赭山湾控导工程方案研究

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简介： 钱塘江河口自七格至美女山段的南岸为河变凹岩，习称赭山湾．因位于河口的过渡段，山水和潮流流路不一致，且流量的时间分布相差悬殊，以致主槽摆动频繁，岸滩坍涨不定．历史上，河口过渡段流路曾先后流经龛、赭两山间的南大门，禅机、河庄两山之间的中小门和河庄山与海宁海塘之间的北大门的变迁，史称“三门变迁”......
关键字：赭山湾 控导工程 方案研究

1　概　况
　　钱塘江河口自七格至美女山段的南岸为河变凹岩，习称赭山湾．因位于河口的过渡段，山水和潮流流路不一致，且流量的时间分布相差悬殊，以致主槽摆动频繁，岸滩坍涨不定．历史上，河口过渡段流路曾先后流经龛、赭两山间的南大门，禅机、河庄两山之间的中小门和河庄山与海宁海塘之间的北大门的变迁，史称“三门变迁”．
　　为了除害兴利，清康熙末期便开始开挖中小门引河，希图引导主流由中小门进出，以免危害两岸；雍正期间，更拟订了开挖中小门引河，筑尖、塌两山之间石坝和北岸改建石塘三项措施并进的治理河口计划．此后，民国期间和中华人民共和国成立后，均曾几度拟定治理河口计划，并在实施过程中随江道形势变化而一再修改．至2000年封堵九上顺坝围堤和建成标准塘，赭山湾整治工程已大体上完成．
　　主要建筑物有：美女山坝，于1964年建成，坝长1 050 m．其中自0＋972 m处起向上游折转90°，成与水流方向平行的顺坝，整条坝实际上是勾头丁坝．
    九号坝，于1966年基本建成，坝长3 100 m．
    一号坝，于1964年开始抛筑，1966年建成，坝长1 700 m．
　　七下右顺坝，于1960年开始抛筑坝根护岸块石，1961年开始抛筑坝身，1965年建成，坝长1 750 m．
　　1966年，从美女山坝坝身0＋550 m处至九号坝坝身2＋750 m处筑围堤，长4 721 m，围涂1 500 hm²．围堤外设盘头4座，并外各接短丁坝，间距900 m，以挑溜护脚，当年完工．
　　1966年～1968年，自赭山湾一号坝上游769 m至该坝下游1 443 m，沿设计堤线在滩地上预堆块石；又自赭山湾九号坝开始向上游沿设计堤线也在滩地上预堆块石，堆石体长1 447 m．至1970年下半年，堆石体内侧和外侧数百半滩面已淤涨到可围高程，遂于是年冬至次年春，紧贴堆石体内侧筑围堤长5 159 m，围涂1 266．7 hm²，并于1977年完成块石护坡和抛石护脚．又在赭山湾一号坝上游围堤外抛筑短丁坝两座，一号坝至九号坝间围堤外抛筑短丁坝4座，长分别在240～250 m．
　　1976年开始抛筑东风角至九号坝坝头间顺坝（简称九上顺坝），全长6 423 m，至1988年，实抛筑6 403 m，其中从九号坝向上游伸展的1 615 m和自东风角向下游伸长的1 580 m为高坝．至此，主槽已控制在规划河道线内，江槽基本上趋于稳定，通航条件明显改善，顺坝坝囊内733．3 hm²滩涂已围340 h m²．2000年完成顺坝堵口．
　　九上顺坝合拢封闭后，赭山湾河势虽已得到基本控制，但新岸线堤前紧邻冲刷槽．由淤涨、落潮流走向分歧和强度变化等因素，导致凹岸顶冲点和冲刷槽在弯顶附近上、下移动．有时可向上延伸到东风角，有时也可向下延伸至仓前白虎山，九号坝至美女山坝和美女山坝至乌龟山岸段经常处于深槽逼岸状态．塘前河床最大冲深至－5～－8 m高程（吴淞基面，下同）．以致可能出现塘前滩地刷低而使塘身失稳的局面．目前，南岸标准塘虽已建成，但受自然和技术条件制约，标准塘的底脚防冲只能做到0 m高程．为此，在标准塘设计时，便以增加河道控制建筑物为前提．故拟在加固1^＃～4^＃盘头前的丁坝和美女山坝外，在此河段南岸增建若干建筑物．定床模型试验表明：在百年一遇的洪水时，这些建筑物会抬高七堡（0．19 m）、顺坝中（0．24 m）、顺坝头（0．28 m）和九号坝下（0．24 m）的洪水位；但降低美女山坝上（－0．09 m）和仓前（－0．06 m）的洪水位．并减小九号坝以上河段的流速0．11～0．62 m／s；九号坝以下河段则南岸流速减小，而江中和近北岸流速增加．这是二坝四盘头挑流作用的结果．对潮水而言，七堡、顺坝中和九号坝下的低潮位稍有抬升，依次为0．03、0．05和0．03 m，而高潮位则有所降低；顺坝头－0．03 m，九号坝下－0．06 m，美女山坝下－0．07 m．从而减小南岸的潮差，潮动力也随之减弱．诸建筑头部的涨潮平均流速和最大流速会分别增大0．03～0．18 m／s和0．13～0．64 m／s；江中涨潮的平均流速和最大流速分别增大0．10～0．33 m／s和0．17～0．26 m／s．落潮时，则弯顶平均流速减小0．12～0．39 m／s，最大流速减小0．12～0．44 m／s；而美女山坝坝头和该处江中平均流速和最大流速分别增大0．16～0．26 m／s和0．12～0．51 m／s．
　　更重要的是，塘前河床50年一遇冲刷深可以从－9．9 m减少为0．7 m，百年一遇冲刷深从－10．2 m减为－0．8 m．
　　由此可见，由于这些建筑物的挑流作用，对保护南岸海塘起着重要作用．但它们的头部都要经受高流速冲刷，故应予加强．
3　整治方案的比较与研究
　　用定床实物模型研究了南岸新添整治建筑物布置方案见表1．

3．1　新添建筑物布置方案
3．1．1　对沿程百年一遇洪水位的影响
　　三种方案均以抬高顺坝头的洪水位最为明显，依次为0．57m、0．62 m和0．51 m；并向上、下游逐渐减小．对九号坝下和美女山坝上的作用差别甚小；对顺坝中和美女山坝下的影响则随建筑物加多而增大，但抬升不多，方案Ⅲ也仅分别抬高0．13 m和0．09 m，对仓前站则均有降低洪水位的作用，且随建筑物增多而更加明显，但数量不大，依次降低0．02 m、0．05 m和0．09m． 

3．1．2　对沿程高、低潮位的影响
　　三个方案对沿程各站高、低潮位的影响差别不大．且只有九号坝下的高潮位略有抬升（0．05～0．06 m），低潮位略有降低（0～0．03 m），从而潮差略有增大（0．05～0．09 m）外，顺坝中和仓前两站高潮位不变，而低潮位略有升高（0．02～0．06 m），从而潮差略有减小；顺坝头高潮位均有降低而低潮位略有抬高，从而潮差减小0．24～0．07 m；美女山坝上和下两站则高、低潮位均有降低，潮差则美女山坝上几乎不变，美女山坝下减小约0．05～0．10 m．

3．1．3　对洪水流速的影响
　　三种方案均能使1^＃盘头以上河段（包括弯顶断面）的洪水主流趋向北摆；弯顶以下洪水主流折向2^＃～4^＃盘头；4^＃盘头以下，洪水主流又趋向北摆．此现象以方案Ⅲ最明显，方案Ⅱ和方案Ⅰ依次减弱．
3．1．4　对潮流速的影响
    各方案对潮流速的影响较为复杂．兹分述如下：
　　（1）东风角下游2 750 m处，塘脚（2^＃测点）涨、落潮流速均有下降，且以方案Ⅲ涨潮流速降低最多，平均流速降低0．07 m／s，最大流速降低0．18 m／s．该断面河中心（3^＃测点）则涨潮流速增大0．01～0．05 m／s，落潮流速降低0．01～0．07 m／s．
　　（2）整治建筑物前缘（5^＃、17^＃和6^＃测点）的局部流速，随建筑物增加而呈涨、落潮流速均增加的趋势．且来流方向的排斥掩护作用较明显．
　　（3）1^＃盘头前（7^＃测点）涨潮平均流速增大0．05～0．10 m／s，最大流速增加0．16～0．18 m／s；落潮流速减少0．02～0．06m／s．各方案相差不大．该断面中流（8＃测点）涨、落潮流速略有增大，各方案也相差不大．
　　（4）2＃盘关前（10＃测点）涨、落潮流速均有降低，涨潮最大流速降低0．04～0．07 m／s；落潮平均流速降低0．04～0．08 m／s，最大流速降低0．12～0．16 m／s．有随建筑物增加而降低加大趋势．

　　（5）3^＃盘头前（11^＃测点），Ⅲ号方案涨潮流速略有降低，另两方案无影响；落潮平均流速增大0．08～0．09 m／s，最大流速增大0．19～0．25 m／s．各方案相差不大．
　　（6）4^＃盘头前（12^＃测点）涨、落潮流速均有降低．以涨潮最大流速最明显，为0．08～0．12 m／s，有随建筑物加多而降低较多的趋势，其余则仅略有降低．河中心（14^＃测点）则涨潮流速增加较明显，平均流速增大0．07～0．14 m／s，最大流速增大0．14～0．45 m／s，有随建筑物加多而增大较多的趋势．落潮平均流速略有增大，各方案相同；最大流速以方案Ⅲ增大0．19 m／s，另两方案均增大0．05 m／s．近北岸（15^＃测点）则涨、落潮流速都以Ⅲ号方案增大较多，分别为0．11～0．14 m／s和0．06～0．08 m／s，另两方案相同，仅略有增加．
　　（7）美女山坝前（16^＃测点）涨潮平均流速减小0．08～0．20m／s，落潮平均流速减小0．03～0．06 m／s，涨潮最大流速减小0．13～0．29 m／s．落潮最大流速减少0．05～0．12 m／s．
　　（8）美女山坝下游断面（18^＃、19^＃、20^＃测点），涨潮以江中（19^＃测点）增大最多，平均流速增大0．16～0．37 m／s，且以方案Ⅲ为甚；落潮则以南岸（18^＃测点）增加最多，平均流速增大0．07～0．10 m／s，随建筑物俱增，最大流速增大0．21～0．22 m／s，各方案相差甚微．北岸（20^＃测点）则以涨潮流速增加较多，平均流速增加0．09～0．15 m／s，最大流速增加0．19～0．21 m／s，均随建筑物增加而甚．
　　（9）美女山坝上、下游两断面，江中（14^＃、19^＃测点）和北岸（15^＃、20^＃测点）均以下游涨潮流速增加较多，落潮则以上游最大流速增加较多．这表明美女山坝和7^＃丁坝的挑流作用．
　　从总体上看，方案Ⅲ除在1^＃盘头至美女山坝间会引起涨潮流速增大3％左右外，其余坝段的涨、落潮流速均有所减小，其幅度在10％至2％不等．但沿北岸的流速却会增大5％至10％．　　为了减少这种不利影响，新添的盘头或丁坝，平面尺度不宜过大．
　　另据实测地形图用经验频率分析，并参考一维动床数值模型，预测南岸塘前河床高程结果表明，建筑物对塘前河床防冲作用异常明显．详见下表．

　　综上所述，美女山坝至乌龟山是涨潮流顶冲的岸段，原建有7^＃和8^＃两座丁坝，均已被冲毁，以致涨潮流直冲塘岸，深槽逼临塘前，危及塘身，并加重美女山坝的御潮负担．据1970～1988年实测江道地形图分析和一维动床数值模拟预测，在无此两坝的情况下，塘前50 m以内河床50年一遇可刷深达－5．0 m，百年一遇深达－5．3 m；若恢复两坝，则可分别减为－0．59 m和－0．80 m．可见，此两坝不仅可以减轻美女山坝御潮负担，更是保护此段海塘所必不可少．又据现场涌潮观测，从乌龟山到美女山坝，涌潮逐渐增强，原7^＃坝处比原8^＃坝处强得多．故应以原7^＃坝处为主，8^＃坝处为辅．为此，拟于两坝原址偏下游50 m，即在6＋320和7＋030两处分别建筑200 m长的7^＃丁坝和100 m长的8^＃丁坝．
　　自九号坝往上游2 km范围内，河道处于弯道顶部．由于九上顺坝于2000年才封闭，尚未在塘前兴建防护建筑物．
　　试验表明，倘使在九号坝处兴建一座盘头（方案Ⅰ），九上顺坝中段塘前最大涨潮流速可减小10％，但百年一遇洪水流速都有所增大；若在其上游增建一座盘头（方案Ⅱ），则同一测点的洪水和涨潮最大流速均可减小10％左右，而对岸下沙塘前流速将增大7％；若在第二座盘头上游再增建第三座盘头（方案Ⅲ），则同一测点处的最大涨潮流速将减小18％，洪水流速也减小3％～16％．实测江道地形分析和一维动床数值模拟预测表明，塘前50 m范围内河床刷低深度可大为减小（见表6）；但对岸塘前洪水流速将增大16％．据此，宜在以九号坝为起点的0＋050、－1－100和－2－200三处各建一座盘头，依次命名为9^＃、8^＃和7^＃盘头．盘头圆弧半径均为80 m，外各接30 m长的丁坝，共伸出塘外110 m．
3．2　　新添建筑物的结构形式
3．2．1　乌龟山至美女山坝间的7^＃和8^＃丁坝
　　为免两丁坝再次被毁，经试验改进结构型式，坝根30 m范围内采用八字脚，并用小沉井防冲；30 m以外坝身，均用不同长度的灌注桩和板桩相间保护坝脚．坝根高程6．0 m，坝头高程5．0 m．这种结构的造价虽比传统丁坝高出近80％，但它运行可靠，维修费用低；又因它们关系到赭山湾整治成效安稳，故决定采用这种结构．
3．2．2　7^＃～9^＃盘头
　　采用传统的结构形式．
3．2．3　美女山坝加固
　　该坝是抛石圬工面结构．1991和1992年曾两次冲成缺口，1996和1997年，坝身上游又大幅度淘空，多次抢险，坝身沿线也修补较多，防冲能力参差不齐．故应予全面加固．在勾头段外侧和丁坝段上游侧用拉锚式小沉井防冲结构，沉井底高程为0．0～1．0 m，上设钢筋砼护坦宽6．0 m；两坝段的另一侧则建砼直墙，高1．6～3．1 m，以固定护坡脚趾和减少丁坝段坝基进潮水量．丁坝段两侧则拆除原有坡面，另建筑砼护面，厚40cm．勾头段坝头用环梁挂桩防冲结构，环梁是半圆形，直径16 m，环梁后趾伸入钢筋砼护坦锚块，计长20 m，环梁周边放置钢筋笼装石和抛石护脚．
3．2．4　1^＃～4^＃盘头前丁坝加固
　　这4座盘头本身已相对稳固，无需加固．但前面的丁坝则年年抢险，应提高防冲能力．拟用4 m高的沉井，底高程为0 m，顶部建砼护坦宽8．2 m，顶高程为5．6 m．沉井处安放砼四面体，单块重4t，水平布置5排．
3．2．5　局部海塘塘脚加固
　　在九号坝下游堤长500 m用4．5 m高的沉井加固，沉井底高程0．5 m，上建C₂₅钢筋砼护坦，厚40cm，宽8．20 m，于原外坡贴面建C₂₅混凝土，厚25cm，沿井外侧抛块石混合料．
　　美女山坝下游660 m脚塘已有小沉井的底高程偏高，应在沉井外安放不锈钢丝网兜袋石护脚．
4　结　语
    （1）塘前挑流建筑物对保护塘前河床具有明显作用；
　　（2）按推荐方法加固现有塘前挑流建筑物，可以避免或减轻潮流冲刷破坏；
　　（3）塘前没有挑流建筑物的段落，应补充新添．新添建筑物的布置以方案Ⅲ为佳，既可较好地调整塘前流场，又可以将塘前河床冲刷高程控制在－0．75～－1．7 m（1％）或－0．54～－1．7 m（2％）以内；
　　（4）经过新添建筑物和加固现有工程，赭山湾河势可基本得到控制；
　　（5）本文提供的成果已为当局采纳． 

参考文献：
［1］　李光炳．赭山湾整治的回顾［J］，河口与海岸工程，1991，（1）．
［2］　陈希海．钱塘江南岸赭山湾河势控制工程可行性研究报告［R］，2001．