长江河势急剧变化区抛石护岸工程对水流条件影响

王茂枚, 朱昊, 赵钢, 徐毅, 蔡军

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (3) : 140-146.
水环境与水生态

长江河势急剧变化区抛石护岸工程对水流条件影响

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Influence of Riprap Revetment Project on Flow Condition in the Area of Sharp Change of River Regime in Yangtze River

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摘要

长江河势急剧变化区抛石护岸工程量巨大且动态特性突出，研究工程实施后河段水流条件的变化对评价工程实施效果以及分析河势变化影响具有重要意义。基于Delft3D软件建立河段三维水流数学模型研究了抛石护岸工程实施对附近河段水位、流速及分流比等的影响。结果表明：工程实施后，水位变幅总体在0.01 m以内，落憩时刻水位变化幅度略高于涨憩时刻水位变幅，河道内水流受径流作用，呈现较为规律的水位变化情势；工程实施后，不论是涨急时刻还是落急时刻，流速变化主要集中于抛石工程区域，流速最大变幅在0.3 m/s左右，主要呈现抛石区流速减少深槽流速增大的规律；工程的实施阻碍了浏海沙水道的过流，使得其分流比有所减小，如皋中汊和如皋左汊分流比增大，涨潮流所受工程影响大于落潮时刻。所得成果可为长江河道治理及规划提供参考依据。

Abstract

The quantity of rubble revetment works is huge and the dynamic characteristics are prominent in the rapidly changing area of the Yangtze River. It is of great significance to study the change of flow conditions in the river reach to evaluate the implementation effect of the project and analyze the influence of river regime change. In this paper， based on Delft3D software， the influence of the rubble revetment project on the water level， flow velocity and diversion ratio of the nearby reach is studied by using the planar two-dimensional flow mathematical model. The results show that after the implementation of the project， the variation range of water level is generally within 0.01 m， and the variation range of water level at the low-water slack is slightly higher than that at the high-water slack. The flow in the river is affected by runoff and presents a relatively regular water level change situation. The flow velocity changes are mainly concentrated on the rubble-throwing engineering area， regardless of the rising hour or the falling hour， and the maximum amplitude of the flow velocity is about 0.3 m/s， which mainly shows the law that the flow velocity in the rubble-throwing area decreases and the flow velocity in the deep groove increases. The implementation of the project impedes the flow of Liuhaisha Channel and reduces its diversion ratio. The diversion ratio of Rugao middle branch and Rugao left branch increases， and the influence of the project on the flood tide is greater than that of the ebb tide. The results can provide reference for the Yangtze River Channel management and planning.

关键词

老海坝 / 数学模型 / 抛石护岸 / 水流条件

Key words

Laohaiba / mathematical model / rubble revetment / flow conditions

基金

国家自然科学基金重点国际研究合作项目(51520105014)
江苏省重点水利科技项目(2017009)
江苏省水利科技项目(2020007)
江苏省“333”工程科技资助项目(BRA2020363)

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王茂枚 , 朱昊 , 赵钢 , 徐毅 , 蔡军. 长江河势急剧变化区抛石护岸工程对水流条件影响[J].中国农村水利水电, 2022(3): 140-146
Mao-mei WANG , Hao ZHU , Gang ZHAO , Yi XU , Jun CAI. Influence of Riprap Revetment Project on Flow Condition in the Area of Sharp Change of River Regime in Yangtze River[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(3): 140-146

0 引 言

长江河势急剧变化区通常指水深、流急、水动力条件极其复杂，造成河床、洲滩摆动性大，江岸冲淤变动频繁的河段［1］。据有关资料，自20世纪90年代以来，长江中下游河道已发生数百起崩岸现象，最严重时一年内发生数十起，长江中下游干流河道两岸岸线总长4 250 km，崩岸段的长度就达到1 520 km，占比达35.7%。新中国成立之后，随着水利事业的蓬勃发展，长江保护和治理受到高度重视，持续开展堤岸防护、河势控导以及应急抢护等工作，长江下游实施了大量河道整治工程，大大减少了崩岸现象的发生，大幅度提高了江岸的抗洪能力。以张家港老海坝段为例，根据2014年以来逐月河势监测资料表明，冲淤最大深度的月际变化超过10 m，河势变化极为剧烈［2］。水下抛石护岸能适应各种岸坡地形需要，而且造价低，施工方便，在长江中下游护岸工程中被广泛采用，也是长江河势急剧变化区治理的主要护岸型式［3，4］，研究抛石护岸工程的岸坡防护效果和对河势的控制效果对维持岸线稳定、保障防洪安全具有重要意义［5，6］。
国内外对抛石护岸的研究，主要从抛石护岸的稳定性、防冲促淤效果和河势控制效果三个方面进行考虑。抛石护岸的稳定性受水流条件影响显著，相关研究主要包括抛石粒径［7］、抛石厚度［8］、抛投落距［9］、施工技术［10］等。一些学者通过水槽实验方法，分析了块石的起动流速以及不同铺石厚度和面积对河床的防冲促淤作用，对抛石护岸的破坏机理进行了深入研究［11-13］。在河势影响方面，常用的研究方法是根据历年水文泥沙及水下地形等基础资料［14，15］，分析抛石护岸工程后河势的变化。Islam［16］基于卫星遥感图像对印度孟加拉河上的Farakka大坝实施前后引起的河道弯曲处的曲率变化进行了研究，其研究成果在工程后期得到验证。赵钢［17，18］等基于点云数据分析对抛石护岸效果的抛投准确性、抛投均匀性、抛石增厚值等方面开展了水下抛石工艺抛投效果分析。罗青［19，20］等基于GIS空间分析技术从抛石施工质量、施工过程及施工成本等方面对水下抛石效果进行评价研究。随着数值模拟技术的发展，其应用价值大幅提升，李大鸣［21］等提出对网格进行错位计算的方法，改进了相同层网格计算误差较大的缺点，并结合水平有限元和垂向有限差分的分层方法建立了三维水流泥沙数学模型，在海河下游进行了模拟，模拟精度较好。姜果等［22］采用平面二维水沙数值模型分析了抛石工程对水位、流速的影响，为河道治理提供了理论依据，然而其未考虑感潮河段涨潮和落潮流情形下抛石护岸工程影响的差异。
抛石护岸作为国内外应用最广泛的护岸型式，目前国内外研究主要集中于抛石施工工艺、施工方法、工程设计和破坏机理等方面，以往关于河势急剧变化区的抛石护岸防护效果的研究较少，且主要根据实测资料的结果进行河势演变分析，方法较为单一。此外，由于水下地形监测需要较大人力、物力的投入，监测时间受到较大的限制，目前仍难以做到实时水下地形监测。针对以上研究中存在的不足，本文以长江老海坝河段为例，基于Delft3D开源软件建立三维水流数值模型，对抛石护岸实施后工程河段水流条件变化进行研究，对比分析抛石护岸工程实施后不同涨、落潮情形下河势急剧变化区水流结构的变化，为类似区域的长期治理提供参考依据。

1 研究区域概况

1.1 河道概况

本文研究区域为长江澄通河段（图1），上起江阴市鹅鼻嘴，下迄常熟市徐六泾，总长度约96.8 km，由福姜沙汊道、如皋沙群段、通州沙汊道等组成，属于长江下游感潮河段，江中沙洲众多，在径流和潮汐的双重作用下，河势演变剧烈。福姜沙河道上段顺直单一，下段为向南弯曲的稳定性较好的双分汊河道；如皋沙群段主要由民主沙、长青沙和横港沙等组成，如皋中汊及浏海沙水道上段的两股水流经民主沙汇合后进入浏海沙水道下段（长青沙南汊）；通州沙水道西起十三圩，下至徐六泾，随着通州沙整治工程的实施，目前向通州沙东水道和西水道分流的稳定双分汊河道发展。老海坝所在如皋沙群段位于长江口澄通河段中上部，处于河口潮汐与径流的交汇区，长约28 km，西起青龙港、东至天生港，该河段水流流路分歧多变，属于典型的多汊型河段。河床对水流约束的边界条件宽，使得水流随着流量的变化而动荡，岸线坍塌和淤积反反复复，变化较大。
图1 研究河段河势图

Fig.1 River regime map of study reach

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抛石工程区域位于福姜沙南汊浏海沙水道下段右岸（见图1方框）。20世纪70年代初，主流进入浏海沙水道，直接顶冲右江岸老海坝一带，造成老海坝江岸全线崩塌。九龙港以下岸段因在顶冲区以下，受水流直接冲刷作用较弱，河岸与上游相比较为稳定。随后，如皋中汊分流开始增加，到70年代末中汊分流比已接近10%，浏海沙水道主流顶冲点由以往老海坝上段下移到九龙港～十一圩，因此九龙港以下近岸河床冲刷强度明显增强，江岸堤防安全受到直接影响。1990年以来，如皋中汊的发展趋于缓和，分流比渐渐趋于稳定，但是九龙港～十一圩主流顶冲区域的河床冲刷强度依然较大，河床被普遍刷深，深泓右移，前沿由-30 m发展到-50 m的贯通深潭，多处出现-60 m深潭。2014年逐月河势监测资料表明，张家港市老海坝河段河势变化极为剧烈，个别位置冲淤厚度的月际变化超过10 m，岸坡已处于临界状态。

1.2 工程概况

张家港老海坝节点综合整治工程位于长江下游澄通河段浏海沙水道右岸，隶属长江澄通河段中部如皋沙群段，工程范围为张家港市一干河～九龙港～二干河以下1 260 m之间的岸线（图2），里程总长约7 250 m，沿岸线走势长度约6 800 m。其中平顺护岸工程抛石分为堤防外坡的散抛石（外围堤外由码头平台及栈桥围成的内侧水域抛石）与码头外部前沿深水区抛石（散抛大块石、散抛小粒径块石防崩层）。工程分两期实施，一期工程抛石量约为96.4 万m2，二期工程抛石总量约147.8 万m2，散抛大粒径块石的粒径范围为0.4~0.65 m，散抛小粒径块石的粒径范围为0.16~0.4 m。水下抛石主要功能是提高岸坡的抗冲刷能力，维持岸坡稳定，为保证工程效果，设计抛石宽度为40~120 m，设计最大抛石厚度2.5 m。
图2 老海坝抛石护岸工程范围示意图

Fig.2 Scope of Laohaiba riprap revetment project

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2 数学模型的建立

2.1 模型计算范围及网格划分

本文主要基于软件Delft3D 进行研究，其水动力模型控制方程为基于浅水假设以及Boussines假设的不可压缩流Navier-Stoke方程［23］，通过合适的边界条件与控制方程组成定解条件，方程在空间上采用有限差分法进行离散、在时间上采用欧拉向前差分法离散。求解变量在网格中交错布置，采用 ADI 交替隐式方法进行求解。
模型计算区域网格如图3所示，上游边界为江阴，下游边界至徐六泾，横向网格673个，纵向网格168，对老海坝抛石工程区进行加密，最小网格尺寸为10 m左右。计算时间步长为0.3 min，以确保柯朗数（Courant number）在计算过程中不超过1.0。模型采用2014年实测地形资料作为模型初始地形。平面坐标系采用北京1954投影坐标，地形高程及计算潮位均采用1985国家高程基准。
图3 模型网格示意图

Fig.3 Model grid diagram

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2.2 模型验证

模型水动力验证采用2014年7月27日-7月31日的实测潮位、流速和流向资料（测站位置见图4），潮位验证选择如皋港、太子圩港、天生港、五干河、七干河、望虞河、营船港、汇丰码头等8个潮位站的实测潮位过程，流速验证采用计算区域内的四条垂线的实测平均流速过程。验证结果如图5所示。模拟计算的水位、流速、流向的幅值和相位与实测值吻合较好，因此模拟结果可信，模型在模拟水流运动时是较为合理和准确的。
图4 研究区域水尺、测流点、采样点布置

Fig.4 Layout of water ruler and flow measuring point in study area

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图5 监测点潮位、流速及流向验证

Fig.5 Layout of water ruler and flow measuring point in study area

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2.3 抛石区糙率修正

由于河床演变在汛期的演变速率明显高于非汛期。为综合分析抛石护岸工程实施对研究河段水流条件的影响，选择汛期实测潮位模拟典型水动力边界下河段水动力过程。抛石护岸工程通过加密局部地形网格（图3）后抬高地形以及抛石区修正局部糙率的方法进行模拟。护底加糙后糙率与抛石前糙率关系采用以下公式［24］：
n=n0k0k(DD0)1/6
式中： n为加糙后的糙率系数； n0为加糙前的糙率系数； D为加糙后抛石中值粒径； D0为加糙前床沙粒径； k、 k0为经验系数。

3 计算结果

3.1 对潮位的影响

为详细分析工程对水流特性产生的影响，在不同河段内选取多个采样点，位置如图4所示，其中P1-P13位于浏海沙水道，P14、P15位于如皋中汊，P16~P18位于如皋左汊。潮位变化主要体现的是抛石护岸工程对河段防洪、排涝的影响，因此重点对洪季条件下工程对潮位的影响进行分析。工程河段受非正规半日浅海潮影响，水位呈周期性涨落变化。为分析工程潮位变化对河段防洪、排涝的影响，选取模拟期内涨憩（潮水涨到最高时）和落憩（潮水落到最低时）的两个时间点进行工程前后的水位变化分析。
工程后涨憩、落憩时刻水位变化分布如图6所示。由图可见，涨憩时刻抛石护岸工程实施后，离工程区越远水位变化幅度越小，整体呈上游水位壅高下游水位下降的规律。落憩时刻与涨憩时刻水位变化规律相似且变化规律更为明显，以一干河到十一圩港为分界，上游水位壅高下游水位降低。总体来看工程实施对河段的水位影响较小，不论是涨憩还是落憩时刻水位变幅大多在0.01 m以内。表1给出了工程河段内监测点水位的变化结果，由表可见，所有监测点水位变化值都在0.01 m以内，抛石工程区刚好为水位壅高与水位降低的分界点，因此上游抛石区P7水位壅高，下游抛石区P12水位下降，而P10则在涨憩时刻水位壅高，落憩时刻水位下降。其余监测点也符合上游测点水位壅高，下游测点水位下降的规律。总体上，落憩时刻水位变化幅度略高于涨憩时刻水位变幅，这可能是由于涨潮时，水流在径流和潮汐的共同作用下应抛石区地形拔高而产生的影响有些许抵消作用，而落潮时，河道内水流受径流作用，呈现较为规律的水位变化情势。
图6 工程后水位变化分布图

Fig.6 Distribution map of water level change after engineering

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表1 监测点潮位变化统计 (m)

Tab.1 Statistics of tidal level changes at monitoring points

特征点 涨憩水位 落憩水位
工程前 工程后 变化值 工程前 工程后 变化值
P1 3.813 3.814 0.001 0.896 0.902 0.006
P2 3.810 3.815 0.005 0.878 0.884 0.006
P3 3.810 3.810 0 0.837 0.844 0.007
P4 3.807 3.808 0.001 0.834 0.841 0.007
P5 3.813 3.814 0.001 0.799 0.807 0.008
P6 3.810 3.813 0.003 0.732 0.737 0.005
P7 3.815 3.817 0.002 0.711 0.721 0.010
P8 3.822 3.823 0.001 0.657 0.653 -0.004
P9 3.826 3.824 -0.002 0.673 0.669 -0.004
P10 3.819 3.824 0.005 0.718 0.714 -0.004
P11 3.832 3.828 -0.004 0.646 0.639 -0.007
P12 3.830 3.826 -0.004 0.637 0.630 -0.007
P13 3.825 3.819 -0.006 0.648 0.641 -0.007
P14 3.805 3.811 0.006 0.890 0.896 0.006
P15 3.807 3.809 0.002 0.881 0.886 0.005
P16 3.957 3.958 0.001 0.807 0.809 0.002
P17 4.082 4.078 -0.004 0.632 0.628 -0.004
P18 3.932 3.927 -0.005 0.625 0.620 -0.005

3.2 对流速的影响

选取工程实施后河段涨、落急时刻垂向平均流速进行分析，工程实施后涨急、落急情形下流速变化分布如图7所示。模拟结果表明，工程实施后涨急情形下，流速变化主要发生在抛石工程区所在河段，即浏海沙水道从上游一干河至下游西界港所在区域，最大变幅在0.2 m/s以内，其余河段流速变化均小于0.01 m/s。流速增大和减少区域无明显规律，究其原因，抛石护岸工程不仅增加了抛石区的河底高程，还改变了河道及岸坡的糙率，加上涨潮流与径流相互作用导致该处流速流向较为复杂，总体表现为抛石区及岸坡流速减小，抛石区外侧流速增大，深槽内流速又减少的规律。落急情形下工程实施后，流速变化区域与涨急时刻类似，主要局限抛石区及下游10 km范围河段内，流速变化大多在0.1 m/s以内，离工程区越远流速变化越小。流速变化规律较为明显，抛石区及其下游带状区域流速减小，而抛石区外侧河道内则流速增大，这是由于抛石施工增加了河底高程，且块石增大了河道的糙率，从而增大了水流经过的阻力，使得一部分水流从左侧河道通过，增大了浏海沙水道左侧河道的流速。
图7 工程后流速变化分布图

Fig.7 Distribution map of velocity change after engineering

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为了更加直观的了解工程附近的流速变化情况，表2给出了监测点工程前后的涨急和落急的流速大小，并给出了其差值大小及变化率。由表可知，涨急情形下，工程区以外各测点流速变化很小，变幅小于0.005 m/s，工程区内流速变化在-0.15~0.2 m/s，最大变幅发生在P10测点，流速增幅达43.52%。落急时刻，非工程区流速变化较涨急时刻有所增大，整体流速变化在0.02 m/s以内，浏海沙水道及如皋中汊流速以减少为主，如皋左汊流速有所增加。工程区内流速变化较大，流速变化范围为-0.3~0.1 m/s，最大变幅发生在P12测点，流速减幅达31.51%。综上，工程实施后，不论是涨急时刻还是落急时刻，流速变化主要集中于抛石工程区域，流速最大变幅在0.3 m/s左右，主要呈现抛石区流速减少深槽流速增大的规律。
表2 监测点流速变化统计 (m/s)

Tab.2 Statistics of tidal level changes at monitoring points

位置 监测点 大潮涨急 大潮落急
工程前 工程后 差值 变化率/% 工程前 工程后 差值 变化率/%
浏海沙水道 P1 0.393 0.393 0 0 0.361 0.360 -0.001 -0.277
P2 0.475 0.474 -0.001 -0.211 0.655 0.653 -0.002 -0.305
P3 0.451 0.450 -0.001 -0.222 0.909 0.904 -0.005 -0.550
P4 0.156 0.157 0.001 0.641 1.189 1.183 -0.006 -0.505
P5 0.368 0.367 -0.001 -0.272 1.259 1.249 -0.010 -0.794
P6 0.761 0.760 -0.001 -0.131 1.341 1.354 0.013 0.969
工程区 P7 0.562 0.468 -0.094 -16.726 0.420 0.364 -0.056 -13.333
P8 0.684 0.657 -0.027 -3.947 0.287 0.298 0.011 3.833
P9 0.706 0.568 -0.138 -19.547 1.571 1.624 0.053 3.374
P10 0.478 0.686 0.208 43.515 1.403 1.129 -0.274 -19.530
P11 0.798 0.802 0.004 0.501 0.677 0.721 0.044 6.499
P12 1.030 1.125 0.095 9.223 0.987 0.676 -0.311 -31.510
P13 0.505 0.470 -0.035 -6.931 1.554 1.590 0.036 2.317
如皋中汊 P14 0.115 0.114 -0.001 -0.870 1.364 1.357 -0.007 -0.513
P15 0.301 0.301 0 0 1.233 1.227 -0.006 -0.487
如皋左汊 P16 0.406 0.410 0.004 0.985 0.317 0.320 0.003 0.946
P17 0.416 0.420 0.004 0.962 0.355 0.363 0.008 2.254
P18 0.637 0.637 0 0 0.204 0.209 0.005 2.451

3.3 对分流比的影响

对于分汊河道来说，分流比是反映汊道兴衰变化的重要水动力学指标，工程实施后河段的汊道形态、汊道阻力、河槽容积等均有所改变，影响汊道分流比，进而影响本河段的河势变化，为分析工程的实施对河道分流比的影响，在工程附近河道布置断面如图8。
图8 断面布置图

Fig.8 Section layout diagram

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工程前后各断面分流比统计见表3，民主沙将福姜沙水道分为如皋中汊（断面1）和浏海沙水道（断面2），其中浏海沙水道
表3 工程后各断面分流比变化 (%)

Tab.3 Change of diversion ratio of each section after engineering

位置 大潮涨急 大潮落急
工程前 工程后 变化 工程前 工程后 变化
民主沙 断面1 67.37 68.21 0.84 24.64 24.66 0.02
断面2 32.63 31.79 -0.84 75.36 75.34 -0.02
长青沙 断面3 5.40 5.42 0.02 1.01 1.02 0.01
断面4 94.60 94.58 -0.02 98.99 98.98 -0.01
落潮时分流比占比超70%，落潮时刻占比大于涨潮时刻，工程前后两河道的涨落潮分流比有所变化。如皋中汊分流比在涨急时增加0.84%，在落急时增加0.02%，浏海沙水道分流比变化则相反。长青沙的存在使如皋中汊的水流一部分从如皋左汊流过，两股水流合并为浏海沙水道（断面4），与如皋左汊（断面3）共同流入通州沙水道，其中浏海沙水道落潮流时水流占比超98%，落急时刻占比大于涨急时刻，工程后断面4分流比略微减小，断面3略微增大。总体而言，工程的实施阻碍了浏海沙水道的水流，使得断面2和断面4分流比有所减小，断面1和断面3分流比增大。同时，涨潮流所受工程影响大于落潮时刻，特别是断面1分流比变化最大，变幅达0.84%。

4 结 论

基于Delft3D采用三维水流数学模型针对长江下游河势急剧变化区抛石护岸工程对水流条件影响开展研究。分别针对落憩时刻和涨憩时刻工程实施后潮位变化进行分析，结果表明，落憩时呈现工程区上游壅高下游降低的规律变化，涨憩时由于潮汐的影响潮位呈不对称波动式变化；针对工程后涨急、落急时刻流速及分流比变化可知，流速变化主要集中于抛石工程区，呈现抛石区流速减少深槽流速增大的规律，工程实施后浏海沙水道分流比减小且涨急时刻所受影响大于落急时刻。所得成果为分析和预测抛石护岸工程实施效果及未来抛石方案的制定提供参考依据，也对保障河道防洪安全和堤防安全具有重要意义。 □

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