防冲保滩工程设计与分析

长江口江心沙洲上提下移、沟槽左摆右移，冲淤交替，是长期的自然现象，这种现象有一定的规律，但至今尚未被完全掌握，具有明显的多变性。青草沙水库位于南北港分流口这一河势变化较大且十分敏感的位置，南支上段及南北港分流口河势变化直接影响青草沙的边滩的冲淤。长江口沙洲及水下河床动荡多变，洪水、风浪、强潮及水中含沙量和河势的变化，都是引起岸滩的剧烈变化，导致堤坝破坏。因而素有护堤先护脚，护脚先保滩的做法。青草沙水库工程岸段河势及水库堤前滩势的稳定是保证水库堤坝安全的首要条件，护堤必先保滩。

在探讨河口滩地冲刷机理及全面分析中央沙沙头及两侧以及青草沙水库实施后可能的冲刷态势的基础上，总结分析现有保滩护底结构形式及实用性，提出适合本工程特点的滩势控制与保滩护底的平面布置方案及新型结构形式。采用三维流场数值模拟计算和进行护滩防冲物理模型试验研究，分析水库大堤全线在设计护底方案下，滩前可能的冲刷范围、冲刷形态及深度，确定合理的保滩护底工程措施和防护范围，为围堤工程护底设计与优化提供科学依据。

4.3.3.1 工程水域潮流分析

根据地质勘察报告，工程所在区域表层基础为松散粉砂层，下卧土层为高压缩性、强度低的淤泥质土。表层粉砂层具有颗粒细、粒径均匀、松散的特征，极易因水流作用而掀扬和运移。随着水库堤坝的构筑，必然会引起周围流场的局部改变，通常会使沿堤流发育而加剧堤侧滩地冲刷，进而危及建筑物自身的稳定和造成河势的不良变化，因此要求采取有效措施控制建筑物周边河床冲刷的护滩结构。

根据经验分析，发生冲刷的主要原因有两种：一是整体水域的河势变化造成的冲刷；二是工程实施后对水流有一定的阻水作用，形成沿堤流和绕堤流，引起工程周边冲刷。

青草沙水库所在的水域地貌形态为大片江心沙洲后拖一条基本平顺相连的带状沙脊，沙脊离岸1.2～4.0km，顺流向长约30km，沙脊及其上游端沙洲构成包络面积约48km2的河口大型涨潮沟。工程区水下地形复杂，河床泥沙可动性较强，加上受上游长江径流以及下游潮流形成的往复流的影响，水流条件复杂，互动因素较多，堤前滩势变化频繁，冲淤互现。青草沙水库堤线布置在此沙脊上，根据水流测验和二维及三维数值模拟发现，涨潮时来自横沙小港的强劲涨潮流贴岸向上游，而落潮流经新桥通道斜向入北港，主流偏北，在青草沙水域下段涨落潮流流路明显不一致。分析流场还可发现，以沙脊为界，沙脊内侧涨潮沟内下段涨潮时流速大于沙脊外侧，而落潮时则是沙脊外侧流速大于内侧。由于这种速度差的存在，导致水流在一定范围内存在流速梯度，流速梯度的剪切效应导致涡流产生，进而导致水体中高含砂的落淤，形成沙脊。

随着涨潮沟向上游延伸，沟内的水流强度逐渐减弱，水动力逐渐减小，水流冲刷能力降低，因而沟槽逐渐变浅；落潮时涨潮沟上端的落潮流主流一般偏外侧，头部水流不急，易于落淤，从而形成沙洲。落潮漫过沙洲进入涨潮沟的水流没有沟槽外主流顺畅，导致沙脊内侧沟槽中水位和流速低于沙脊外侧，一方面产生了穿过沙脊的横向流，另一方面产生了与涨潮时方向相反的剪切效应和涡流。在涨落潮周期性交替作用下，涨潮沟形态维持动态平衡，一旦水域中水沙情况发生大的变化或者流场受到人为干扰，涨潮沟也将因之调整。

水流分析验证了涨、落潮流流路不一致是涨潮沟成因的理论，同时推断因水流在相对固定的平面位置上存在平面速度梯度，产生水平涡流，可能是产生涨潮沟与主槽间沙脊的力学机理。

4.3.3.2 防冲护滩方案物理模型论证

研究目标：在已有河势分析、数学模型及物理模型试验成果基础上，根据实测地形资料以及水库堤线布置方案，通过局部动床物理模型试验，研究水库大堤全线在设计护底方案下，滩前可能的冲刷范围、冲刷形态及深度，确定合理的保滩护底工程措施和防护范围。

1）模型设计

（1）模型范围。根据研究目标，模型采用南北方向固定边界控制方案（图4-19）。模型上游以浏河口作为上边界，下边界至横沙岛。该河段长约50km，最宽处近20km。模型的平面比尺为1∶450，垂直比尺为1∶150，变率为3。模型范围均按2006年7月地形设计，原型面积达800km2，模型面积为4000m2。

图4-19 模型范围和边界

（2）模型控制。模型上边界通过双向轴流泵和流量计实现四口门流量闭环控制，下边界采用潜水泵实现潮位闭环控制，水泵的流量控制利用供电频率变频来实现。

2）水文条件与试验方案

（1）水文及边界条件。为了保障工程护底措施的安全与经济性，试验要考虑最不利的水文条件组合，同时又要符合长江口的实际情况。

①上游流量。首先，施放大通站洪季流量46000m3／s，直至护滩堤局部冲刷达到平衡状态。然后，施放92600m3／s流量40d左右（模拟1954年大洪水情况），再施放大通站洪季平均流量直至冲刷再次达到平衡状态。

②潮型。在验证潮型的基础上确定，拟选取保证率为95％的潮差，横沙站潮差3.85m左右。

③模型地形。浏河口至南北港上段采用2006年7月实测地形；北港采用2006年10月实测地形；南港下段采用2006年11月实测地形。由于中央沙沙头近年来冲刷变化剧烈，中央沙头部采用2007年1月地形制作。

（2）试验方案。主要分为两类：一类方案是在中央沙圈围及青草沙水库工程堤线全部建成后，研究并优化堤线附近不同堤段的护底排宽度，同时对格坝与护滩丁坝的数量进行优化；二类方案是研究新浏河沙护滩及南沙头通道限流潜堤工程实施后，一类方案确定的护底宽度有无进一步优化的必要，同时南堤护滩丁坝有无进一步优化的可能。方案详见表4-4。

表4-4 试验方案设计

3）试验研究的几个重点

（1）东堤附近堤段局部冲刷。鉴于东北堤连接段冲刷的机理较为复杂，有可能涨潮动力是影响稳定的主要因素，特别是青草沙水库工程实施后，封堵了北小泓涨潮槽，使得该处水流动力条件更为复杂。局部冲刷试验的水文条件为上游大通洪季流量46000m3／s、下游横沙3.85m潮差（试验中间施放92600m3／s流量，简称洪季流量），但是上述试验采用水文条件是否还是造成东堤附近堤段最不利的水文条件组合，值得分析。为此，在物理模型试验中安排了一组试验，该试验的水文条件为上游大通洪季流量11000m3／s、下游横沙3.85m潮差（简称枯季流量）。通过对两组不同水文条件下试验结果的对比分析，确定造成东堤堤段护底排前沿最大冲刷坑的水文条件，同时为东堤附近堤段的工程设计、施工以及护底排之间的搭接方式（上游向下游搭接还是下游向上游搭接）提供科学依据。

由试验结果分析可知：在枯季流量水文条件下，东堤附近堤段护底排前沿最大冲刷坑明显比洪季流量条件下大，尤其是东堤转弯段的局部冲刷坑最大深度增加了1.5m左右；其他堤段依然是洪季流量下冲刷坑最大。所以，东堤附近堤段大堤的稳定由涨潮流控制，该堤段的护底排设计以及现场施工应该更加关注涨潮流的影响。

（2）水库大堤各堤段护底排前沿冲刷坑。在河口地区建设涉水工程，工程堤线附近一般都会出现局部冲刷坑，冲刷坑的发展会影响到工程建筑物的稳定，进而给工程安全带来重大隐患。为了保障工程建筑物的稳定，必须在工程内外侧铺设护底排，把工程附近的局部冲刷转移到护底排的外侧。护底排的稳定关键在于护底排外侧局部冲刷坑的深度与坡度，一般来说护底排越长，护底排外侧冲刷坑越小，冲刷坑的坡度也越小。只要护底排的长度选择合理，就能保障护底排的稳定，同时涉水工程的稳定也就得到满足。

物理模型试验研究的目的，就是分析青草沙水库工程实施后，水库大堤全线护底排前沿最大冲刷坑的几何形态（包括冲刷坑的深度与坡度），为护底排宽度的确定提供技术支持。

对护底排宽度的研究分为两种情况：一是没有新浏河沙护滩与南沙头通道限流工程（简称无限流工程）；二是有新浏河沙护滩与南沙头通道限流工程（简称有限流工程）。

研究表明，由于水库工程堤线各处水流条件差异较大，导致堤线各段护底排前沿冲刷坑变幅很大，其中西堤冲刷坑最大，东堤与南堤次之，北堤最小。限流工程实施后，西堤北侧冲刷坑冲刷幅度增加，最大冲刷幅度增加2.19m，北堤上段也有所增加，最大冲刷幅度增加0.67m；北堤中下段与东堤基本没有变化；西堤北侧与南堤冲刷坑冲刷幅度减小，西堤南侧最大冲刷幅度减小1.91m，南堤最大冲刷幅度减小0.76m。

（3）东堤丁坝护滩效果。东堤附近堤段本身水动力条件复杂，加上青草沙水库工程的建设截断了北小泓的水流，使得该处水流条件变化较大，东堤附近堤段的滩前局部冲刷变得更为复杂。根据研究表明：在涨潮流控制下（大通洪季流量46000m3／s＋下游横沙3.85m潮差）东堤附近堤段的局部冲刷坑明显比在落潮控制下（大通洪季流量11000m3／s＋下游横沙3.85m潮差）产生的冲刷坑大，尤其是东堤转弯段的局部冲刷坑最大冲刷深度增加了1.5m左右。为了保障东堤转弯弧段稳定性，拟在东堤转弯段增加一条丁坝，通过调整局部流场，在丁坝两侧靠近大堤附近形成缓流区，进而形成对大堤的保护。

图4-20 东堤丁坝方案布置图

模型试验，在东堤转弯段增加一条丁坝，丁坝总长度530m，高程从＋4m到＋2m（图4-20）。在此基础上对丁坝长度减少100m及减少100m后顺时针旋转6°的方案进行了试验对比。

根据试验观察，东堤丁坝建设后，在丁坝的南北两侧靠近大堤附近都形成了较大的掩护区，泥沙在丁坝的两侧均有较大幅度的淤积，但是在坝头形成了较大的冲刷坑。

根据试验可知，东堤丁坝的建设，减小了东堤附近堤段的局部冲刷，影响最为明显的部位是东堤转弯段，在转弯段北侧护底排外侧甚至出现淤积，丁坝的建设起到良好的护滩保堤效果，但是在潜堤头部形成较大冲刷坑。从护滩保堤效果角度分析，东堤丁坝三个平面布置方案之间没有太大差异。

4.3.3.3 水库围堤前沿滩地冲刷坑分析及护底范围计算

1）整体河势变化造成的冲刷预测

根据河势演变分析及动床物理模型试验，按整体水域的河势变化造成的冲刷分析，在无保滩护底措施情况下，若干年后北堤上段堤前岸滩可能形成冲刷深槽，南堤中段槽底高程约达－10m；西堤槽底高程达－17～－10m；北堤上段先期护底槽底高程达－15～－11m；北堤中段槽底高程达－10～－6m；北堤下段、东堤上段及堤头段槽底高程约达－11m。

2）沿堤流、绕堤流引起冲刷分析

除东堤堤头段拟采用丁坝外，其他各段均采用适用滩地变形能力强、对河床边界条件改变较小、对近岸及周边水流影响较小的混凝土联锁块软体排护底保滩。因此，东堤堤头段丁坝采用丁坝冲刷深度计算公式计算；其余混凝土联锁块软体排护底保滩段采用平顺护岸冲刷深度计算公式计算。

（1）沿堤流引起的冲刷分析。围堤堤前沿堤流产生的冲刷深度可根据《堤防工程设计规范》D2.2的计算公式计算。

①水流平行于岸坡产生的冲刷可按下式计算：

式中 h B——局部冲刷深度（m），从水面起算；

hp——冲刷处水深（m），以近似设计最大深度代替；

Vcp——平均流速（m／s）；

V允——河床面上允许不冲流速（m／s）；

n——与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取0.25。

②水流斜冲防护岸坡产生的冲刷可按下式计算：

式中 Δhp——从河底算起的局部深度（m）；

α——水流流向与岸坡交角（°）；

m——防护建筑物迎水面边坡系数；

d——坡脚处土壤计算粒径（cm）；

Vj——水流的局部冲刷流速（m／s）。

根据物模试验成果，工程区段在90000m3／s洪水作用下临近主槽落急流速南堤中段为2.02m／s；西堤和北堤上段先期护底为2.50m／s，北堤中段为2.25m／s；北堤下段、东堤上段及堤头段为2.34m／s；东堤下段为1.75m／s。南堤、西堤河床泥沙中值粒径d50＝0.074mm；北堤先期护底河床泥沙中值粒径d50＝0.118mm；北堤中段河床泥沙中值粒径d50＝0.069mm；北堤下段河床泥沙中值粒径d50＝0.081mm；东堤河床泥沙中值粒径d50＝0.095mm。

（2）丁坝坝头局部冲刷分析。由于丁坝冲刷的计算公式较多，而坝头冲刷坑的深度是保滩工程设计、防护和加固所需的重要参数，所以选择多种不同的公式进行计算验证分析。

①《堤防工程设计规范》推荐公式。根据《堤防工程设计规范》附录D.2.1非淹没丁坝冲刷深度计算公式，即

式中 Δh——冲刷深度（m）；

V——丁坝的行进流速（m／s）；

K1——与丁坝在水流法线上投影长度l有关的系数；

K2——与丁坝边坡坡率m有关的系数；

α——水流轴线与丁坝轴线的交角，当丁坝上挑α＞90°时，应取tanα／2＝1；

g——重力加速度（m／s2）；

d——床沙粒径（m）。

对于河床质粒径较细时，可按《堤防工程设计规范》附录D.2.1-4公式计算，即

式中符号意义同上。

按以上公式计算，堤头最大冲刷深度为5.53m。

②《航道整治工程技术规范》推荐公式。根据《航道整治工程技术规范》堤头局部冲刷深度计算，计算公式如下：

式中 hp——计算水面下冲刷坑的最大水深（m）；

h——计算水面下冲刷前拟建丁坝坝头处的水深（m）；

L——丁坝在过水断面上的有效投影长度（m）；

Km——与丁坝头部边坡系数有关的系数；

Kα——与丁坝轴线和流向之间夹角α有关的系数（α以°为单位）；

ω——泥沙颗粒沉速（cm／s）；

V——流向丁坝头水流的垂线平均流速（m／s）；

Vc——泥沙的冲刷流速（m／s）；

d——泥沙粒径（m）。

3）冲刷深度综合分析

河势变化是本工程堤前岸滩稳定的决定因素，堤坝或保滩工程形成后引起的局部流场改变则会进一步加快加剧堤前岸滩冲刷。冲刷坑计算结果见表4-5。

表4-5 冲刷坑计算(www.xing528.com)

（续表）

4）横向护底范围确定

护滩结构横向范围由堤身软体排宽度和两侧余排宽度组成。堤身软体排宽度由堤身底部的宽度确定。堤前余排宽度的确定，应根据堤（坝）所在区域河演分析成果以及水流、波浪、河床质等条件，预测可能出现的冲刷深度和冲刷边坡，要求冲刷后形成的边坡能满足堤（坝）整体稳定的要求。

横向余排宽度的确定参照《水运工程土工合成材料应用技术规范》（JTJ239）9.2.7条规定计算，计算公式如下：

式中 L——软体排横向余排长度（m）；

kp——褶皱系数，取1.1～1.3；

Δhp——预计冲刷深度（m）；

m——河床稳定边坡系数［m＝cotα，其中α为河床冲刷后的坡脚（°）］。

根据长江口深水航道工程实测资料，在长江口粉细砂基础上，已建导堤发生冲刷的地段，其冲刷边坡一般在1∶2～1∶4，冲刷深度大多在1.5～5.0m以内。青草沙水域河床滩面和土层的地质条件与深水航道工程基本相同，故冲刷坑边坡按1∶2～1∶4考虑。堤前余排保护范围按堤前深槽逼岸，护滩坡度取1∶2～1∶4。将理论计算成果与上海河口海岸科学研究中心的物理模型试验进行了比对，表明理论计算的冲刷深度合理。堤前护滩混凝土联锁块软体排宽度见表4-6。

表4-6 混凝土联锁块软体排宽度计算

4.3.3.4 防冲保滩方案应用

1）保滩结构形式调查与适用性分析

在径流、潮流、风浪等诸多动力因素的作用下，海堤（海塘）堤前岸滩会出现淤涨、冲刷、冲淤交替等复杂的过程，若堤前的滩涂不断受到冲刷，堤脚将会出现淘空失稳现象，危及堤身安全，故“护堤先护脚”“护脚先保滩”。

近50年来，在上海崇明、长兴、横沙三岛及长江南岸、杭州湾北岸岸滩冲刷岸段陆续兴建了大量丁坝、顺坝及护坎保滩工程，对所处岸段的堤前滩地保护及大堤堤身安全的保护发挥了巨大的作用。为了汲取以往保滩工程的成功经验与教训，对各种保滩结构形式进行了调查。调查结果表明，保滩护底方式通常有两类：一是通过在堤前设丁坝、顺坝、软体排加抛石等保滩护底；二是通过在堤前设桩基、沉井等保滩护底。丁坝、顺坝、软体排加抛石为上海地区常用保滩护底结构，属“柔性结构”，其优点是本身可以自我调整，适应性强，可以“随遇而安”，对建筑物的自身稳定非常有利；桩基、沉井方式属“硬”抗冲，投资较高，适用于滩地冲刷变化范围大、深度深、堤前滩地或环境受限制的堤段，上海地区较少使用。

（1）丁坝保滩。丁坝主要适用于以潮流影响为主的堤岸，是上海地区最常用的保滩措施，它的保滩机理主要是通过将主流挑离河岸堤防，并尽量争取在坝田区形成淤积，从而解除堤岸承受冲刷的威胁。对受风浪剥蚀为主或波浪掀沙与水流冲刷同时起作用的岸滩，以顺坝保滩或丁顺坝结合效果比较明显。上海地区保滩丁坝均为淹没丁坝，当挑流的作用太大时坝头处易形成冲刷坑以致坝头损坏坍失。坝头损坏坍失的原因主要是潮流受丁坝阻挡产生沿堤流，在坝头附近产生的涡流（立轴涡流和横轴涡流）对坝脚滩面的强烈淘刷作用，使坝头坝脚滩面刷深形成巨大的冲刷坑，导致坝头块体失稳坍落，进而随着冲刷坑的进一步内移而使坝体破坏。一旦形成上述情况，将使坝头修复变得十分困难，工程造价大幅增加。因此对于新建丁坝，当潮流作用很强时，不宜采用长丁坝挑流形式，而应选用短丁坝群组合挑流的形式，但为了避免丁坝头部形成冲刷坑，进而连片形成近岸冲刷槽，宜采用勾坝形式，当涨落潮潮流作用相差不大的情况下采用T形勾坝形式，对单个丁坝则加强坝头的护底保护措施。

对于堤前滩面很低而潮流作用又很强，必须采用丁坝挑流的保滩工程措施时，可以考虑采用管桩丁坝。由于传统的抛石丁坝坝体高，抛石量大，不仅工程投资大幅增加。而且还涉及软弱地基承载力问题，必须进行地基处理，增加施工难度、施工时间等。采用管桩丁坝不仅使抛石工程量大量减少，降低工程投资，还提高了坝体的稳定性，上海化学工业园区东南转角实施的即为此类型，其挑流保滩效果明显。

（2）顺坝保滩。顺坝保滩主要适用于风浪剥滩作用为主、具有向岸流作用的岸段，杭州湾北岸上海地区应用较普遍，长江口亦有部分岸段应用。此结构布置可以顺应水流方向，对保滩岸段的河势影响较小，但对于工程前沿滩地低、堤脚处滩地坡度较陡的岸段，顺坝工程量较大，虽保滩效果较好，但投资大，建成后维修量也大；对堤前滩地较高且坡度较缓的岸段，此结构形式投资小，较为合适。为了防止坝前滩地的侵蚀，与丁坝相结合的保滩护底效果较好。

（3）软体排保滩。软体排主要适用于堤前滩地低、护底结构受波浪作用力小的岸段。采用软体排平顺护底的方式施工快，适用滩地变形能力强，对河床边界条件改变较小，对近岸及周边水流的影响也较小，对于低滩岸段是较为理想的保滩护底方式。软体排护底是在传统的柴排抛石基础上进化而来，它对堤前滩地的保护机理，主要是利用抗冲材料——软体排直接铺敷在堤脚一定范围形成连续的覆盖式护底，从而达到保护堤前滩地免受水流和波浪的冲刷。混凝土联锁块软体排具有较好的整体性和柔性，可随河床冲刷坑的形成而下沉，排布对被保护的下部土体有可靠的封闭作用，防止土体被水流带走，上层的混凝土联锁块可有效抵御水流的冲刷，从而保护被覆盖护坡的稳定。

（4）抛石保滩。在滩坡上直接抛石形成防冲保护层，是最古老而常用的保滩方法，在不易建坝或不宜建坝、又不具备铺软体排的时候，抛石护底仍是一种较为合适的方法，常辅以柴排等，施工较为方便，效果也比较好，但抛石易滚落，维护工作量大，常常是一汛一修。

2）杩槎防潮保滩研究

长江口潮汐作用强劲，径流影响很大，风浪也不可忽视。传统的丁坝和目前应用较多的软体排防冲护底也都有一定的使用缺陷，对滩坡较陡、流向往复需要尽量控制河势影响的情况，河口常见的保滩护底方法局限尤为突出，因而研究新型保滩护底结构十分必要。

杩槎在径流式河流中缓流淤沙防冲效果良好、经济性突出，因此，考虑将其推广到潮汐河口保滩工程，为此进行了一系列模型试验研究。研究内容、过程与成果如下。

（1）试验内容。以往杩槎大多用在受径流影响的江岸护岸的工程经验表明，在水深很大、坡度很陡的江岸杩槎保滩效果依然较好。但青草沙水域水下地形复杂，受上游长江径流以及下游潮流形成的往复流影响的区域，杩槎保滩护岸经验尚无，须研究杩槎保滩护岸措施在往复流的影响下是否能有效降低堤前的水流流速、阻止堤前的深槽逼岸。针对杩槎群的布置方式、尺寸大小、抛投方式，对杩槎群减速效果的影响等问题进行了以下试验研究：

①无杩槎防护情况下铰链排护岸岸脚的冲刷状况；

②杩槎固脚方案的可行性试验；

③通过杩槎固脚不同抛护方案的冲刷试验比较，提出适宜的固脚抛护方案（包括杩槎抛投方式、杩槎抛投层数、杩槎的平面位置、杩槎抛投的平面尺寸）。

（2）模型设计。模型试验分定床和动床进行，定床模型试验用于模型边界条件的率定及调整，动床模型在定床的基础上改造而成。

①相似准则及比尺。模型按重力相似准则进行设计，并兼顾阻力相似、几何正态，分清水定床及清水动床模型进行。试验采用1∶50模型加大比尺1∶25水槽模型试验研究铰链排的护脚冲刷。

②模拟范围。模型的模拟范围须根据本工程的研究内容、模型比尺以及室内供水规模进行确定，在1∶50模型比尺下，长度方向的模拟范围分别约为2000m，模型宽度方向两种比尺下的模拟宽度分别为260m。

③潮流模拟。青草沙北堤受上游长江来流以及下游涨落潮的影响，坡脚的冲刷是顺岸的往复流动造成的。往复流的冲刷试验结果随模拟方法的不同而有差异，因此，采用模拟一个涨落潮过程的方法，即对涨落潮过程进行模拟，试验中根据数学模型提供的计算结果，采用非恒定流模拟系统对上下游边界的潮流量及潮位进行实时跟踪与控制，模拟实际的涨落潮对坡脚的冲刷过程。该方法最大优点是可以模拟顺岸往复流动对河道岸滩的冲淤过程，试验得到的结果更接近原型实际的冲淤情况。

④杩槎的模拟。模型中的杩槎几何尺寸根据原型尺寸按几何相似换算确定，杩槎模型材料采用多种复合材料混合制作而成，制作完毕的杩槎须满足密度比尺λρ＝1，即模型杩槎的密度与原型相等（图4-21）。

图4-21 杩槎结构

⑤软体铰链排的模拟。由于试验的主要任务是研究杩槎对软体铰链排坡脚的防护可行性及适宜的抛投方式，不研究坡脚以外大范围的岸坡冲刷及防护，因此为了节省试验经费、加快试验进度，对软体铰链排进行了简化模拟，试验中主要保证模型铰链排能适应岸滩由于冲刷形成的变形，放宽对软体铰链排的尺寸及密度等的限制。

⑥河床土层模拟。青草沙北堤上段区域的土层分为3层，浅表层为沙性土，中层为黏性土，下层也是沙性土，而且每一土层还夹有小层。通常情况下，黏性土层的抗冲性能要比沙性土好，因此，基于工程安全考虑，试验中选取其中抗冲能力薄弱的表层沙性土作为模拟对象。

（3）试验方案。

①杩槎群布置方案一。顺水流方向长度20m，垂直水流方向宽度15m，与铰链排搭接（重叠）3m，高度5m（高度方向铺设杩槎4层），采用人工规则排列方式，杩槎群顺水流方向之间的净间隔长度为10m（图4-22）。

图4-22 杩槎群布置方案一

图4-23 杩槎群布置方案二

②杩槎群布置方案二。平面上采用梳齿形布置，该布置方案的杩槎群在平面上呈不完全间断布置，梳齿的间隔长度（顺水流向）为15m，梳齿、梳背的宽度3m。抛护整体宽度（垂直水流方向）15m，杩槎群的厚度采用两层，约2.5m。每100m（含两侧第一个梳齿）梳齿加宽到5m、加厚到4层（图4-23）。

③杩槎群布置方案三。在布置方案二的基础上，加宽梳齿（增加顺水流方向长度），并且为了平面布置简单，取消梳背，采用布置方案一的间断抛投方式。杩槎群布置方案三顺水流方向长度15m，垂直水流方向宽度也为15m，与铰链排搭接（重叠）3m，杩槎群厚度约两层（高度约2.5m）（图4-24）。

④杩槎群布置方案四。平面形状同布置方案三，只是高度方向增加了一层（杩槎高度约3.75m） （图4-25）。

图4-24 杩槎群布置方案三

图4-25 杩槎群布置方案四

⑤杩槎群布置方案五。主要考虑工程量小和施工方便等因素，尝试了单层杩槎连续铺设方式，该方案沿铰链排排脚连续铺设15m宽的杩槎群，单层铺设，与铰链排搭接3m（图4-26）。

图4-26 杩槎群布置方案五

（4）试验成果。

①定床模型边界潮流量和潮水位控制满足非恒定流试验要求，试验范围内流态及流速分布与计算值一致，表明采用嵌套模拟方法是可行的。

②无杩槎群防护情况下，铰链排排脚以外约70 m范围内形成条状冲刷带，在铰链排排脚附近固体与散粒体泥沙接触部位冲刷最为严重，有些部位由于铰链排排脚泥沙被淘刷，出现铰链排排脚凹陷变形现象，1998年在洪水全潮24h冲刷条件下，试验测得最大冲刷深度约2.2m。

③杩槎群布置方案一，防护效果最好，但是高度方向上采用4层，工程量及施工难度较大。杩槎群布置方案二、三和五这三种方案虽然24h全潮冲刷期间铰链排排脚没有发生冲刷，但均在紧贴杩槎群外缘即开始冲刷，长期受时间累积效应的影响，边缘处的杩槎将会塌陷而造成冲刷带逐渐向铰链排排脚发展，影响护岸安全。

④杩槎群推荐方案（杩槎群布置方案四）在全潮24h冲刷后，铰链排排脚附近未观察到有冲刷现象，主要冲刷发生在距离铰链排排脚20～65m宽度范围内，冲刷形态呈“长条状”，在杩槎群外侧存在约8.0m的边缘保护宽度，最大冲深约1.76m。

⑤杩槎群推荐方案四在长历时（四个全潮、原型96h）试验条件下，铰链排排脚附近仍未观察到有明显的冲刷现象，主要冲刷发生在距离铰链排排脚20～65m宽度范围内，在杩槎群铺设起始约130m范围内，无明显的边缘保护宽度，在该长度范围之后，杩槎群外侧存在约8.0m的边缘保护宽度，最大冲深约1.97m，在两杩槎群之间的上游2／3长度范围内有一定的淤积现象，淤积厚度约0.5m。

⑥兼顾节省工程量和防护效果两方面，杩槎群抛投长度选择10～20m比较适宜，而杩槎群间隔长度选择以不大于10m为宜。

⑦杩槎群后滩面水流的减速率总体上随着杩槎群相对高度的增加而增加，但相对高度大于0.7后，增加趋势减缓。

（5）试验成果应用。杩槎群护滩自身稳定性好，在单向径流式河道中使用效果较好，有多年实践经验。试验成果表明，在潮汐河口往复流中杩槎群减速率可达30％～70％，并有明显的稳定、减速、促淤、护岸功能。与常规的抛石丁顺坝、PHC桩式坝和混凝土联锁块软体排相比，具有较好的经济性和易于实施、便于维护的特点。

3）青草沙水库保滩总体布局与应用

保滩总体布局与结构选型，与地形和河势及滩势演变趋势密切相关。根据物理模型和理论计算确定的冲刷坑范围和深度，研究制定了“统筹兼顾，顺势而为，远近结合，动态调整”的总体原则，分堤段研究与之相适应的保滩工程结构形式。在总结认识保滩结构的挑流、缓流、覆盖等机理分类的基础上，优化改进铰链排、抛石、丁顺坝和杩槎等护滩结构，从工程整体上确立了连堤式、分离式和动态式三大类组合的防冲护滩总体方案，工程平面布置详见图4-27。

（1）连堤式。连堤式保滩的特征是保滩结构与堤身连为一体，同步结合实施。其保滩机理是堤身抬升前在堤基及两侧一定范围内采用连续覆盖式护底（软体排体），防止河势变化及施工阻水作用造成滩面冲刷。其优点是对河床边界改变小、对近岸及周边水流影响小、适应变形能力强、节省投资。适用条件是堤基及堤前滩面较低的深槽逼岸冲刷堤段，但采用挑流或缓流类保滩结构（如丁坝和顺坝等）不仅会引起河势和滩势的剧烈变化而且费用高。

根据三维数学模型和整体物理模型研究，水库采用连堤式保滩堤段为：

①北堤上段深槽段（先期护底段）。该段处于青草沙水库北堤上段，长5023m。该段位于新桥通道的南侧，工程区水下地形复杂，河床泥沙可动性较强，有微弯的凹岸特征，易于冲刷。加上受上游长江径流以及下游潮流形成的往复流的影响，水流条件复杂，互动因素较多，堤前滩势变化频繁，冲淤互现，该段已在中央沙堤坝建设时同步完成连堤式保滩护底结构。保滩结构为抛石护底及混凝土联锁块软体排加砂肋软体排护底。施工期根据滩势监测发现，北堤上段先期护底工程离堤轴线500m范围以内边滩处于全面冲刷后退态势，深槽持续向堤身逼近，在岸滩后退的同时，边坡刷深、变陡。北侧深槽槽底河床基本维持在－14.0～－17.0m，并向堤身逼近。为此根据动态调整的原则，及时开展了杩槎在潮汐河口往复流条件下保滩应用研究，在原排体排头一定范围抛投杩槎群进行缓流，增强保滩能力。北堤上段保滩护底结构断面详见图4-28。

图4-28 北堤上段保滩结构断面图

②北堤中下段低滩段。北堤中下段低滩段分为三段，总长4245m，分别位于纳潮口上。采用连堤式保滩结构，即采用适用滩地变形能力强、对河床边界条件改变较小、对近岸及周边水流影响较小的混凝土联锁块软体排护底，在堤坝堤脚外铺设混凝土联锁块软体排，混凝土联锁块厚度为0.16m。其内侧为水库堤坝堤脚抛石护底。北堤中下段保滩护底结构断面见图4-29。

图4-29 北堤中下段连堤式保滩结构断面图

③东堤深槽段。东堤位于水库的下端，总长3030m，横穿深槽，滩面低。东堤深槽段采用连堤式混凝土联锁块软体排护底；东堤转角堤头段，该段在采用连堤式混凝土联锁块软体排护底的基础上，增设丁坝挑流，即在软体排连堤式保滩的同时，在其外侧设置一条斜长丁坝，丁坝长310m。

（2）分离式。分离式保滩的特征是保滩结构与堤身分开设置，即根据地形、地貌特点和冲刷趋势，分别对陡坎和堤前滩地采用针对性保滩。分离式保滩的机理是外侧深槽或陡坎采用连续覆盖式护底（软体排体），其优点是对河床边界改变小、对近岸及周边水流影响小、适应变形能力强、节省投资；堤脚滩地维持现状，或利用原有芦苇护滩保土，或增设隔坝缓流保土。

适用条件是：堤基及堤前滩面较高、宽度达到40m以上，一般生长有保土护滩能力较强的芦苇；外侧深槽或陡坎有逼岸发展趋势；采用挑流类丁坝等保滩会引起河势和滩势的剧烈变化而且费用高。

①南堤高滩深槽段。南堤高滩段，堤前40～50m范围滩面高程达3.5m，生长有保土护滩能力较强的芦苇。高滩外侧为深槽陡坎，在往复流作用下，陡坎持续后退，深坑逼岸。为此南堤高滩段采用分离式保滩，即在陡坎上采用宽30～42m混凝土铰链排护坡护底保滩，上部维持芦苇现状，局部进行补种。混凝土铰链排厚0.16m，排布采用230g／m2机织布加150g／m2无纺布针刺复合。南堤高滩段保滩断面结构见图4-30。

图4-30 南堤保滩断面图

②西堤高滩段（中央沙沙头顶冲段）。西堤及南堤尾部（中央沙沙头段）属高滩堤段，堤前40～80m范围滩面高程达2.5m。从总体形态上看，中央沙沙头呈鱼嘴形态，外侧为分流口，属明显顶冲堤段，近年来随扁担沙包下移南压，顶段持续后退。为控制滩势变化，该段采用分离式保滩结构，即在高滩外侧设置顺坝，顺坝外侧采用软体排护坡护底，顺坝内设一定密度的隔坝降低沿堤流从而保土保滩。西堤保滩断面结构见图4-31。

③北堤中下段高滩段。北堤中下段高滩段分为两段，总长5886m，分别位于水库北堤中段和下段的两个小沙体上。滩地高程为0.3～1.9m，0m线至堤前距离25～250m，堤前－6～－9m深槽距0m线较近，且有深槽逼岸的趋势，0m线外现状滩地坡度为1∶6～1∶10。保滩护底采用分离式保滩，即低滩软体排与高滩格坝相结合的保滩方式，保滩结构断面详见图4-32。

（3）动态式。根据三维数学模型和整体物理模型研究，对于冲淤态势不明朗的堤段采用动态式保滩，即根据跟踪监测分析情况，按实际冲淤情况和发展趋势实时动态调整保滩方案。水库采用动态式保滩的堤段有：

图4-31 西堤（中央沙沙头顶冲段）保滩工程断面结构图

图4-32 北堤冲刷高滩段分离式保滩断面结构图

①南堤高滩段。南堤高滩段，堤前40～50m范围滩面高程达3.5m，生长有保土护滩能力较强的芦苇。考虑南沙头通道处限流堤工程的实施会对该岸段堤前的滩地稳定更为有利，采用动态分期实施方案，即先期利用在中央沙圈围工程已实施的护坎及5m抛石护滩结构，加强观测，根据以后实际冲淤情况确定是否须实施工程保滩。

②先期护底下游段。该段位于北堤中上段，长3804m。工程初期滩面较高，堤脚外侧0m高程的沙体较宽（约300m左右），冲淤态势不明朗，故先结合堤身实施堤前20m抛石护底及其外侧20m砂肋软体排护底结构，以防风浪对堤脚的冲蚀。后续加强观测，视水库工程、南北港分流整治后新桥通道河势变化情况而定，即采取动态实施方案。该段护底结构详见图4-33。

图4-33 先期护底下游段护底结构断面图

工程开工一年后，该段堤脚外侧附近滩面发生显著刷深，以外滩面沙体淤积，形成外沙内泓，为此动态增设了两条丁坝，坝头顶高程2.0m，坝根与水库堤坝外侧大方脚顺接，高程3.0m；采用抛石构筑，顶宽3.0m。两条丁坝分别长300m和200m。