青草沙水库保滩丁坝设计关键要素分析研究

1、青草沙水库保滩丁坝设计关键要素分析研究吴彩娥袁建忠(上 海勘测设计研究院)摘 要 在总结分析了青草沙水库河段现状和河势演变特征的基础上,针对青草沙水库北堤上中段适用的保滩型式进行了分析,并通过综合技术手段,对保滩丁坝群的坝型、长度、间 距、T 形勾头作用、取水口影响等关键要素以及保滩效果进行了深入研究,提出了合理的保 滩丁坝群布置方案。关键词 长江口 青草沙水库 保滩型式 丁坝群布置 设计关键要素青草沙水库北堤上中段河势特征1青草沙水库位于长江口长兴岛西北侧水域。南侧为长江口南港河段,北侧为长江口北港河段。青草沙水库北堤上中段紧邻新桥通道,新桥通道北侧为新桥沙,对岸为崇明岛,地理位置详见图1。

2、图 1 青草沙水库地理位置图河演分析成果表明,北堤上中段近期河势演变的特征是: (1) 由于下扁担沙南缘的上冲下淤,尾部南缘不断淤涨下延,使得新新桥通道上口进流不畅,进而导致新新桥通道逐步萎缩,原来从新新桥通道下泄的部分水流改由新桥沙头部南侧下泄,新桥沙头及其南侧因此受冲,冲刷下来的泥沙在落潮流的作用下沿新桥沙南侧向下输送,在其沙尾淤积,致使 新桥沙沙尾持续淤涨下延、南压。(2) 新桥通道过流相应增加,但由于南侧青草沙北堤上中段护底和保滩工程的保护、北侧新桥沙 的南逼,所以新桥通道主要向纵深发展,深槽南逼、下切,并且逐渐向下游发展。(3) 受新桥通道作用,青草沙水库北堤上中段岸滩冲刷下切、陡化

3、、后退,也逐渐从上游向下游发展。近10年 来南北港分流口河段的 -5m 线等深线变化情况详见图 2。 实测断面的分析成果也表明:1863北堤上段及部分中段近期主要表现为深槽冲刷逼岸,岸坡不断陡化,见图3。图 2 南北港分流口河段 -5m 等深线历年变化图鉴于水库工程河 段 河 势 变 化 的 复 杂 性, 青 草 沙水库在建设过程中已实施了保滩 工 程 措 施, 见 图4,并进行动 态调整。 如 2009 年在北堤上段桩号10+46615+489 (不 包 括 上 游 取 水 泵 闸 段)实施了铺设混凝土联锁块软体排和排头抛投 杩 槎 等保滩护底结构 (排 头抛投 3 层杩 槎, 杩 槎 总

4、高 约3.75m);2010年在北 堤中段实施了两条丁坝,分别位于17+480 和 19+000;2012 年 汛 后 发 现桩号15+48916+200 段外 侧 滩 地 的 冲 刷 加 剧,图 3 北堤上中段代表断面近期变化图 (单 位:m)2013年初又实施了应 急保滩工程, 对堤外侧 35m范围抛石平台进行修复。但上述保滩措施仍未能有效阻止其冲刷态势, 保滩效果未完全达到设计预期,因此需进一步实施保滩工程。图 4 青草沙水库大堤桩号位置及保滩工程措施示意图1864保滩型式分析2根据北堤上中段 (10+46617+000) 的河势、滩势分析以及潮流风浪分析成果,并结合常用保滩技术措施与适

5、用性分析及上海地区已建保滩工程结构型式调查分析,该岸段可以选择的保滩型式包 括:覆盖保护式 保 滩 (如 抛 石 保 滩、 软 体 排 保 滩 )、 顺 坝 保 滩、 丁 坝 群 保 滩、 杩 槎 缓 流 保 滩 等 几 种 型式。软体排保滩和杩槎缓流保滩两种型式已在本堤段实施过,但由于本河段水动力作用强劲,新桥通 道深槽南逼、下切,保滩效果不甚理想。抛石保滩是在滩面上直接抛石形成防冲保护层,施工较为方 便,在滩面平缓的岸段效果较好。但抛石保滩一般仅仅是保持堤前滩面现状不变,不能起到缓流促淤 的作用,而且本堤段堤线较长,滩面较陡,抛石易滚落,日常运行维护量巨大,因此不宜采用。本堤 段堤线较长,

6、外侧基本无滩可保,因此也不宜采用顺坝保滩。考虑到青草沙水库北堤上中段岸线的微凹形态是由于近年来水流持续挤压逼岸冲刷造成,且离堤 一定距离滩面就很低,因此本岸段拟建一些非等长组合丁坝 (近堤段为非淹没,高程3.52.5m,坝头段为淹没),前后与已实施的西堤保滩工程 (7+20711+100) 和北堤中段动态应急保滩工程(17+00019+000) 顺接,形成连续的保滩丁坝群。根据本河段的水下地形地貌特征、平面形态、水动力条件、同类工程的实践,经数学模型初步研究和经济技术比选,青草沙水库北堤上中段保滩丁坝初 步布置方案见图5,各丁坝布置长度见表1。图 5 青草沙水库北堤上中段保滩丁坝初步布置方案图

7、表 1青草沙水库北堤上中段保滩丁坝初步布置方案长度一览表1865丁坝名称位置非淹没段长度(m)淹没段长度(m)丁坝总长度(m)备注1# 丁坝11+10485085距离上游取水泵闸 1000m2# 丁坝11+60492092距离上游取水泵闸 500m3# 丁坝12+88780127207距离上游取水泵闸 500m4# 丁坝13+38794121215距离上游取水泵闸 1000m5# 丁坝13+9871081222306# 丁坝14+5871001152157# 丁坝15+187821141968# 丁坝15+78765851509# 丁坝16+3871005015010# 丁坝16+987130

8、0130采用丁坝群保滩型式,可以起到局部控导水流、促使坝田淤积,而且与已有或可能采取的措施适应性好。但针对青草沙北堤中上段的水流、河势滩势特点,对丁坝群布置及有关要素还需进行科学论 证分析。丁坝设计关键要素分析3正挑丁坝的选择3.1研究表明:当丁坝上挑时,水流在坝后形成一个指向坝田的螺旋流, 见图 6, 对于护岸和促进坝田淤积都有好处,但由于坝头水流紊乱,坝头冲刷坑较深,并且离坝头较近,特别需要注意坝头的稳 定。下挑丁坝则相反,坝头水流较平顺,冲刷坑较浅,并且离坝头较远,但是螺旋流指向河心,不利 于坝田淤积。正挑丁坝的水流特性处于两者之间,长度最短,工程费用最少。本工程区域为潮汐河段, 受往复

9、流影响。 青草 沙北堤中上 段 受 新 桥 通 道 影 响, 落 潮 流 较 为 强 劲, 但是涨潮流也不弱。坝田淤积还与含沙量有关, 根 据20082010年历次同步水 文测验成果年内统计,位于水库北堤中上段附近的 T1、T2 表现为枯季含沙量涨潮大于落潮,洪季则是落潮大于涨潮。 对落 潮流来说是 上 挑 丁 坝, 对 涨 潮 流 来 说 是 下 挑 丁 坝;图 6 丁坝的表流和底流反之,对涨潮流来说是上挑丁坝, 对落潮流来说是下挑丁坝。由于工程区域受往复流影响, 涨落潮流作用均比较大, 并且水深在 10m 以上, 每延米工程费用较大,为尽量减小坝头冲刷坑,保持坝头水流较平顺,有利于坝田淤积

10、,同时考虑到工程河段 为微弯凹段,水流条件复杂,应尽量减小对水流的扰动,因此综合考虑工程河段的平面形态、水下地 形地貌特征、水文泥沙条件、 工程投资等因素, 各条丁坝均垂直于新建北堤轴线布置, 即采用正挑 丁坝。丁坝群的间距、坝型、坝顶高程的分析3.2丁坝群的间距分析3.2.1(1) 丁坝间距的半理论公式分析。回流长度可按窦国仁公式或蒋焕章公式计算1。约在回流 长度的2/3处,回流宽度与丁坝长 度基本相当, 见图 7。丁坝 长度为 80m 时, 位置在 471591m 处; 丁坝长度为100m 时,位置在552725m 处; 丁 坝长度 为 120m 时, 位 置 在 625854m 处, 因

11、 此,为使 丁 坝 坝 田 内 受 回 流 影 响 范 围 大, 长 度100m 左右的丁坝间距应在 552725m 之间比较合适。丁坝 回 流 长 度 实 际 上 还 受 河 段 的 平 面 形态、水下地形地貌、来水条件 (如 流向) 等因素 的影响。(2) 大间距丁坝方案数模计算分析。 大间距丁坝方案为:1# 丁坝、4# 丁坝、6# 丁坝、8# 丁 坝、已建1#丁坝、已建2# 丁坝。 数学模型计算分析表明: 大间距方案也能够降低堤外水流速度, 但由于间距过大,部分堤段流速减少较小,落急流速差值分布见图 8。 因此, 为了保证堤前流速都能 够有一定的降低,从而达到一定的保滩效果,不宜采用大间

12、距方案。1866图 7 丁坝的回流示意图图 8 落急流速差值分布图 (大 间距丁坝方案)坝高2m 方案分析 (护滩堤形式的 “丁坝” 方案)3.2.2参照航道治理的经验,分析了在原滩面上均抬高2m 的护滩堤形式的 “丁 坝” 方案。 数学模型计算分析表明:护滩堤形式的 “丁坝” 方案近堤流速不能有效降低,保滩护堤效果不确定。但青草沙水 库北堤中上段的保滩丁坝应该既有一定的挑流作用,以防止水流进一步顶冲大堤,也应该具有一定的 护滩作用,并且具有防止堤前滩面下切冲刷、贯穿成槽的功能。根据以上分析,护滩堤形式的 “丁坝” 方案不能有效削弱近岸水流,不足于应对新桥水道强劲的 落潮主流,保滩作用有限。因

13、此,北堤上中段保滩丁坝近堤段应该是常水位出水,具有一定高程,为 非淹没丁坝。丁坝头部有无淹没段的对比分析3.2.3经上述分析,青草沙水库北堤上中段保滩丁坝间距500600m,近堤非 淹没段长度 100m 左右可有效降低堤前流速,为了防止堤前的深槽逼岸,同时考虑堤前外侧滩面的实际情况,考虑堤头设一定 长度的淹没段。数学模型计算分析表明:丁坝设置淹没段较无淹没段的方案更能降低近岸水流速度, 两者流速减小量相差约 0.050.30m/s, 丁坝设置淹没段, 流速小于 0.4m/s的 水域宽度能增加, 见图9。更为重要的是丁坝坝头设置淹没段能防止水库大堤前沿深 槽下切、 贯通, 它与丁坝非淹没段共同组

14、成防止外侧水流逼岸冲刷、 深槽下切的趋势, 保障青草沙水库北堤上中段的安全。 淹没段高程 低,投资远小于非淹没段。淹没 T型坝头的效果分析数学模型计算分析表明:淹没段有无 T 形坝头两者流速差值不大, 涨落急流速数值的变化在毫 米级,一般在0.01m/s以下。虽然在坝 头附近, 两者差别略大, 但一般也在 0.02m/s以 下。 且丁坝 有无淹没 T 形坝头两者流态均比较平顺, 流速大小和方向没有明显差别。 丁坝断面流量过程对比表 明:有无淹没 T 形坝头两者的过流量差别也不大,后者仅比前者最大流量多减小 1% 以下, 见图 10。 因此,深水区淹没 T 头丁坝与无淹没 T 头的普通丁坝相比,

15、 效果不明显。 丁坝群布置方案可不设淹18673.3图 9 落急流速差值图 (无 潜堤 有潜堤)没 T 形勾头。取水口影响分析3.4(1) 取 水 口 前 沿 河 势、 滩 势 变 化。 河 演 分析 表 明, 近 年 来 取 水 口 前 沿 - 2m、 - 5m、-10m 等深 线 均 紧 靠 大 堤, 逼 岸 明 显。 取 水 口 附近在2010年10月以前岸滩冲刷显著,岸滩严 重陡化,滩地冲刷消失。2010 年 10 月以后, 受 前期的护底和保滩措施作用, 冲刷后退幅度小,变化缓慢。但是 岸 坡 陡 化, 前 沿 已 无 明 显 滩 地。 该 岸 段目前水动 力 强 劲, 前 期 的

16、护 底 和 保 滩 措 施 及 大堤的安全 稳 定 受 到 威 胁。 该 处 水 动 力 的 适 当 减弱,流 速 的 适 当 减 小, 不 仅 不 会 影 响 取 水 口图 10丁坝断面流量过程比较的安全运行,而且有利于该岸段大堤的稳定。取水口的安全运行主要取决于下扁担沙和新桥沙的演变和发展,即新新桥通道是否发展和沙体是否被切割南移。 (2) 丁坝间距、长度对取水口的影响分析。数学模型研究了高程较高丁坝 (非淹没丁坝) 的长度和间距对取水口流速的影响程度。分析表明, 如果在 500m 范围内布置长超过 200m 的高丁坝, 流速减小较大;长为100m 左右的丁 坝, 流 速 有 适 当 减

17、小。 取 水 口 前 沿 水 动 力 强 劲, 已 无 明 显 滩 地, 在500m 处布置长为100m 左右的丁坝对流速的影响,符合河演分析成果。数学模型同时也分析了组合丁坝对取水口 的 影 响, 长 度 和 间 距 见 表 2。 分 别 选 取 取 水 口 上 游 侧430m,取水口、取水口下游侧430m 三个横断面,各横断面流速变化范围见表3。 由表3可见,丁坝建设前取水口前沿 115m 范围内流速基本小于 0.8m/s, 而组合丁坝方案一实1868施后取水口前沿110m 范围内流速基本小于0.6m/s;组合方案二实施后取水口前沿120m 范围内流速基本小于0.6m/s;距离取水口稍远处

18、流速变化不明 显。 计算表明组合丁坝对取水口附近水域流速场 影响不大,不会明显改变现有取水口的水动力条件。表 2北堤上段组合丁坝方案布置汇总表表 3工程前后各断面流速范围一览表单位:m北堤上段1#、2#丁坝长度分析初步研究的北堤上中段保滩方案中的 1#、2# 丁坝未到陡坎底部, 经对已有保滩丁坝的调研及 分析,丁坝坝头位于深槽顶部,在水流作用下不稳定,若深槽仍然逼岸,坝头将不断坍塌,岸滩仍将 冲刷后退,不能起到保滩护堤的作用。根据现状滩面的地形地貌特征分析, 现状滩面条件下,1#、2# 丁坝外侧的滩面存在失稳的风 险,因此将原方案中1#、2#丁坝的淹没段适 当延长, 延长至北港深槽槽底, 保证

19、 1#、2# 丁坝非 淹没段坝头的稳定,同时阻止岸滩冲刷后退。3.5北堤中段起始段布置丁坝的必要性分析3.610#丁坝附近的地形地貌特征是:10#丁坝附近、10#丁坝 与已建 1# 丁坝之间滩面较高, 堤前没有贯通深槽;位于水库与北岸最窄处下游。 10#丁坝附近的水动力特征是:落潮属于扩散段,涨潮为涨潮沟的末端;涨落潮流速小,水动力不强。数学模型计算分析表明,8#丁坝与9#丁坝之间的现 状流速都比较大, 涨落潮流速均在 0.6m/s 以上,可以认为滩面泥沙处于运动的临界状态,有必要采取一定的工程措施, 防止冲刷。 而 9# 丁坝 与10#丁坝之间的现状流速均在0.4m/s左右,建设10#丁坝,

20、减速作用不明显。已建设的下游1#丁坝也表 明: 坝头局部冲刷不明显。 也说明附近水动力不强, 流态比较平顺。1869断 面取水口上游侧 430m取水口取水口下游侧 430m方 案工程前组合丁坝 方案 1组合丁坝 方案 2工程前组合丁坝 方案 1组合丁坝 方案 2工程前组合丁坝 方案 1组合丁坝 方案 2流速 0.4m/s5011012550757890100105流速 0.6m/s7515015580110120110130140流速 0.8m/s115175178120155160150165168流速 1.0m/s160200205155200200175200205丁坝名称位 置组合丁坝

21、方案一组合丁坝方案二备注非淹没段长度(m)淹没段长度(m)丁坝总长度(m)非淹没段长度(m)淹没段长度(m)丁坝总长度(m)1# 丁坝11+10425608585085距离上游取水 泵闸 1000m2# 丁坝11+60452409292092距离上游取水 泵闸 500m3# 丁坝12+8878911820780127207距离上游取水 泵闸 500m4# 丁坝13+3879911621594121215距离上游取水 泵闸 1000m因此综合考虑,可暂缓实施10#丁坝。丁坝保滩效果分析3.7根据2010年7月同步水文测验成果中的青草沙 床沙颗粒级配曲线, 与青草沙保滩工程较近的测点:北堤中上段为

22、 T1、T2,d50为0.0210.026。 采用沙玉清起动流速公式计算天然河流床沙起动流速,北堤上中段附近泥沙的起动流速在0.611.17m/s。由于天然河流泥沙运动的复杂性,泥沙的起动流速 常常发生变化, 但根据计算结果, 可以 认为流速在小于0.4m/s的情况下,本工程附近的泥沙是难于起动的;流速在大于0.8m/s的 情况下, 就很容易发生冲刷。由于保滩丁坝建设后离大堤堤脚60m 处的流速一般均在0.4m/s以 下, 离大堤堤脚 110m 处的流 速大部分在0.6m/s以下,没有0.8m/s以上的流速,因此可以认为保滩丁坝建设后离大堤堤脚 110m 范围内发生冲刷的可能性很小, 离大堤堤脚 60m 范围内则很难发生冲刷现象。 因此, 采用丁坝群保 滩可以起到局部控导水流、促使坝田淤积,对大堤起到保护作用。丁坝群优化方案平面布置4综合上述分析可知,从尽量避免对北港的影响,减轻新桥沙南压,尽可能增加保滩宽度,增强丁坝保滩护堤效果,避免对上游取水泵闸的影响, 适应新桥水道主流方向一定程度的变化,7#、8#、 9#丁坝附近岸滩受冲、陡化、下切发展,丁坝设置 淹没段能防止水库大堤前沿深槽下切、 贯通等角 度