左右。图6为盐官月均潮差与塘前滩地最低高程的相关性，从图6可见，两者相关系数可达0.8以上(R2=0.6763，R=0.82)，洪水越大，江道冲刷幅度越大，容积亦越大，从而引起该河段潮动力增强，塘前滩地冲刷剧烈。

图6 月均潮差与堤前河床最低高程相关性

自2010年开展堤前滩地精细测量以下，在2011年和2017年有5次流量相对较大的洪峰，情况见表1。

表1 2011年和2017年富春江电站洪峰流量单位：m3/s

2010—2017年98K、101K、105K断面堤前30m范围内河床最低高程变化如图7—8所示。98K断面最低值-2.71m，测量时间为2010年9月10日(当月盐官月均潮差4m)；105K断面最低值-2.25m，测量时间为2016年8月21日(梅汛后大潮期)。

图7 98K断面各测次最低高程变化过程

图8 105K断面各测次最低高程变化过程

98K(大缺口)位于潮水上溯顶冲河段，2011和2017年洪水过程前后最低冲刷高程与洪峰流量关系不明显，见表2，堤前河床最低值出现在梅汛后的秋季大潮期间，属于洪水先冲，大潮加剧的局面。

表2 98K断面典型洪水前后实测最深点高程单位：m

105K(平头)断面在梅汛期堤前河床发生冲刷，梅汛后的7—11月秋季大潮作用下仍进一步冲刷，幅度1～4m左右，梅汛后的大潮期也有产生一定的冲刷，幅度0.1～1.5m左右，进入弱潮枯水期则回淤。堤前河床多在梅汛期和梅汛后8—11月的大潮期出现最低值，但总体以洪水冲刷为主。105K断面在2017年洪水前后最深点高程变化见表3。