钱塘江河口九溪岸段涌潮越堤影响试验研究

杨火其，徐 新，何 昆，林一楠

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.杭州市南排工程建设管理服务中心，杭州 310020 )

喇叭口的外形和河床溯源抬升是钱塘江河口涌潮形成的主要成因[1]。钱塘江河口由于受自然演变和人类活动的影响，涌潮行进到钱塘江大桥时理应已成强弩之末，但涌潮行进大桥之上的九溪弯道时，由于受局部地形的抬升、珊瑚沙水库以下喇叭口外形(图1)，九溪岸段的涌潮再次增强成为钱塘江河口涌潮观潮景点之一，该处涌潮有时还会翻越之江路防洪堤影响交通和人员生命财产安全。涌潮对涉水建筑物的作用力[2-3]和基础冲刷[4-5]有过较多的研究，对涌潮作用下越堤的影响因素也作过初步探索[6]，但对具体岸段没有作过深入研究。因此，通过物理模型试验研究导致九溪岸段涌潮越堤致灾的原因以及涉水建筑物对该岸段涌潮的影响，对保护涌潮景观资源的同时如何减免涌潮灾害也具有现实意义。

图1 钱塘江河口九溪岸段位置图Fig.1 Location of Jiuxi section of the Qiantang estuary

1 模型设计

1.1 模型比尺及范围

模型设计的关键是涌潮的产生，根据九溪岸段的江道及试验场地情况，涌潮物理模型下游边界定在钱塘江大桥附近，上边界布置在之江大桥附近。模型平面比尺λL=150，模型长度为50 m、宽度为7～11 m，考虑到量测精度按变态模型设计，但因研究的是局部问题，变率不宜太大，故选择垂直比尺为λH=50 ，模拟范围及潮位测点布置如图2所示。

图2 模型布置及潮位测点布置图Fig.2 The test model and water level measuring point arrangement

1.2 主要仪器设备

模型控制系统采用多台水泵变频调速、多口门闭环水位控制系统生潮，试验过程中通过调试变频水泵的频率来满足试验要求的水位及涌潮高度。水位由水位仪监测和控制，涌潮水位过程采用电容式波高仪测量，通过多功能数据采集系统进行实时跟踪、采集、处理得到所需的涌潮高度、水位等参数。在模型堤内侧砌筑带有斜坡的集水槽收集越堤水量。

1.3 试验条件

模型的涌潮水流条件主要是控制低潮位以及涌潮高度。影响九溪岸段涌潮强弱的因素较多，其主要的因素为低潮位和潮差，通常情况下，潮差越大，涌潮高度越高，涌潮的动力则越强[7]。以往的研究表明涌潮高度与潮差之间存在一定的关系，根据九溪下游闸口站高低潮位、潮差等潮汐资料及工程附近相关的涌潮观测成果分析模型试验采用的水流条件。

涌潮高度：多次现场观测资料表明涌潮高度H与涨潮潮差△Z之间存在一定的线形关系，潮差越大，涌潮高度越大。工程岸段下游闸口3 a一遇的潮差约为2.8 m、20 a一遇的潮差约为3.6 m[8]，根据对工程岸段下游七堡、钱江二桥涌潮的涌潮分析成果推算工程岸段涌潮高度为涨潮潮差的0.7倍，涌潮模型试验分别采用1.4 m、2.0 m以及2.5 m的涌潮高度作为常见、3 a一遇以及20 a一遇的涌潮水流条件。

低潮位：钱塘江河口具有一定观赏性的涌潮通常发生在农历七、八、九月的初一～初四、十六～十九，分析工程岸段下游1998年以来闸口站低潮位与涨潮潮差的关系，大潮汛期间涨潮潮差在2.0 m以上时的低潮位约为4.0 m，如发生有历史记录最大潮差3.69 m时的低潮位为4.0 m(闸口站)，本次模型试验采用低潮位约为4.0 m。

地形：试验采用2018年6月1：10 000实测的水下地形图，其中九溪岸段为加密1：2 000水下地形图[9]。

试验工况：包括之江防洪堤高程9.7 m和10.7 m以及九溪顺坝有、无等(表1)。

表1 试验工况和地形水流试验条件Tab.1 Engineering situation and topographic water flow test conditions

2 涌潮越堤分析

2.1 涌潮越堤现场和室内试验

图3 九溪岸段涌潮越堤试验过程(低潮位3.9 m、涌潮高度2.5 m)Fig.3 Test process of tidal bore overtopping embankment in Jiuxi section(low tidal level 3.9 m, tidal height 2.5 m)

钱塘江河口涌潮遇到丁坝、盘头、水闸以及桥墩等涉水建筑物时，引起涌潮水体翻越涉水建筑物或引起涉水建筑物附近局部范围的大幅度壅高，有时会导致涉水建筑物的破坏甚至带来人员的伤亡。珊瑚沙新闸闸下出口段河道的特殊地形(喇叭形、闸门正对涌潮方向)[9]，涌潮能量集聚反射壅高越堤，由于九溪岸段紧邻交通要道(之江路)，已经发生多起涌潮翻越防洪堤至之江路引起交通混乱和人员生命财产损失。

室内试验观测到，当涌潮推进到珊瑚沙水库围堤前沿开始，潮能集中，涌潮强度和壅高增加，当涌潮潮头遇到珊瑚沙新闸后反射引起第二次的壅高，较强涌潮情况下，导致遇闸反射水体翻越珊瑚沙新闸下游一段的防洪堤(堤顶高程为9.7 m)至之江路(图3)。

2.2 闸下沿程壅高

九溪岸段涌潮在向上游的传播过程中，由于受珊瑚沙水库下游围堤喇叭型的逐渐收缩以及水下地形的抬升，潮能集中，沿之江防洪堤堤前的壅高逐渐增加(图4及图5中的行进壅高)，当涌潮潮头碰撞珊瑚沙新闸后反射形成回头潮的壅高则更高(图4及图5中的反射壅高)。

表2 防洪堤加高前后涌潮遇闸最大壅高、越堤水量比较Tab.2 Comparison of the maximum raising of water lever, water volume of overtopping dyke before and after rising of flood control embankment

3 工程措施降低越堤水量效果

3.1 防洪堤加高

钱塘江河口强潮河段的标准海塘建设，在堤顶高程设计中要考虑由涌潮引起的水位骤然壅高的因素[10]，参考满足越浪量海堤高程优化研究方法[11]，试验时将九溪岸段之江路防洪堤高程从9.7 m加高至10.7 m，发现加高之江防洪堤后涌潮遇闸反射引起的堤前壅高有所增加，越堤水量则因堤顶高程增加而有所减少，表2为防洪堤高程从9.7 m增加至10.7 m情况下，涌潮遇闸碰撞反射引起的堤前最大壅高和越堤水量。

从表2可见，防洪堤高程的加高，越堤水量降低的同时，堤前壅高有所增加。

表3 有、无顺坝条件下涌潮遇闸最大壅高、越堤长度 以及越堤水量比较Tab.3 Comparison of the maximum raising of water lever , length of overtopping embankment and water volume of overtopping dyke under the condition of or without dyke

3.2 长顺坝

珊瑚沙新闸下游九溪岸段在20世纪90年代中期因涌潮越堤引起的潮灾较多，杭州市市政工程处提出减免该岸段涌潮越堤灾害的整治措施，通过对三座丁坝群、围堤以及不同长度顺坝布置方案比选分析后，推荐与将来堤线外移有效衔接的长顺坝作为九溪岸段过渡性整治方案[12]，于是1996年在闸下480 m位置建设长度250 m、坝顶高程5.46～6.06 m的混凝土护面型顺坝(图2)，该长顺坝对涌潮在行进和反射过程中具有消弱壅高的作用(图6)。

从图6可见，九溪顺坝建成后，九溪岸段涌潮遇闸最大壅高、涌潮反射越堤长度降低，越堤水量明显减少(表3)。

比较防洪堤加高和长顺坝工程措施对减免涌潮越堤水量的效果看，由于长顺坝具有阻挡、导向、挑流作用，涌潮在冲击顺坝后产生部分反射、部分越坝而过，另外也有绕过顺坝而直接涌向珊瑚沙新闸，两股或两股以上涌潮达到时间差异，减小了涌潮强度，较大幅度减小了壅水高度，越堤水量大幅度降低。加高防洪堤没有改变涌潮水流，堤前壅高反而有所增加，防洪堤高度增加1.0 m引起的越堤水量降低效果不如顺坝方案，此外，九溪岸段处于之江名胜风景区，防洪堤不宜过高，采用长顺坝减免该岸段越堤致灾较为合理。

4 结论

钱塘江河口九溪岸段喇叭形外形和逐渐抬升的水下地形导致九溪岸段涌潮进一步增强，涌潮遇珊瑚沙新闸反射形成的回头潮导致水体越堤是引起该岸段涌潮灾害的主要原因。防洪堤加高和长顺坝可降低九溪岸段涌潮遇闸反射等引起的越堤水量，其中长250 m顺坝方案能较大幅度地降低防洪堤前沿的水位壅高和越堤水量，防洪堤加高1.0 m方案会引起堤前壅高增加且降低越堤水量的效果不如长顺坝方案。