長江河勢急劇變化區拋石護岸工程對水流條件影響

王茂枚，朱 昊，趙 鋼，徐 毅，蔡 軍

（江蘇省水利科學研究院，南京 210017）

0 引 言

長江河勢急劇變化區通常指水深、流急、水動力條件極其復雜，造成河床、洲灘擺動性大，江岸沖淤變動頻繁的河段［1］。據有關資料，自20 世紀90年代以來，長江中下游河道已發生數百起崩岸現象，最嚴重時一年內發生數十起，長江中下游干流河道兩岸岸線總長4 250 km，崩岸段的長度就達到1 520 km，占比達35.7%。新中國成立之后，隨著水利事業的蓬勃發展，長江保護和治理受到高度重視，持續開展堤岸防護、河勢控導以及應急搶護等工作，長江下游實施了大量河道整治工程，大大減少了崩岸現象的發生，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2014年以來逐月河勢監測資料表明，沖淤最大深度的月際變化超過10 m，河勢變化極為劇烈［2］。水下拋石護岸能適應各種岸坡地形需要，而且造價低，施工方便，在長江中下游護岸工程中被廣泛采用，也是長江河勢急劇變化區治理的主要護岸型式［3，4］，研究拋石護岸工程的岸坡防護效果和對河勢的控制效果對維持岸線穩定、保障防洪安全具有重要意義［5，6］。

國內外對拋石護岸的研究，主要從拋石護岸的穩定性、防沖促淤效果和河勢控制效果三個方面進行考慮。拋石護岸的穩定性受水流條件影響顯著，相關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［10］等。一些學者通過水槽實驗方法，分析了塊石的起動流速以及不同鋪石厚度和面積對河床的防沖促淤作用，對拋石護岸的破壞機理進行了深入研究［11-13］。在河勢影響方面，常用的研究方法是根據歷年水文泥沙及水下地形等基礎資料［14，15］，分析拋石護岸工程后河勢的變化。Islam［16］基于衛星遙感圖像對印度孟加拉河上的Farakka 大壩實施前后引起的河道彎曲處的曲率變化進行了研究，其研究成果在工程后期得到驗證。趙鋼［17，18］等基于點云數據分析對拋石護岸效果的拋投準確性、拋投均勻性、拋石增厚值等方面開展了水下拋石工藝拋投效果分析。羅青［19，20］等基于GIS 空間分析技術從拋石施工質量、施工過程及施工成本等方面對水下拋石效果進行評價研究。隨著數值模擬技術的發展，其應用價值大幅提升，李大鳴［21］等提出對網格進行錯位計算的方法，改進了相同層網格計算誤差較大的缺點，并結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學模型，在海河下游進行了模擬，模擬精度較好。姜果等［22］采用平面二維水沙數值模型分析了拋石工程對水位、流速的影響，為河道治理提供了理論依據，然而其未考慮感潮河段漲潮和落潮流情形下拋石護岸工程影響的差異。

拋石護岸作為國內外應用最廣泛的護岸型式，目前國內外研究主要集中于拋石施工工藝、施工方法、工程設計和破壞機理等方面，以往關于河勢急劇變化區的拋石護岸防護效果的研究較少，且主要根據實測資料的結果進行河勢演變分析，方法較為單一。此外，由于水下地形監測需要較大人力、物力的投入，監測時間受到較大的限制，目前仍難以做到實時水下地形監測。針對以上研究中存在的不足，本文以長江老海壩河段為例，基于Delft3D 開源軟件建立三維水流數值模型，對拋石護岸實施后工程河段水流條件變化進行研究，對比分析拋石護岸工程實施后不同漲、落潮情形下河勢急劇變化區水流結構的變化，為類似區域的長期治理提供參考依據。

1 研究區域概況

1.1 河道概況

本文研究區域為長江澄通河段（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，河勢演變劇烈。福姜沙河道上段順直單一，下段為向南彎曲的穩定性較好的雙分汊河道；如皋沙群段主要由民主沙、長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民主沙匯合后進入瀏海沙水道下段（長青沙南汊）；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施，目前向通州沙東水道和西水道分流的穩定雙分汊河道發展。老海壩所在如皋沙群段位于長江口澄通河段中上部，處于河口潮汐與徑流的交匯區，長約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。河床對水流約束的邊界條件寬，使得水流隨著流量的變化而動蕩，岸線坍塌和淤積反反復復，變化較大。

拋石工程區域位于福姜沙南汊瀏海沙水道下段右岸（見圖1 方框）。20 世紀70年代初，主流進入瀏海沙水道，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以下，受水流直接沖刷作用較弱，河岸與上游相比較為穩定。隨后，如皋中汊分流開始增加，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度明顯增強，江岸堤防安全受到直接影響。1990年以來，如皋中汊的發展趨于緩和，分流比漸漸趨于穩定，但是九龍港～十一圩主流頂沖區域的河床沖刷強度依然較大，河床被普遍刷深，深泓右移，前沿由-30 m 發展到-50 m 的貫通深潭，多處出現-60 m深潭。2014年逐月河勢監測資料表明，張家港市老海壩河段河勢變化極為劇烈，個別位置沖淤厚度的月際變化超過10 m，岸坡已處于臨界狀態。

圖1 研究河段河勢圖Fig.1 River regime map of study reach

1.2 工程概況

張家港老海壩節點綜合整治工程位于長江下游澄通河段瀏海沙水道右岸，隸屬長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），里程總長約7 250 m，沿岸線走勢長度約6 800 m。其中平順護岸工程拋石分為堤防外坡的散拋石（外圍堤外由碼頭平臺及棧橋圍成的內側水域拋石）與碼頭外部前沿深水區拋石（散拋大塊石、散拋小粒徑塊石防崩層）。工程分兩期實施，一期工程拋石量約為96.4 萬m2，二期工程拋石總量約147.8 萬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，維持岸坡穩定，為保證工程效果，設計拋石寬度為40～120 m，設計最大拋石厚度2.5 m。

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

2 數學模型的建立

2.1 模型計算范圍及網格劃分

本文主要基于軟件Delft3D 進行研究，其水動力模型控制方程為基于淺水假設以及Boussines 假設的不可壓縮流Navier-Stoke 方程［23］，通過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行離散、在時間上采用歐拉向前差分法離散。求解變量在網格中交錯布置，采用ADI 交替隱式方法進行求解。

模型計算區域網格如圖3所示，上游邊界為江陰，下游邊界至徐六涇，橫向網格673 個，縱向網格168，對老海壩拋石工程區進行加密，最小網格尺寸為10 m 左右。計算時間步長為0.3 min，以確保柯朗數（Courant number）在計算過程中不超過1.0。模型采用2014年實測地形資料作為模型初始地形。平面坐標系采用北京1954 投影坐標，地形高程及計算潮位均采用1985國家高程基準。

圖3 模型網格示意圖Fig.3 Model grid diagram

2.2 模型驗證

模型水動力驗證采用2014年7月27日-7月31日的實測潮位、流速和流向資料（測站位置見圖4），潮位驗證選擇如皋港、太子圩港、天生港、五干河、七干河、望虞河、營船港、匯豐碼頭等8 個潮位站的實測潮位過程，流速驗證采用計算區域內的四條垂線的實測平均流速過程。驗證結果如圖5所示。模擬計算的水位、流速、流向的幅值和相位與實測值吻合較好，因此模擬結果可信，模型在模擬水流運動時是較為合理和準確的。

圖4 研究區域水尺、測流點、采樣點布置Fig.4 Layout of water ruler and flow measuring point in study area

圖5 監測點潮位、流速及流向驗證Fig.5 Layout of water ruler and flow measuring point in study area

2.3 拋石區糙率修正

由于河床演變在汛期的演變速率明顯高于非汛期。為綜合分析拋石護岸工程實施對研究河段水流條件的影響，選擇汛期實測潮位模擬典型水動力邊界下河段水動力過程。拋石護岸工程通過加密局部地形網格（圖3）后抬高地形以及拋石區修正局部糙率的方法進行模擬。護底加糙后糙率與拋石前糙率關系采用以下公式［24］：

式中：n為加糙后的糙率系數；n0為加糙前的糙率系數；D為加糙后拋石中值粒徑；D0為加糙前床沙粒徑；k、k0為經驗系數。

3 計算結果

3.1 對潮位的影響

為詳細分析工程對水流特性產生的影響，在不同河段內選取多個采樣點，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。潮位變化主要體現的是拋石護岸工程對河段防洪、排澇的影響，因此重點對洪季條件下工程對潮位的影響進行分析。工程河段受非正規半日淺海潮影響，水位呈周期性漲落變化。為分析工程潮位變化對河段防洪、排澇的影響，選取模擬期內漲憩（潮水漲到最高時）和落憩（潮水落到最低時）的兩個時間點進行工程前后的水位變化分析。

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

表1 監測點潮位變化統計 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 對流速的影響

選取工程實施后河段漲、落急時刻垂向平均流速進行分析，工程實施后漲急、落急情形下流速變化分布如圖7所示。模擬結果表明，工程實施后漲急情形下，流速變化主要發生在拋石工程區所在河段，即瀏海沙水道從上游一干河至下游西界港所在區域，最大變幅在0.2 m/s 以內，其余河段流速變化均小于0.01 m/s。流速增大和減少區域無明顯規律，究其原因，拋石護岸工程不僅增加了拋石區的河底高程，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致該處流速流向較為復雜，總體表現為拋石區及岸坡流速減小，拋石區外側流速增大，深槽內流速又減少的規律。落急情形下工程實施后，流速變化區域與漲急時刻類似，主要局限拋石區及下游10 km 范圍河段內，流速變化大多在0.1 m/s以內，離工程區越遠流速變化越小。流速變化規律較為明顯，拋石區及其下游帶狀區域流速減小，而拋石區外側河道內則流速增大，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，從而增大了水流經過的阻力，使得一部分水流從左側河道通過，增大了瀏海沙水道左側河道的流速。

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 給出了監測點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，工程區以外各測點流速變化很小，變幅小于0.005 m/s，工程區內流速變化在-0.15～0.2 m/s，最大變幅發生在P10 測點，流速增幅達43.52%。落急時刻，非工程區流速變化較漲急時刻有所增大，整體流速變化在0.02 m/s以內，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。工程區內流速變化較大，流速變化范圍為-0.3～0.1 m/s，最大變幅發生在P12測點，流速減幅達31.51%。綜上，工程實施后，不論是漲急時刻還是落急時刻，流速變化主要集中于拋石工程區域，流速最大變幅在0.3 m/s 左右，主要呈現拋石區流速減少深槽流速增大的規律。

3.3 對分流比的影響

對于分汊河道來說，分流比是反映汊道興衰變化的重要水動力學指標，工程實施后河段的汊道形態、汊道阻力、河槽容積等均有所改變，影響汊道分流比，進而影響本河段的河勢變化，為分析工程的實施對河道分流比的影響，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計見表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分流比占比超70%，落潮時刻占比大于漲潮時刻，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增加0.84%，在落急時增加0.02%，瀏海沙水道分流比變化則相反。長青沙的存在使如皋中汊的水流一部分從如皋左汊流過，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水流占比超98%，落急時刻占比大于漲急時刻，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，漲潮流所受工程影響大于落潮時刻，特別是斷面1分流比變化最大，變幅達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 論

基于Delft3D 采用三維水流數學模型針對長江下游河勢急劇變化區拋石護岸工程對水流條件影響開展研究。分別針對落憩時刻和漲憩時刻工程實施后潮位變化進行分析，結果表明，落憩時呈現工程區上游壅高下游降低的規律變化，漲憩時由于潮汐的影響潮位呈不對稱波動式變化；針對工程后漲急、落急時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，呈現拋石區流速減少深槽流速增大的規律，工程實施后瀏海沙水道分流比減小且漲急時刻所受影響大于落急時刻。所得成果為分析和預測拋石護岸工程實施效果及未來拋石方案的制定提供參考依據，也對保障河道防洪安全和堤防安全具有重要意義。 □