潮波流作用区低滩促淤方案分析与实践

(上海市水利工程设计研究院有限公司 上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

南汇东滩位于长江口和杭州湾两股水流的交汇地带，因长江口拦门沙高含沙量区域和涨落潮优势沙组成了平面输沙系统，该区域为不断淤涨的岸段，滩涂资源丰富，一直是长江口滩涂资源开发利用与保护的重点区域。自20世纪90年代开始，在0 m等深线以上通过先促淤后圈围吹填成陆[1]，相继为浦东国际机场、临港新城等提供了大量建设用地和农用地。

浦东机场外侧区域至南汇汇角-2～-3 m线以上总面积约200 km2。新一轮的滩涂资源开发利用与保护采用先实施促淤后择机圈围整治[2]，不仅可有效降低后期圈围实施风险和成本，而且也是控制河势稳定、保护生态环境等的重要技术措施。目前，许多研究人员研究了波流作用对泥沙淤积的影响，提出了较为实用的淤积效果预报计算方法[3-5]，以及为抵御波流作用设置不同型式的促淤堤结构[6-7]。而对于大规模的低滩促淤工程，如何节约成本获得较好促淤效果，同时更好地发挥河势控制的先导作用，在以往促淤总体方案中系统性的研究较少。

本文针对该区域不同促淤区地形与水沙特性不同的特点，从技术经济角度分析了促淤堤与后期圈围堤的关系、促淤区分隔布置以及促淤分期实施方案，并对没冒沙水域复杂流场作用下的促淤堤的实施顺序进行了研究，提出了对周边影响较小又能取得较好促淤效果的实施方案，为类似工程提供参考。

1 工程概况及地形、水沙特征

1.1 促淤区概况

促淤区自浦东机场外侧至汇角的顺岸线长度约42 km，中间由薛家泓泵闸、大治河东闸排水通道分隔，形成3块自然促淤分区。浦东机场外侧促淤区、大治河以北促淤区和大治河以南促淤区，面积分别为14，60.7 km2和88 km2，见图1。顺堤离岸距离由北至南为500～8 800 m，其走向与南槽水道主流向基本平行，从浦东机场外侧沿-1～-2 m等深浅布置，逐渐过渡至没冒沙外侧-2 m线，至东南转角的-3m线处与正东方向的南堤以大圆弧连接，南堤以南为自然生态培育区。

注：① 浦东机场外侧促淤区(14 km2);② 大治河以北促淤区(60.7 km2)；③ 大治河以南促淤区一期(44 km2)；④ 大治河以南促淤区二期(44 km2)。图1 长江口南汇东滩促淤工程布置示意Fig.1 Layout of the reclaiming project in Nanhui east shore of the Yangtze River estuary

1.2 地形特征

大治河以北至浦东机场外侧为没冒沙区域，地形特征为两滩夹一槽，近岸滩地高程自北向南为1.5～0.0 m，没冒沙沙脊高程0 m左右，宽度约300 m，沙体距河岸距离为1 000～4 000 m，内侧沟槽上窄下宽，深3.5～4 m，最深段位于浦东机场外侧，宽度300～550 m。实测资料反映没冒沙自形成以来沙头部位冲刷下移，但其移动距离不大，沙尾部分则不断淤积延伸，沙尾-2m高程沙体逐渐与下游处于淤涨状态的边滩连成一体。没冒沙外侧滩坡由北至南逐渐变缓，由1%过渡至5‰。

大治河以南促淤区水下地形为单一斜坡，近岸滩地高程0～-0.5 m，滩坡坡度5‰～1‰，较为平缓。

1.3 水沙特征

工程区水文监测资料反映，大治河以北为往复流，大治河以南至南汇嘴区域水流为旋转流，见图2。工程区外侧附近大潮汛最大流速1.0～2.3 m/s，小潮汛最大流速0.5～1.4 m/s；大潮涨落潮平均含沙量0.7～2.9 kg/m3，小潮涨落潮平均含沙量0.1～0.74 kg/m3，下层水体含沙量大于上层；悬沙中值粒径0.005～0.035 mm。促淤区床沙中值粒径0.0086～0.1049 mm。监测资料进一步说明南汇东滩区域在0 m线实施大规模促淤圈围工程以后，因地处河口拦门沙区域，水体含沙量依旧普遍较高，泥沙输移方式仍有利于潮滩淤涨[8]。

2 促淤工程总体方案研究

2.1 促淤东堤与圈围堤的关系

促淤顺堤具有河势控制的先导作用，其布置与河势、滩势的演变趋势，及与后续围堤的关系是研究的重点。没冒沙水域地理位置特殊，浦东机场外侧促淤区紧临南槽上段，没冒沙内侧沟槽受涨落潮流影响冲深1～2 m，外侧-5 m等高线距离促淤堤仅200 m，滩坡陡。该段河势演变显示-5～-8 m高程有向下游发展趋势。而浦东机场外侧新建围堤的高程与第五跑道末端的距离须满足飞机起飞和降落的安全要求，围堤没有内移建设的条件。

以往0 m等高线以上的中高滩区域因前沿水深浅、波要素相对小而堤身总体高度不高。常规先行实施的促淤堤与后期圈围堤的关系有2种：① 是直接作为围堤堤脚，如浦东机场早期围堤；② 是作为圈围堤的消浪潜堤及保滩结构，即围堤堤脚距离促淤堤约半个波长，如临港新城围堤。

图2 工程区附近南槽水域大潮流速矢量图(2010年)Fig.2 Tidal current velocity vector near the engineering area in south water way( 2010)

河势分析工程区外侧的南槽上段受落潮主流偏南影响，在自然状态下呈微冲刷态势[9]，促淤堤直接作为整治堤防的堤脚已不具备条件，而作为堤防的消浪保滩结构，促淤堤轴线外移后滩地高程在-3 m左右，工程费用增加5 600元/m，以促淤区所在的没冒沙沙脊长6 km计算，增加费用约3 360万元，经济性较差。研究后提出促淤堤作为堤防稳定的镇压结构，堤线位于相对稳定的没冒沙滩地，同时加宽促淤堤外侧的混凝土联锁排护底结构，兼作保滩结构方案最为经济实用。

经计算满足大堤稳定的促淤堤距离堤防轴线约65 m，在促淤堤与大堤堤脚之间设充泥管袋加抛石形成低于促淤堤堤顶的镇压平台，宽平台可降低大堤的波浪爬高[10]。该平台在200 a一遇高潮位与同频率风组合设计标准时，可折减波浪爬高近1 m，节省围堤工程费用约2.5万元/m。该结构不仅具有稳定和消浪作用，而且今后平台段芦苇等植物的生长，更有利于生态环境和植物消浪作用的发挥，实现促淤工程的多重功效。

2.2 促淤区分隔

该区域强风向东北风是造成岸滩冲刷的主要原因，促淤以设置顺坝阻挡东北强风浪为优[11]。低顺坝(平均低潮位附近)进水、沙量大，促淤速度快，高顺坝(平均高潮位附近再加半个波高)消浪性能好，低滩区通过设置纳潮口(即低顺坝)与高顺坝的组合，达到促淤目的。通过水动力数学模型计算，若中间不设分隔堤，集中一处设宽纳潮口门，促淤区内的新淤积土容易被风浪、潮流淘刷，影响促淤效果。若中间不设分隔堤，纳潮口门沿堤线分散设置，受涨落潮流影响，上下游的纳潮口门之间进出水量极不均衡，下游纳潮口水流集中，流速大，易发生冲刷，而上游纳潮口进潮量小，同样不利于淤积。

从后期实施圈围建设条件分析，单库面积60.7 km2的龙口设置及合龙难度非常大，中间须设隔堤。考虑后期交通需要，可设2～3条隔堤，将促淤区分隔成3仓或4仓，促淤区内平均流速比不分隔方案降低约30%，高含沙量水体进入促淤区后呈环流状，有利于泥沙落淤。采用窦国仁的泥沙启动流速公式[12]，计算滩面泥沙的最小启动流速为0.23 m/s，分隔后的促淤区基本可避免常见大风时风浪掀沙现象，分成4仓时风浪引起的底流速更小，与3仓方案相差10%左右，总体上，设2条隔堤与3条隔堤的淤积效果相差不大，而多建1条4.5 km长的隔堤投资至少增加1亿元。大型促淤区分隔间距取约1.5倍隔堤长度较为经济合理。

2.3 促淤分期

大治河以南促淤区滩坡极缓，-2～-3 m高程线促淤顺堤离岸距离更远，达6.6～8.8 km，滩地平均高程约-1.0 m，比北区低约1 m，但该区域因更靠近拦门沙区域，实测水体含沙量明显比北区高，尤其是下层水体的含沙量更高，在同样采用促淤分隔和纳潮口布置的基础上，是否需要采用分期促淤是该分区促淤方案研究的重点。

南汇东滩破波带在-2.5 m等高线，促淤堤外边线位于附近，从设置分隔堤拦截泥沙的功能上看，隔堤长度宜为0.4～0.6倍的水边线至破波点的距离[13]。不分期促淤方案的隔堤长度接近于1倍距离，破波突然释放的能量引起的掀沙水体，由于潮流输沙的动力减弱，输沙率和输沙距离因流速降低而受影响[14]，致使泥沙淤积区主要集中在外侧区域，对南区总淤积量有影响。水流数值模拟计算结果显示：对于分期促淤方案，进入促淤区的纳潮量和水体交换率均比一次促淤方案略大[15]。从风浪掀沙角度分析，分期促淤因在中间设置了纵向隔堤，风区长度减半，高、低潮位时大风引起的底部最大流速比一次促淤降低30%～50%。

以上分析说明分期促淤具有较好的淤积效果，估算6 a的总淤积量比一次促淤多约4 100万m3，减少今后吹填费用约6亿元，净收益超过前期投入的1倍以上，而且获得了宝贵的泥沙资源。

3 促淤堤实施顺序研究

浦东机场外侧促淤区为最先实施的促淤区，地理位置、地形、河势滩势以及流场较特殊，实施过程中，如果各促淤堤构筑进度不合理，会造成周边流场发生较大变化，引起其他堤段严重冲刷。为此，采用二维潮流数学模型，研究各堤段的实施顺序。

3.1 促淤区内部布置

浦东机场外侧促淤区采用丁顺坝布置，区内设置3条隔堤，各促淤分区面积分别为1.16 ，1.68，4.20，6.96 km2，每个分区在东堤各设1座纳潮口，口宽分别为150，250，800，1 200m。工程平面布置见图3。

促淤堤顶高程3.7 m，抛石堤顶高程2.5 m，护面结构为扭王块体，护底为抛石加混凝土连锁块体结构。促淤堤典型结构断面见图4。

3.2 数学模型建立

采用丹麦水力学研究所(DHI)研发的二维潮流数学模型MIKE21 Flow Model(FM)模块对促淤实施方式和实施顺序进行模拟计算。分别建立大小两套模型进行模拟，大模型为长江口杭州湾整体模型，模拟水域面积为41 000 km2，主要为小模型提供开边界条件；小模型用于模拟工程方案。小模型计算范围主要包括长江口南支及其口外海域，其上边界至南支浏河口，北至崇明东滩，南至南汇边滩，基本以工程区域为中心，模型范围内水域面积为5 907 km2。模型均采用无结构三角形网格，工程区域采用网格加密技术，单元格边长由90 m逐渐过渡到15 m。

图3 浦东国际机场外侧促淤工程平面布置Fig.3 Layout of the reclaiming project outside Shanghai Pudong International Airport

图4 促淤堤典型结构断面Fig.4 Section diagram of typical structure of silt-promotion dike

大模型上游边界由实测资料给出，为便于模型计算选取合适的边界条件，且可利用大规模同步水文观测资料对模型进行率定和验证，计算水文条件经分析后选取该区域实测汛期最大潮差潮型，比10 a一遇最大潮差潮型更为不利。外海边界潮位过程由全球潮汐预报模型提供。

3.3 实施方式研究

实施方式研究了按单头推进和平铺抬升2种方案，重点分析了促淤区内跨深槽堤段的实施顺序。由于促淤工程岸线较长，结合施工强度和进度要求对实施过程进行概化，模拟典型实施进展状态。

单头推进方式3组方案研究结果表明：

(1) 自然滩面上直接先实施侧堤、隔堤时，因北侧堤和1、2号隔堤较短，堤头流速增加不明显，但在没冒沙沙脊、南侧堤和3号隔堤堤头会产生较大流速区域，尤其在南侧堤堤头形成较大挑流区，会引起滩面较大幅度的冲刷。在隔堤、侧堤与顺堤交接处各实施200 m长的堤头保护，即形成T形堤头时，促淤区流速减小的范围扩大。

(2) 南侧堤和3号隔堤的深槽段暂缓实施时，涨潮流同样对3号隔堤和南侧堤深槽段堤头流速增加均超过20%。

单头推进方式容易引起促淤区滩面，尤其是没冒沙的冲刷，应采用先护底后平铺抬升的实施方式。平铺抬升方式与4组方案研究结果表明：

(1) 下段深槽(即3号隔堤和南侧堤的中段)保持自然滩面，其余堤段抬升至0 m高程。涨潮流在2号隔堤受阻，致使3号隔堤和南侧堤深槽段的涨急流速增加分别超过20%和15%，落急流经2号隔堤后从深槽段下泻，流速有所增加。

(2) 上段深槽(即2号隔堤的中段和b区顺堤)保持自然滩面，其余堤段抬升至0 m高程。因实施了南侧堤，工程区域的涨急流速增加区域不明显，落潮时南侧堤下侧的没冒沙沙脊流速增加。

(3) 深槽段(即2号，3号隔堤和南侧堤的中段以及b区顺堤)均保持自然滩面，其余坝段抬升至0 m高程。因深槽段暂不实施，无论涨落急流速均在深槽两侧伸出的堤头附近有明显增加，增加幅度超过20%。

(4) 隔堤(2号，3号)、南侧堤及b围区顺堤保持自然滩面，顺堤抬升至0 m高程。涨落急流速变化均很小，对工程区的流态几乎没有影响。

初步结论为：仅先实施顺堤至0 m高程的方案明显好于预留深槽段方案；对于深槽段，先封堵深槽下段方案明显好于先封堵上段方案。

3.4 实施顺序研究

促淤工程实施顺序研究结果为：在全线铺排护底，分堤段超前护底200～500 m不等的前提下，先平抬顺堤抛石至一定高程后，逐步实施侧堤、隔堤；南侧堤先于其他侧堤、隔堤实施，且始终保持南侧堤的高程高于其他侧隔堤，以达到南侧堤的掩护作用。主要步骤控制如下。

(1) 步骤1。顺堤抛石至0 m高程，南侧堤深槽段抛石至-1 m高程，其余堤段暂保持护底状态，见图5。工程涨落急流速变化很小。

图5 顺堤抬升，南侧堤深槽段填筑Fig.5 Uplifting along the dike, filling in the deep channel of the south dike

(2) 步骤2。南侧堤逐步填筑至2.5 m高程时，其他隔堤与侧堤同步开始填筑，同样，先深槽段后整体填筑至2.5 m高程，侧隔堤的堤头两侧各200 m范围呈T形或L形保护，并与顺堤0 m高程段按斜坡相接，见图6。此阶段，随着侧堤、隔堤的实施，涨落潮流场开始受到影响，尤其是南侧堤的涨急流速在转角处增加明显，形成较大挑流区，南侧堤转角的抛石护底同步实施。

图6 隔堤与侧堤填筑至2.5m，完成堤头保护Fig.6 Filling of separation dike and side dike to 2.5m,completing protection of dike T-head

(3) 步骤3。顺堤填筑抬升，纳潮口两侧各500 m范围填筑至1.0 m高程，纳潮口段填筑至0 m高程，各分区顺堤与纳潮口形成2.5 m-1.0 m-0 m的台阶，见图7。此阶段确保纳潮口及其两侧作为水流通道，避免出现局部豁口和造成不必要冲刷，此阶段流速增加区仍为南侧堤挑流区。

(4) 步骤4。顺堤继续保持向纳潮口方向逐步填筑至2.5 m高程，纳潮口两侧1.0 m高程的范围继续呈台阶缩短，纳潮口门维持0 m高程，南侧堤开始安装扭王块体。此阶段各个分区基本初现规模，纳潮口逐步形成，涨急流速增加区在纳潮口段和南侧堤转角段。

此后，随着抛石堤护面人工块体安放和促淤堤设计断面的完成，整体表现为纳潮口门和南侧堤堤头的涨急流速增加，落急流速变化不明显，各分区内涨落急流速均大幅降低，形成有利于泥沙落淤的环境。

图7 顺堤向纳潮口方向呈台阶状推进Fig.7 Stepwise advance along the training dike towards the tidal inlet

4 实施效果与分析

促淤工程实施前后对促淤区内外地形、水文进行了监测，实施效果如下。

(1) 先期实施的浦东机场外侧促淤工程为其以南的东滩区在河势导向上奠定了基础，没冒沙内侧-2 m高程以深的沟槽宽度由原800～1 500 m逐渐缩窄至0～500 m，原-3 m高程以下的沟槽已回淤至-2.0 m高程及以上，其中靠近南侧堤以南的促淤区已回淤至0～-1.0 m高程，为后续实施的大治河以北促淤区的促淤分隔堤创造了有利条件。

上述地形变化主要为南侧堤的先期实施很大程度上削弱了原没冒沙内侧涨潮沟的过流能力，同时形成了回流区，使泥沙大量在此淤积。

(2) 工程后促淤区内流速降幅明显，且由工程前的涨落潮流速接近转变为工程后涨潮流占优。促淤区内涨潮含沙量以增加为主，落潮含沙量以降低为主，且由工程前的涨落潮含沙量接近转变为工程后涨潮含沙量占优，说明泥沙在促淤区内得以落淤。

(3) 浦东机场外侧促淤区促淤过程中未发生异常的冲刷，没冒沙内侧沟槽回淤加快。按多年回淤强度经验公式计算，开工至竣工后1 a内3a～3d围区的淤积平均厚度分别为0.7，1.05，1.38 m和1.55 m。从各分区实测淤积效果来看(见表1)，施工期已取得了较好的促淤效果。

浦东机场外侧促淤取得较好效果的主要原因为：

(1) 开工后6个月内完成了南侧堤，下游先封堵了深槽，提前发挥了促淤功能。

(2) 分隔堤提早完成，有效降低了促淤区流速和波浪掀沙的风险。

(3) 工程后沟槽段因水体流速降低明显，泥沙沉降率增大，回淤强度更高。泥沙淤积经验公式反映的是回淤强度与平均水深的关系，未考虑本工程“两滩夹一槽”区域流速变化的特殊情况。因此，实际泥沙淤积情况好于计算和分析结果。

表1 促淤区内淤积量统计Tab.1 Statistics of the amount of sediment in the deposition area m

(4) 跨越没冒沙的南侧堤在形成初期，其内侧淤积明显，但其外侧因没冒沙沟槽涨潮流受阻，南侧堤外侧的沙脊形成漫滩流，至东南转角的堤头汇成绕堤流，实测最大流速2.5 m/s，略低于计算水文条件下的最大流速2.9 m/s，其主要原因为实施期间未遭遇计算水文条件。堤头冲刷深度为0.5～1.4 m，沟槽冲刷宽度逐渐变宽，待达到宽度80 m时趋于稳定态势，加宽的混凝土连锁块排体护底措施确保了堤头的安全。竣工时实测南侧堤外侧滩地已回淤0.5～1.0 m。

(5) 大治河以北促淤区受浦东机场外侧促淤工程实施的影响，实施前滩面平均淤积厚度约1 m，实施3 a后平均淤积厚度1.76 m，与计算各分区的平均淤积厚度在1.5～2.0 m之间较为一致。

(6) 大治河以南促淤一期实施3 a后平均淤积厚度2.38 m，略高于计算各分区平均淤积厚度1.8～2.0 m，主要原因为南区水体含沙量比北区略高，采用分期促淤方案后，进入促淤区的输沙率和输沙距离更为科学合理。同时外侧促淤二期区域在促淤一期淤积厚度0.79 m的基础上，实施促淤15个月后平均淤积厚度1.05 m，与计算平均淤积厚度在0.9～1.0 m之间较为接近。

5 结 论

本文以长江口南汇边滩大型低滩促淤工程为例，采用河势演变分析和潮流数学模型，从技术经济角度对不同水沙特性促淤区，有针对性地研究了各分区促淤方案，主要结论如下。

(1) 先期实施促淤堤具有河势控制先导作用，低滩区促淤堤结合后期大堤稳定设置，既作稳定压载又作保滩结构，具有较好的经济性和生态性。

(2) 结合后期圈围合龙需要，大型低滩促淤区设置分隔堤和纳潮口，可降低大风区风浪掀沙影响，形成潮流输沙入库环流环境，有利于促淤区泥沙的落淤。分隔间距取约1.5倍隔堤长度较为经济合理。

(3) 顺堤离岸较远的促淤区，通过分期促淤可增加纳潮量和促淤区的水体交换率，增加总淤积量。

(4) 在外沙内泓促淤区，采用先顺堤浅部筑堤，再进行侧隔堤与“T”字型保护，下游深槽段侧隔堤始终优先于上游实施，然后顺堤全面抬升，最后以台阶状构筑堤身逐步形成纳潮口的促淤堤实施顺序经实践证明，对工程区及周边河势影响较小，且实施期间获得较理想的淤积效果。