張芝永，曾 劍，史英標(biāo)，陳甫源，張伯虎

（浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

堤防是早期廣為采用的一種重要防洪工程。筑堤是防御洪水泛濫、保護(hù)居民和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要措施。在河口海岸地區(qū)，堤防工程除了防洪之外，還需要防御外海潮汐風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害，通常稱河口海岸地區(qū)的堤防為海塘。海塘的破壞形式有：塘頂溢流、潮浪越頂破壞后坡引起的結(jié)構(gòu)破壞、滲流引起的滲透破壞、土體滑動(dòng)失穩(wěn)破壞等[1-2]。其中滑動(dòng)失穩(wěn)破壞最為嚴(yán)重，其破壞原因主要是受洪潮影響，塘腳前沿灘地沖刷，高程降低，阻止海塘滑動(dòng)的塘前土體被動(dòng)土壓力減小，從而導(dǎo)致海塘滑動(dòng)失穩(wěn)。

2020年，浙江省委省政府為深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”五大發(fā)展理念，落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于提高防治災(zāi)害能力的重要指示精神，作出實(shí)施海塘安瀾千億工程的決策部署，工程以“安全、生態(tài)、融合、引航”的“安全+”高標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)海塘為建設(shè)目標(biāo)，是繼標(biāo)準(zhǔn)海塘建設(shè)后又一重大舉措，工程的實(shí)施可全面提高浙江省沿海防臺(tái)御潮能力，防范化解重大風(fēng)險(xiǎn)，確保沿海安瀾。根據(jù)海塘安瀾千億工程的建設(shè)規(guī)劃，塘腳防沖能力的提升是海塘提升安全度的一個(gè)重要建設(shè)部分。而目前由于浙江省河口海岸地區(qū)海塘塘腳沖刷的復(fù)雜性、工程實(shí)施的可操作性等問(wèn)題，在塘腳沖刷問(wèn)題的確定方法、標(biāo)準(zhǔn)選擇等方面均未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。因此，為更好地指導(dǎo)各地海塘安瀾工程的順利開(kāi)展，本文系統(tǒng)梳理了浙江省河口海岸地區(qū)海塘塘腳沖刷的主要難點(diǎn)問(wèn)題和現(xiàn)行常用的研究方法，并對(duì)河口區(qū)海塘進(jìn)行分類，推薦計(jì)算方法，以供工程設(shè)計(jì)參考。

2 浙江省河口海岸地區(qū)海塘塘腳沖刷存在問(wèn)題

浙江省海塘安瀾千億工程涉及898段，一線海塘總計(jì)2 014 km，工程分布在浙江省錢塘江河口、甌江河口、飛云江河口、鰲江河口、椒江河口及海島地區(qū)。浙江省沿海地區(qū)多為淤泥質(zhì)海岸，其塘腳灘地基本處于淤積或穩(wěn)定狀態(tài)。而對(duì)于河口區(qū)海塘，因受洪潮動(dòng)力共同影響，部分塘段塘腳沖淤規(guī)律復(fù)雜且沖刷比較嚴(yán)重。

2.1 水動(dòng)力強(qiáng)勁沖刷問(wèn)題突出

浙江省沿海地區(qū)是我國(guó)潮流動(dòng)力最強(qiáng)的海域，風(fēng)暴潮臺(tái)風(fēng)浪及其引起的洪水等極端災(zāi)害頻發(fā)。在浙江省幾大感潮河段，海塘塘腳河床受到洪水、潮流動(dòng)力的疊加影響，沖刷問(wèn)題比較突出。特別是在錢塘江河口，動(dòng)力極強(qiáng)的涌潮對(duì)海塘塘腳的沖刷及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定造成極大的影響。圖1為明清期錢塘江海寧段老海塘圖，從圖1可看出老海塘在潮流及涌潮動(dòng)力影響下塘腳底部發(fā)生明顯淘刷，海塘基礎(chǔ)木樁已很多裸露。2014年寧波市奉化江堤防鄞州段發(fā)生滑坡[3]，并導(dǎo)致板樁向外傾斜（見(jiàn)圖2）。經(jīng)分析，主要原因是2012年以來(lái)受多場(chǎng)臺(tái)風(fēng)洪水影響，奉化江河床水下地形劇烈沖刷，板樁前河床刷深達(dá)3.00 m左右，同時(shí)-7.00 m等深線由堤腳外26.00 m推進(jìn)到堤腳外12.00 m。圖3為2019年紹興口門段海塘塘腳沖刷情況圖，從圖3可見(jiàn)板樁已裸露達(dá)2.00 m以上，對(duì)塘腳穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

圖1 明清海寧段老海塘基礎(chǔ)裸露圖

圖2 奉化江堤防滑坡致板樁傾斜圖

圖3 紹圍口門丘段海塘板樁裸露圖

2.2 塘腳沖淤規(guī)律復(fù)雜

不同于長(zhǎng)江、黃河等大江大河堤防沖刷主要受洪水單向沖刷影響[4-5]，浙江省沿海特別是河口地區(qū)海塘受到洪水、潮水的共同影響，導(dǎo)致河口區(qū)河床沖淤演變劇烈，河勢(shì)變化頻繁，由此引起近塘段河床因河勢(shì)、洪潮動(dòng)力差異而呈現(xiàn)出明顯不同的塘腳沖淤規(guī)律[6]。如錢塘江河口聞堰河段的西江塘，位于河口區(qū)上游，潮流動(dòng)力稍弱，圖4為該塘段16+090 m斷面2011—2017年塘前最低高程變化情況圖。從圖4 可看出塘前河床高程最深發(fā)生在大洪水過(guò)后的6—7月，其后潮流動(dòng)力逐漸增強(qiáng)，潮流攜帶泥沙在此淤積，使得河床高程逐漸抬高，并在10月份左右達(dá)到高點(diǎn)。西江塘段海塘塘腳沖淤規(guī)律是洪沖潮淤，洪水是影響西江塘海塘塘腳沖刷的主要?jiǎng)恿σ蜃訔l件。

圖4 錢塘江河口聞堰段西江塘16+090 m斷面塘腳最低高程變化情況圖

位于錢塘江河口海寧段的明清老海塘，其塘腳沖淤規(guī)律與西江塘有所差別，圖5為老海塘101+000 m斷面塘前河床高程變化情況圖[6]。 可以看出該斷面在梅汛期4—7月塘前灘地發(fā)生沖刷，梅汛后7—11月在秋季大潮作用下塘前灘地仍進(jìn)一步?jīng)_刷，幅度在0.10～1.50 m ，進(jìn)入弱潮枯水期灘地回淤。塘前灘地在梅汛期 4—7月和梅汛后大潮期 8—11月出現(xiàn)最低值，總體呈現(xiàn)洪水沖刷潮水也沖刷，其中以洪水沖刷為主。

圖5 錢塘江河口海寧段老海塘101+000 m斷面塘腳高程變化情況圖

2.3 塘腳設(shè)計(jì)沖刷高程無(wú)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

目前在海塘工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于堤頂高程、寬度等均有相關(guān)規(guī)范可循，但對(duì)于海塘塘腳沖刷高程，相關(guān)規(guī)范僅給出了計(jì)算方法，并未給出沖刷標(biāo)準(zhǔn)。在工程實(shí)踐中，如長(zhǎng)江、黃河等大江大河堤防工程設(shè)計(jì)時(shí)[7-11]，均以堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)相匹配設(shè)計(jì)洪水動(dòng)力條件下的沖刷高程作為堤防設(shè)計(jì)沖刷高程來(lái)進(jìn)行堤防抗滑穩(wěn)定復(fù)核和塘腳防沖措施設(shè)計(jì)。另外，一些堤防工程在實(shí)際建設(shè)時(shí)，若采用設(shè)計(jì)水文條件下堤腳沖刷高程，堤腳防沖措施工程投資將會(huì)增加很多，同時(shí)考慮到堤腳河床可通過(guò)日常定期維護(hù)使其維持在一較高高程，為節(jié)省工程投資，一些堤防工程選擇歷史最低高程或低于堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的沖刷高程作為工程的設(shè)計(jì)沖刷高程，由此導(dǎo)致堤防工程設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)選擇不一。

3 塘腳沖刷確定方法分類

目前對(duì)于塘腳沖刷確定方法主要有3類：①實(shí)測(cè)資料分析法；②數(shù)學(xué)模型計(jì)算法；③物理模型試驗(yàn)法。其中最常用的是數(shù)學(xué)模型計(jì)算法。

3.1 實(shí)測(cè)資料分析法

對(duì)于擁有長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)近塘地形資料的海塘段，通過(guò)對(duì)近塘河床沖淤演變規(guī)律分析，解析出近塘灘地沖刷高程變化規(guī)律，揭示其歷史最低高程的原因，結(jié)合與之相應(yīng)的洪水條件或潮流動(dòng)力條件，建立塘腳沖刷與相應(yīng)水文動(dòng)力條件之間的相關(guān)關(guān)系，據(jù)此推求設(shè)計(jì)水文動(dòng)力條件下的塘腳沖刷高程值。

對(duì)于無(wú)長(zhǎng)系列近塘地形資料，但有工程河段宏觀長(zhǎng)系列地形資料的塘段，通過(guò)對(duì)該河段宏觀河床沖淤演變規(guī)律分析，解析出工程河段河床平均高程變化規(guī)律，建立工程河段河床平均高程與相應(yīng)水文動(dòng)力條件之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推求出設(shè)計(jì)水文動(dòng)力條件下的工程河段河床平均高程，再依據(jù)河床平均高程與塘腳河床高程之間的經(jīng)驗(yàn)坡度關(guān)系，進(jìn)而推求出設(shè)計(jì)水文動(dòng)力條件下的塘腳沖刷高程。

該方法要求工程塘段具有詳實(shí)的長(zhǎng)系列近塘地形資料或宏觀河段地形資料。

3.2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算法

數(shù)學(xué)模型計(jì)算法是目前較常用的一種方法，其主要思路是基于圣維南淺水方程，建立工程所在河段平面二維水動(dòng)力泥沙數(shù)學(xué)模型，根據(jù)近塘河床沖淤演變分析出的主要水動(dòng)力因子，對(duì)相應(yīng)設(shè)計(jì)水文動(dòng)力條件下的局部流場(chǎng)情況進(jìn)行模擬，得到近塘區(qū)域的流速、水深情況，運(yùn)用GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式[12]：

其中泥沙起動(dòng)流速采用張瑞瑾的泥沙起動(dòng)公式：

式中：hs為沖刷深度（m）；H0為沖刷處水深（m）；Ucp為近岸行進(jìn)流速（m/s），對(duì)于漲落潮流情況，其流速和水深取值建議取漲落急最大流速及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的水深；n為與護(hù)岸在平面上的形狀有關(guān)的系數(shù)，n=1/4～1/6；Uc為泥沙起動(dòng)流速（m/s）；d50為床沙中值粒徑（m）；rs，r為泥沙與水的容重（kN/m3）。

當(dāng)水流斜沖防洪岸坡產(chǎn)生的沖刷按GB 50707—2011《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B中B.2.2公式計(jì)算[13]：

式中：α為水流流向與岸坡的交角（°）；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d為坡角處土壤計(jì)算粒徑（m）。對(duì)非黏性土，取大于 15%（按質(zhì)量計(jì)）的篩孔直徑；對(duì)黏性土，取GB 50707—2011《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》中附表 D.2.2-1的當(dāng)量粒徑值[13]。

在利用上述方法得到?jīng)_刷深度值后可根據(jù)數(shù)模計(jì)算時(shí)采用的河床高程作為起始高程，減去沖刷深度后，即可得到其沖刷高程值，對(duì)于河床沖淤幅度較大的岸段，為安全起見(jiàn)，建議以河床歷史最低高程作為起始高程值，同樣再減去沖刷幅度即可得到其塘腳沖刷高程。

3.3 物理模型試驗(yàn)法

物理模型試驗(yàn)分為動(dòng)床水槽模型試驗(yàn)和大范圍動(dòng)床河工物理模型試驗(yàn)。

對(duì)于海塘塘腳前河床由于拋石等防護(hù)措施的存在及河床底質(zhì)泥沙分層而導(dǎo)致河床土體條件較為復(fù)雜的情況，數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法無(wú)法考慮這種復(fù)雜河床條件下的沖刷問(wèn)題，需根據(jù)各段海塘塘前河床分層情況，分析河床各層土體泥沙起動(dòng)特性，然后基于泥沙起動(dòng)相似理論，構(gòu)建海塘塘腳分層河床水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?lái)研究塘腳沖刷問(wèn)題。

對(duì)因局部涉水工程較多、彎道水流頂沖，洪潮動(dòng)力條件復(fù)雜導(dǎo)致塘腳沖刷問(wèn)題突出的的塘段，需基于物理模型試驗(yàn)相似理論，建立能夠精準(zhǔn)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件的局部大范圍動(dòng)床河工物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ??？紤]到研究對(duì)象主要是近塘約100 m范圍內(nèi)河床，其模型試驗(yàn)比尺宜在1：50～1：300，試驗(yàn)中結(jié)合塘前一定范圍及深度區(qū)域內(nèi)的河床泥沙底質(zhì)特性，根據(jù)泥沙起動(dòng)相似和休止角相似準(zhǔn)則，確定合適的模型沙，從而能夠?qū)?fù)雜河段海塘塘腳沖刷問(wèn)題進(jìn)行精細(xì)化研究。

4 海塘安瀾工程中塘腳沖刷問(wèn)題的幾點(diǎn)建議

4.1 塘腳設(shè)計(jì)沖刷高程的涵義

浙江省實(shí)施海塘安瀾千億工程，是為建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)的“安全+”生態(tài)海塘，理論上說(shuō)是一勞永逸的一次工程，不需要定期的日常維護(hù)。因此對(duì)于此次工程來(lái)說(shuō)，海塘塘腳設(shè)計(jì)沖刷高程應(yīng)是海塘防御標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)水文動(dòng)力條件下的灘地沖刷高程值。它包含2個(gè)條件：一是海塘現(xiàn)狀防沖條件下塘腳設(shè)計(jì)沖刷高程值；二是新防沖措施實(shí)施后塘腳設(shè)計(jì)沖刷高程值。

4.2 研究思路及研究方法

對(duì)于河口區(qū)海塘安瀾工程，開(kāi)展塘腳沖刷問(wèn)題研究時(shí)，應(yīng)搜集該區(qū)域的大范圍地形資料、近塘河床地形資料及相關(guān)水文泥沙資料。開(kāi)展必要的河床沖淤演變及近塘河床沖淤演變規(guī)律分析，確定該段海塘塘腳河床是屬于淤積穩(wěn)定型還是沖刷型海塘，并分析塘前灘地歷史最低高程出現(xiàn)的原因。對(duì)于沖刷型塘段應(yīng)分析其塘腳沖刷規(guī)律及其主要水動(dòng)力因子，在此基礎(chǔ)上采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算法、實(shí)測(cè)資料分析法或物理模型試驗(yàn)法等進(jìn)行海塘塘腳設(shè)計(jì)沖刷高程的研究。對(duì)于浙江省各河口海塘塘段應(yīng)采用何種方法，按照河口區(qū)海塘塘腳沖刷問(wèn)題的輕重差異進(jìn)行初步分類，將河口區(qū)海塘安瀾工程塘前灘地沖淤研究分為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段和一般關(guān)注區(qū)段。

（1）重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段：河口區(qū)彎道凹岸段、深槽貼岸段及涉水建筑物影響的水流復(fù)雜段，宜采用實(shí)測(cè)資料分析、數(shù)學(xué)模型方法及物理模型試驗(yàn)方法綜合研究塘腳沖刷問(wèn)題。

（2）一般關(guān)注區(qū)段： 河口區(qū)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段之外塘段，宜至少采用實(shí)測(cè)資料分析、數(shù)學(xué)模型方法2種方法研究塘腳沖刷問(wèn)題。

5 結(jié)論

塘腳沖刷問(wèn)題是浙江省海塘安瀾千億工程中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，本文系統(tǒng)總結(jié)浙江省河口海岸地區(qū)海塘沖刷問(wèn)題、現(xiàn)有的研究方法，給出浙江省海塘塘腳沖刷研究思路與推薦方法，得出結(jié)論：

水動(dòng)力強(qiáng)勁致塘腳沖刷嚴(yán)重、塘腳沖淤規(guī)律復(fù)雜及塘腳沖刷高程標(biāo)準(zhǔn)選擇不一，是浙江省河口海岸地區(qū)海塘塘腳沖刷目前存在的主要問(wèn)題。

對(duì)于河口區(qū)彎道凹岸段、深槽貼岸段及因涉水建筑物影響的水流復(fù)雜段，歸類為重點(diǎn)關(guān)注段，宜采用實(shí)測(cè)資料分析、數(shù)學(xué)模型方法及物理模型試驗(yàn)方法研究塘腳沖刷問(wèn)題；河口區(qū)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)段之外塘段，宜至少采用實(shí)測(cè)資料分析、數(shù)學(xué)模型方法2種方法研究塘腳沖刷問(wèn)題。