0 引言

位于长江口和杭州湾的一线海堤, 是上海抵御风暴潮灾害的第一道防线, 肩负着全市防汛安全的重要任务.河口地区的海堤建立在滩地之上, 受人类活动和自然灾害的影响, 堤前滩地的稳定具有较大的不确定性, 这给海堤的安全带来较大的风险.随着三峡工程的建设和运行, 长江上游来沙已急剧下降, 长江口杭州湾滩地的发育演变已发生了较明显的变化, 杭州湾湾口北部水域近10年来已由过去的淤积状态转为冲刷状态^[1-2]; 同时, 近年大规模的圈围造地工程的实施, 拦截了大量泥沙, 使得长江口杭州湾滩地出现了局部的冲淤变化^[3-4]; 此外, 破坏力极强的台风风暴潮等自然灾害频发, 巨大的风浪可造成岸滩在短时间内迅速侵蚀, 使得一线海堤及滩地的安全形势越来越严峻. 2005年8月在麦莎台风侵袭下, 奉贤柘林塘、华电灰坝的促淤坝体结构遭到严重损坏, 化学工业区一线海堤半数丁坝群损毁, 海堤外侧滩面发生剧烈冲刷, 给海堤的安全造成严重威胁^[5-6].

在长江口上游来沙减少以及圈围工程拦截大量泥沙的背景下, 加上台风等不确定性因素的影响, 长江口、杭州湾北岸冲蚀型滩地前沿有继续冲蚀的可能, 需要系统分析一线海堤应对滩地冲蚀的防汛能力, 为提高海堤的防汛安全水平提供有效对策.本文选取杭州湾北岸奉贤段的华电灰坝大堤及其前沿滩地为研究对象, 分析滩地冲蚀对海堤安全的影响.

1 研究区域概况

杭州湾是一个典型的喇叭形强潮河口湾, 在强劲的潮流动力作用下, 湾内冲淤强烈, 地貌演变复杂^[7].根据1990-2014年的实测地形资料, 杭州湾北岸奉贤岸段的金汇港至中港岸段是典型的冲蚀岸段, 0 m、2 m和5 m等深线全线内移, 岸滩坡度变陡, 高滩丧失, 岸滩侵蚀严重^[8].华电灰坝大堤位于杭州湾北岸奉贤段的中部, 奉贤碧海金沙东侧, 处于上述典型冲蚀岸段中(见图 1).华电灰坝大堤长约4.65 km, 轴线呈西南－东北走向.圈围大堤采用复式斜坡堤, 大堤向海侧建有促淤坝, 该促淤坝工程为永久性工程, 除了满足促淤功能外, 同时是圈围大堤保滩工程的一部分(见图 2).

从华电灰坝大堤前沿2005和2009年的1:6 000高分辨率的地形资料可以看出, 0 m、2 m、5 m等深线基本与大堤平行(见图 3a).相比2005年, 2009年圈围大堤2 m和5 m等深线较2005年明显向岸后退, 表明堤前滩地存在明显的冲刷现象.从大堤堤前纵向水深变化来看, 自西向东各断面均发生了不同程度的冲刷, 冲刷最明显的范围在促淤坝前20~250 m, 300 m以外水深变化较小(见图 3(b-f)).大堤两侧堤前滩地的冲刷程度强于中段, 最大冲刷深度约1.5~2.5 m. 5 m等深线后退约60~80 m, 2 m等深线后退约15~50 m, 0 m等深线基本没有变化.根据2009-2014年实测资料以及分形理论分析^[9], 华电灰坝岸段在2009年后有进一步冲刷的趋势, 岸滩的持续冲刷对海堤的安全构成严重威胁.

2 波浪模型的建立 2.1 模型介绍

本研究关注的重点是滩地冲蚀后对海堤前沿的波浪要素以及海堤安全的影响.杭州湾口外为开敞海域, 湾内岛屿众多、地形复杂, 外海波浪传入时受舟山群岛的影响较大.同时堤前滩地水深较浅, 水位和潮流对波浪参数的影响较大, 应充分考虑水位和潮流的作用.本研究采用丹麦水利研究所(DHI)的MIKE21 Spectral Wave(SW)模型^[10]对长江口、杭州湾及其附近水域的波浪场进行计算.该模型已广泛应用于大洋^[11]、河口^[12]、海岸^[13-15]和潟湖^[16]的波浪模拟和研究.

MIKE21 SW模型根据波作用守恒原理模拟近海及海岸地区风生浪和涌浪的生长、衰减以及水深变化引起的折射和浅水变形, 可以考虑水位和流速对波浪场的影响, 并方便与MIKE21 FM水动力模型进行耦合.模型基于无结构网格, 能较好地拟合岸线和岛屿.模型基于如下波作用力守恒方程^[10]:

$ \begin{equation} \label{eq1} \frac{\partial }{\partial t}N+\frac{\partial }{\partial x}c_x N+\frac{\partial }{\partial y}c_y N+\frac{\partial }{\partial \sigma }c_\sigma N+\frac{\partial }{\partial \theta }c_\theta N=\frac{S}{\sigma }. \end{equation} $

(1)

式中, $N$为波浪作用密度谱; $\sigma $为相对角频率; $\theta $为波向; $c_x $、$c_y $、$c_\sigma $、$c_\theta $分别为波浪在$x$、$y$、$\sigma $、$\theta $方向上的群速; $S$表示源函数.方程左端第1项为波能随时间的变化项, 第2、3项为波作用量的空间对流项, 第4项为由于水深变化和水流作用造成的波作用量在频域上的变化, 第5项为由水深、水流变化引起的折射; 方程右端表示能量的输入和耗散, 包括由风产生的能量输入、波-波间非线性相互作用、破波耗散、底摩阻损耗以及波浪破碎等.

2.2 模型设置

波浪模型的计算范围包括整个长江口、杭州湾和邻近海域, 上游边界位于长江大通和钱塘江盐官.长江口和杭州湾网格分辨率约1~1.5 km, 外海开边界网格较粗, 分辨率约15 km (见图 4a).对奉贤岸段的网格进行加密, 并对华电灰坝大堤堤前网格进行了局部加密, 分辨率最高为10 m (见图 4b).模型的地形主要通过长江口杭州湾沿岸最新实测地形以及近年新出版的海图资料插值得到, 其中华电灰坝大堤堤前的水深采用2009年2月实测的高分辨率地形资料.

在近岸水深较浅的区域, 潮位变化对总水深影响较大, 在同一位置潮位较高时波浪要素也相应较大.波浪模型在计算华电灰坝大堤设计条件下的波浪参数时, 采用定常水位和定常正向风.在模拟实际过程时, 充分考虑风应力、水位和流速对波浪场的影响, 其中海表面风场采用中尺度的大气数值模式Weather Research and Forecasting (WRF)计算得到, 水位和流速由MIKE21 FM计算给出, 计算网格同波浪模型.波浪模型的开边界设置波浪可以自由传出, 避免因边界反射波浪影响计算区域.

2.3 模型验证

采用2005年对上海地区影响较大的麦莎(0509号)和卡努(0515号)台风期间长江口和杭州湾实测的波浪数据对建立的波浪模型进行验证.两次台风期间, 长江口杭州湾的最大风速分别出现在8月6日12:00和9月12日0:00前后, 各测站的有效波高和平均波周期总体上随风速的增大而增大(见图 5和图 6).麦莎台风期间, 金山卫波浪站实测最大有效波高2.9 m, 最大平均波周期7.5 s.卡努台风期间, 金山卫站的波浪参数整体上小于麦莎台风期间; 大戢山、嵊山、滩浒岛和佘山站均不同程度的受到台风影响, 嵊山站观测到的最大有效波高约3 m, 而其他测站观测到的最大有效波高不超过2 m.

从波浪模型计算的两次台风过程下波浪要素来看, 有效波高和波周期量值与变化过程与观测资料整体上吻合良好, 部分时段的波高和周期与实测资料有一定误差, 有效波高平均绝对误差为0.38 m, 波周期平均绝对误差为0.52 s, 主要与台风风场计算的误差有关.总体上, 建立的波浪模型可应用于长江口杭州湾近岸的波浪要素的模拟计算.

2.4 计算潮位与风速

大堤堤前设计波要素根据其设防标准相应的高潮位和风速计算.华电灰坝大堤的设防标准为200年一遇高潮位加12级风下限(32.7 m/s).华电灰坝大堤200和100年一遇高潮位分别为6.33和6.14 m (吴淞高程)^[8].

3 滩地冲蚀对堤前波浪要素的影响 3.1 现状地形条件下堤前波浪要素计算结果分析

由于华电灰坝堤前高分辨率的地形资料较少, 本研究采用2009年2月的实测资料作为现状地形.根据《海堤工程设计规范》^[17]的相关规定, 海堤工程的设计波要素应取堤脚前约1/2波长处的波浪要素.根据文献8的研究, 该水域在200年一遇高潮位和12级风下限设计标准下的波长约50~60 m.华电灰坝大堤和促淤坝断面如图 2所示, 堤脚前1/2波长处为大堤促淤坝前的低滩, 现状高程为$-$0.5 m, 设计波要素取该位置的波浪要素.

按照华电灰坝大堤200年一遇高潮位加12级风下限风速的设防标准, 波浪模型的水位和风速取定常, 分别设置为6.33 m和32.7 m/s.通过波浪模型计算比较发现, 波向基本与风向一致, 风向为正向和正向偏东22.5°下计算的波浪要素大小比较接近, 均大于风向为正向偏西22.5°下的波浪要素.考虑到相同波要素条件下波浪正向入射对大堤的影响更大, 从工程设计偏安全的角度考虑, 本研究取正向入射的波浪要素分析.

根据堤前地形资料, 华电灰坝促淤坝前的等深线基本与岸线平行(见图 3a), 且促淤坝前30 m为低滩, 水深变化相对较缓, 波浪模型的计算结果比较稳定可靠, 因此将波浪模型的输出点取在促淤坝前30 m处.由于波浪向浅水区传播时会产生浅水变形效应, 引起波高的增大或减小, 因此需要将促淤坝前30 m处的波浪要素进行浅水变形计算, 得到促淤坝前低滩处的波浪要素, 浅水变形按照《滩涂促淤圈围造地工程设计规范》^[18]中近距离波浪传播变形的规定计算.考虑到促淤坝的顶高程为3.34 m, 宽3 m, 具有一定的消浪作用, 根据《海堤工程设计规范》^[17]中的相关规定进行潜堤消浪计算.华电灰坝大堤现状地形条件下的设计波浪要素如下:波周期和波长分别为6.56 s和47.95 m, $H_{1\% }$、$H_{13\% }$(有效波高)和平均波高分别为3.77、2.81和1.92 m (见表 1).

3.2 滩地冲蚀条件下堤前波浪要素的计算结果分析

从华电灰坝大堤堤前2005和2009年的水深断面图来看(见图 3), 在促淤坝前300~ 350 m范围内, 水深小于5~6 m的滩地冲刷较为明显.为了模拟在现状条件下近岸滩地进一步冲深对波浪要素的影响, 将波浪模型中促淤坝前500 m范围内、水深小于6 m的网格水深进行修改, 修改后的水深$h_{1}$和现状水深$h_{0}$之间关系为

$ \begin{equation} h_1 =\max( {h_0 +\Delta h, -6}). \end{equation} $

(2)

其中, $\Delta h <$0, 表示冲刷深度, 从而可以使修改水深的区域与周围相对平滑, 避免因修改水深导致的地形突变.本研究设置了$\Delta h=-1, -2, -3, -4$和$-5$ m, 共5组对比试验, 分别表示堤前滩地冲刷1、2、3、4和5 m.

修改地形后采用波浪模型重新计算促淤坝前波浪要素, 并经过潜水变形和潜堤消浪计算后得到不同滩地冲刷深度下华电灰坝大堤的设计波浪要素, 计算结果如表 1所示.华电灰坝大堤滩地从现状变化至冲深5 m, 平均波高从1.92 m增至1.96 m, 波周期从6.56 s减至6.53 s, 二者变化较小.这主要是由于该水域滩地为低滩, 叠加200年一遇高潮位后堤前总水深较深, 水深进一步加深对平均波高和波周期影响不大.随着滩地冲蚀1~5 m, 波长分别增加5%、9%、13%、16%和20%, 说明华电灰坝堤前滩地冲深对波长影响较大.不同累积频率波高随着滩地的冲蚀而增加, $H_{1\% }$波高增幅相对较大, 随着滩地冲蚀$1\sim 5$ m, 分别增加3%、6%、8%、10%和12%.

4 滩地冲蚀对海堤安全的影响

滩地冲蚀增加了堤前波浪要素, 从而增加了波浪爬高, 很可能造成大堤的设防高度不足.另一方面, 波要素的增加加大了对护面的冲击, 很可能造成外坡护面的损毁.接下从大堤设防高度和外坡护面安全两方面定量分析滩地冲蚀对海堤安全的影响.

4.1 对大堤设防高度的影响

海堤的设防高度是大堤安全与否的重要因素, 根据《海堤工程设计规范》^[17]对堤顶高程设计的规定, 堤顶高程由设计高潮(水)位、波浪爬高及安全加高3部分决定, 其中波浪爬高根据规范中的波浪爬高公式计算.堤前滩地冲蚀引起的波浪要素增加, 将直接影响波浪爬高, 从而对海堤的设防安全产生影响.

华电灰坝大堤的设计堤顶高程为10.33 m.在200年一遇设计条件下, 现状滩地下计算的波浪爬高为2.84 m, 满足设计安全的堤顶高程为10.17 m, 未超过设计堤顶高程(见表 2).当堤前滩地冲深2 m后, 波浪爬高增至3.06 m, 相应堤顶高程为10.39 m, 已超过大堤设计的堤顶高程, 大堤有漫溢风险.当堤前滩地冲深5 m后, 波浪爬高增至3.20 m, 相应的堤顶高程为10.53 m, 超过设计堤顶高程0.20 m.随着堤前滩地冲蚀1~5 m, 波浪爬高增加5%、8%、10%、11%和13%, 堤顶高程增加1%、2%、3%、3%和4%.随着滩地的不断冲深, 堤顶高程增加的趋势逐渐减缓, 滩地从现状变化至冲深1 m, 堤顶高程增加0.13 m.而滩地从冲深4 m变化至冲深5 m, 堤顶高程仅增加了0.04 m.表明堤前水深越深, 冲刷相同深度对大堤的安全风险影响越小.

从3.2节的分析可知, 滩地的冲蚀虽对平均波高和波周期影响不大, 但显著增加了浅水波长和$H_{1\% }$.从波浪爬高的计算公式看, 在同一计算工况下, 对于某一固定断面, 波浪爬高由堤前水深、波长和$H_{1\% }$决定.下面以华电灰坝大堤现状滩地的堤前水深、波长和$H_{1\% }$为基准, 分别分析这三个因子单独增加对波浪爬高的影响.从图 7(a)可以看出, 在波长和$H_{1\% }$保持不变的情况下, 仅增加堤前水深, 波浪爬高减小; 从图 7(b)可以看出, 增加波长或$H_{1\% }$, 波浪爬高均增加, 并且波长增加对波浪爬高增加的贡献明显大于$H_{1\% }$.由此可见, 堤前滩地冲蚀后波浪爬高的增加主要是波长增加引起的.

滩地冲蚀增加了堤前的波浪要素, 使得设计堤顶高程挡水的防御能力下降, 为了定量分析滩地冲蚀对海堤防御能力的降低程度, 本文计算了100年一遇条件下(水位6.14 m, 风速30.1 m/s), 在现状滩地以及不同冲刷深度下的波浪爬高和相应的设计堤顶高程, 结果如表 3所示.现状滩地地形条件下的波浪爬高为2.72 m, 相应的设计堤顶高程为9.86 m, 比200年一遇条件下减低0.31 m.随着滩地的冲深, 波浪爬高和堤顶高程增加.堤前滩地冲深5 m时, 波浪爬高为3.04 m, 相应的堤顶高程为10.18 m, 与200年一遇条件下现状滩地的堤顶高程10.17 m基本一致.这表明若华电灰坝大堤堤前滩地刷深5 m, 海堤设防高度的防御能力将从200年一遇下降为100年一遇.

4.2 对外坡护面的影响

海堤护坡结构主要为栅栏板、浆砌块石、异型块体等, 其厚度或重量的设计安全值可通过《海堤工程设计规范》^[17]计算获得.本节从设计规范中的公式出发, 通过计算比较不同滩地冲刷深度下护坡结构的设计安全值, 分析滩地冲蚀对外坡护面安全的影响.

华电灰坝大堤外侧护坡为栅栏板, 上坡设计厚度为25 cm, 下坡为30 cm.栅栏板的厚度根据《海堤工程设计规范》^[17]计算确定. 200年一遇条件下, 华电灰坝大堤在现状滩地下的栅栏板厚度为25.2 cm (见表 4).根据栅栏板厚度的计算公式, 其大小与$H_{13\% }$以及堤前水深成正比, 随滩地的冲深而增加.随着滩地冲蚀1~5 m, 栅栏板厚度增加显著, 增幅分别为7%, 13%, 19%, 25%和31%.在100年一遇条件, 相同地形条件下的栅栏板厚度均小于200年一遇, 但量值相差较小, 均在2 cm以内.当滩地冲深1 m后, 栅栏板厚度为25.6 m, 已大于200年一遇条件下现状滩地栅栏板厚度.这表明滩地冲蚀1 m引起的栅栏板设计厚度差异, 与相同地形下100和200年一遇设计标准引起的差异相近, 因此在护面的设计中应充分考虑安全富余度.

5 结论

本研究分析了华电灰坝大堤堤前的岸滩变化, 通过建立长江口杭州湾波浪数学模型, 结合相关设计规范计算了该岸段现状地形下的波浪要素, 分析了不同滩地冲蚀深度对堤前波浪要素、海堤设防高度和外坡护面的影响.主要结论如下:

(1) 华电灰坝大堤前沿滩地是杭州湾北岸典型的冲蚀岸段, 在200年一遇设计标准和现状地形条件下的平均波高、$H_{1\% }$波高、波周期和波长分别为1.92 m、3.77 m、6.56 s和47.95 m.随着滩地冲蚀1~5 m, 波长分别增加5%~20%, $H_{1\% }$波高增分别增加3%~12%, 但平均波高和波周期变化不大.

(2) 在200年一遇设计标准下, 现状滩地下的波浪爬高为2.84 m, 堤顶高程为10.17 m, 随着堤前滩地冲蚀1~5 m, 波浪爬高增加5%~13%, 堤顶高程增加1%~4%.当堤前滩地冲深2 m以上, 现状堤顶高程不足, 大堤有漫溢风险.堤前滩地冲蚀引起波浪爬高增加和设计堤顶高程的增加, 其主要原因是堤前浅水波长的增加.当堤前滩地刷深5 m, 海堤设防高度的防御能力将从200年一遇下降为100年一遇.

(3) 在200年一遇设计标准下, 现状滩地下的外坡栅栏板所需厚度为25.2 cm, 随着滩地冲蚀1~5 m, 栅栏板厚度分别增加7%~31%, 增幅显著.同时滩地冲蚀1 m引起的栅栏板厚度差异, 与相同地形下100和200年一遇设计标准引起的差异相近.应在外坡护面安全设计中充分考虑安全富余度.

需要说明的是, 本研究的结果均基于设计高潮位, 且选取的华电灰坝断面堤前滩面高程较低.若在设计低水位或者堤前滩面高程较高的岸段, 滩地冲刷引起的波浪要素变化将更加显著, 很可能对大堤安全的影响更大.应在今后做进一步研究.