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水利工程论文-三峡工程二期临时航道连接河段整治研究.doc

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水利工程论文-三峡工程二期临时航道连接河段整治研究.doc

水利工程论文三峡工程二期临时航道连接河段整治研究摘要三峡工程二期施工期间的通航任务由临时船闸与右岸导流明渠共同承担。导流明渠和临时船闸上、下游航道连接河段通航水流条件的好坏,直接关系到大江截流后施工期航运安全问题。根据模型试验的成果,阐述了临时船闸和明渠上、下游连接河段整治前后的通航水流条件,并对设计提出的整治方案进行了验证和进一步的优化。目前,三峡明渠及临时船闸分别正式通航了1年和半年,实践证明本试验提出的整治优化方案有效地改善了临时航道连接河段的通航水流条件,确保了该段航运的安全。关键词三峡工程临时航道连接河段整治优化1前言长江是我国内河航运的主要干线。在1997年大江截流后至2003年汛前主河槽被截断而形成二期基坑的6年间,河床被束窄70左右,二期施工期间的通航任务由临时船闸与右岸导流明渠共同承担。为了改善导流明渠和临时船闸上、下游航道连接河段的通航水流条件,提出经济合理的整治优化方案。长江科学院受业主和设计委托,在1/100三峡正态整体模型上进行了试验研究。2临时航道连接河段的范围及其地貌临时航道系指导流明渠及临时船闸。临时航道上游连接河段上迄西天嘴Ds10断面,右侧下至茅坪溪明渠进口为明渠航道上游连接河段,边滩上多见沙包、石堆,且因一期围堰造成的回流落淤,航深不够左侧下至临时船闸引航道进口、60m高程边滩为临时船闸航道上游连接河段,孤礁牛荒背即位于此段航道中心线附近。牛荒背滩为长江左岸一岩石突嘴,位于临时船闸上游2800m,长度约200m,宽度约150m,礁石顶端最高点高程为74.5m,洪水时全淹没,流量较小时,四面环水,此时变成一孤岛。临时航道上游连接河段两岸多见山脚、石梁伸入江内,河床中礁石林立,河面虽较开阔,但航槽较窄。临时航道下游连接河段以乐天溪Dx21段面为下界,右侧上至高家溪明渠出口为明渠航道下游连接河段,左侧上至临时船闸下游引航道口门为临时船闸航道下游连接河段。临时航道下游连接河段,河道顺直,两岸可见石梁、石堆外伸,几近江心,如南虎、马屁股、钓鱼石、上鹿角、下鹿角等。北部河床有江心洲纵卧江心,形成支汊,如陈家坝、望家坝等。另有下游隔流堤箱涵子围堰与对岸凸嘴对峙束窄江面见图1。3临时航道连接河段整治前的通航水流条件一期工程,明渠尚未开通时,水流由原主河槽宣泄1997年5月明渠破堤过水,水流部分由原主河槽宣泄,部分由明渠通过,明渠上游连接河段形成分流点,约距坝轴线1600m,右岸距300~350m,明渠下游连接河段形成汇流区,二期下横围堰戗堤口门水流与明渠水流在坝轴线下游1500m~2000m、右岸距250m~350m区段汇流,对明渠水流形成挤压,至使该段流速增大大江截流完成后,水流全部由导流明渠宣泄。随着三峡一期工程向二期工程的过渡,长江水流由原主河槽宣泄逐渐改为完全由导流明渠通过,势必造成临时航道连接河段河势和流态的变化,航线也要随之调整。新的航线是否适航成为急待研究、解决的问题,它将对截流及截流后施工期航运安全产生直接的影响。在大江截流完成后形成二期基坑期间,设计要求地航船队上水通航保证流量为10000m3/s,减驳可达15000m3/s长航31000t2640HP船队上水通航保证流量为20000m3/s,减一驳可达25000m3/s。航深要求不小于5m,平均对岸航速不小于1m/s,回流流速不大于0.4m/s,横向流速不大于0.3m/s。在明渠不能通航时,船队只能从临时船闸通过。因而,新的航线规划与一期有了较大的差别。新的航线规划见图2。模型试验资料表明如果临时航道上、下游连接河段不加以整治,1明渠上游航道连接河段坝上1600m~1800m间航线右侧,虽未发现跌水、泡漩等碍航流态,流速、比降也能满足通航要求,但因该处存在着沙包、石堆,高程达65.8m,当Q≤25000m3/s时,航深不到4m,当Q≤15000m3/s时,航深不到2m,不能满足长航船队及地航船队航深的要求。1994年6月30日流量27200m3/s时岸边线,相应水位67.4m1986年5月水位62.5m时水边线oo为原型观测断面,DBs表示坝上,Dx表示坝下,Do,为坝轴线断面,图中仅标出有代表性的几个断面。图1三峡二期临时航道及其连接河段河势图图2三峡二期临时航道及连接河段航线规划图2明渠下游航道连接河段水流出明渠时,由于弯道作用,主流偏右,直冲高家溪,往下随河道而顺直。因该段坝轴线下2250m~坝轴线下2750m间规划航线右侧存在南虎、钓鱼石等石梁、石堆,地形较高,当Q≤20000m3/s时,水流被逼向左侧,斜穿航线,在坝轴线下2500m处与航线相交,且在右侧形成大片回流带。回流左限坝轴线下2750m断面为航线左75m回流下限正对隔流堤箱涵子围堰上游200m。当Q≤25000m3/s时,随着流量的增大,水流紊动加剧,潜礁水域出现水花、泡漩,在坝轴线下2300m处产生跌水及剪刀水,一股水流斜穿航线,在坝轴线下2500m断面与航线相交,一股水流平行于边岸,形成回流边界,右侧回流范围减小。由于该段存在碍航流态,且由于水流斜穿航线,使得横向流速增大,对航行十分不利。3临时船闸上游航道连接河段由于牛荒背滩斜卧航线附近,加上牛荒背礁石区左上侧为一凹塘,水过凹塘后,斜向牛荒背,受牛荒背礁石的阻水挑流影响,形成跌水、急流、泡漩等复杂的流速、流态。又因牛荒背礁石区向江心伸入,使此处航道骤然变窄,形成瓶颈状,当左右两条航线同时运行时,船舶会船时会受到影响,安全度很差。4临时船闸下游航道连接河段由于临时船闸下游引航道出口部位至三峡工程左岸鹰子嘴水厂段,航道中心线附近地形较高,航深不够,不能满足通航要求。综上所述,临时航道上、下游连接河段均普遍存在着航深不够、碍航流态、通航水流条件差等问题,如不加以整治,势必对大江截流及截流后的二期施工期航运安全产生不利的影响。4临时航道连接河段的整治试验研究4.1整治方案通过对不整治情况下临时航道连接河段的通航水流条件的模型试验研究,设计部门提出了以下整治方案1对明渠航道上、下游连接河段,将规划航线航宽内的礁石开挖至60m高程,沙包开挖至61m高程,即明渠上游坝轴线1400m~1600m处的沙包、石堆及明渠下游坝轴线下2250m~2750m段南虎、钓鱼石等石梁、石堆均得以整治。2对临时船闸上游航道连接河段的整治提出了两种方案整治方案一临时船闸上游引航道喇叭进口以上规划航线左50m起至河槽的沙包,开挖至61m高程,规划航线左70m起至河槽的礁石,开挖至60m高程,左侧以11.5坡度与原地形连接,顺水流方向,礁石开挖面与沙包开挖面以110坡度连接。牛荒背礁石滩切除线与航线平行。坝整治方案二牛荒背礁石滩整治,沿座标点18018.331,48169.581和17807.937,48123.669连线开挖,右侧至河槽开挖至60m高程,左侧以11.5坡度接原地形,顺水流方向60m高程礁石以110倒坡与61m高程沙包开挖面连接,其他部位同整治方案一。牛荒背礁石滩切除线与航线呈一定的夹角。3对临时船闸下游航道连接河段的整治,将规划航线航宽内地形开挖至56.5m。4.2整治后明渠航道连接河段通航水流条件模型试验根据设计提出的整治方案,进行了10000m3/s、15000m3/s、20000m3/s、25000m3/s、30000m3/s共5个流量级的试验。试验成果表明1通过整治,明渠上、下游连接河段航线航宽内航深均不小于5m,可以满足地航、长航船队的航深要求。2明渠上游连接河段,整治前后均未发现碍航流态,流速也不大明渠下游连接河段整治后,坝轴线下2250m~2750m区段的流态较整治前发生了明显地改善,各级流量下,水流均平顺,未发现跌水、泡漩等碍航流态,水流与航线夹角减小,纵向流速略有增大,但横向流速明显减小,通航水流条件得到改善。3明渠航道连接河段通航整治后,明渠及其连接河段通航水流条件,控制性区段仍是坝轴线~坝轴线上300m和坝轴线下1250m~坝轴线下2000m区段,各级流量下航线最大流速均发生在此两段航线最大正比降均发生在坝轴线上500m~坝轴线上300m和坝轴线下1050m~坝轴线下1250m,在最大流速段上游不远航线最大负比降均发生在坝轴线下300m~坝轴线下500m和坝轴线下1750m~坝轴线下2000m,在最大流速段下游不远。明渠及其连接河段航道整治前后流速、比降特征值见表1。表1明渠及其连接河段航道整治前后流速、比降特征值方案流量m3/s航中Vmaxm/s对应比降‰航中Imax‰对应流速m/s10002.250.040.671.34150003.220.080.672.00整治前200004.170.041.903.40250004.920.282.403.93300005.781.5236404.6810002.240.050.671.33150003.430.480.902.66整治后200004.110.6416503.67250005.130.4026804.26300006.081.643.154.94从上表知当最大流速发生时,比降并不大当最大比降发生时,流速却较小。在航行条件较困难区段,如航线和用舵选用得当,通行流量级有望提高。4自航船模试验表明明渠及其连接河段航道整治后,当Q≤10000m3/s时,航线上流速均小于2.5m/s,地航船队自航船模11500t1200HP,吃水深度为1.8m~2.2m,静水率定航速为3.8m/s上水、下水均能顺利通行当Q=15000m3/s时,困难段在坝轴线下1250m~坝轴线下1750m区段,航线上流速大于2.5m/s,但由于比降较小,有的为负比降,地航船队自航船队在此段仍可上行,左线航线优于右线航线,对岸航速可满足大于0.5m/s的通航要求,全程平均对岸航速大于1.0m/s。当Q≤20000m3/s时,航线上流速均小于4.4m/s,长航船队自航船模3l000t2640HP,吃水深度为2.6m~2.78m,静水率定航速为4.9m/s,减一驳为6.05m/s,减两驳为6.95m/s上水、下水均能顺利通行,全程平均对岸航速为1.2m/s当Q≤25000m3/s时,由于坝轴线下1250m~坝轴线下1750m区段流速较大,减一驳后方能上行,全程平均对岸航速为1.0m/s当Q≤30000m3/s时,减两驳方能上行,全程平均对岸航速为1.3m/s当Q≥35000m3/s时,长航船队难以上行,但三驳一顶长航船队可沿左、中、右航线下水航行。4.3整治后临时船闸航道连接河段通航水流条件4.3.1临时船闸航道上游连接河段模型首先按整治方案一进行了试验。当Q=30000m3/s、45000m3/s时,流态较差的部位均发生在牛荒背附近,此处航道上水流与航线呈一定的夹角。Q=30000m3/s时,夹角较大Q=45000m3/s时,由于水深加大,夹角变小。此斜流造成航线上横向流速增大,Q=45000m3/s时为0.66m/s,当船队行至此处,被推离航线,均需略偏右岸方能上行,长航、地航船队上行均有难度。另在牛荒背开挖边线左侧存在明显的跌水,在Q=30000m3/s时为1.04‰,流态对通航较为不利。鉴于此,设计部门提出了优化整治方案整治方案二见4.1,即牛荒背处开挖边线顺水流方向作了调整。模型按整治牛荒背处航道上流态得到了明显的改善。当Q=45000m3/s时,牛荒背处航道上水流平顺,流向与航线基本一致,牛荒背滩未开挖处仍有轻度跌水,但对航线上水流影响不大当Q=30000m3/s时,牛荒背处由于水位较Q45000m3/s时低了3m,牛荒背滩未开挖处上游端形成桃流,航道水流与航线仍然存在一定夹角,但横向流速小于0.3m/s,牛荒背滩未开挖处跌水现象较Q45000m3/s时严重些,但比整治方案一程度有所减轻,航线上最大正比降为0.52‰,最大负比降为0.28‰,可以满足通航要求。自航船模试验表明临时船闸上游连接河段航道按整治方案二整治后,当Q=45000m3/s时,长航船队自航船模31000t2640HP,静水率定航速上水为4.5m/s,下水为3.5m/s上水时,左线、中线均能沿规划航线顺利上行驶过牛荒背,右线因靠近主流区,上行对岸航速较小,应小心避免进入主流区下水时,中线、右线易受主流区的斜流作用,左线下行较好。Q=30000m3/s时,长航船队沿左、中、右航线上下水均能满足通航要求Q30000m3/s和25000m3/s时,地航船队自航船模沿左、中、右航线上水均能满足通航要求,下水时沿左、中航线进口门较好当Q=20000m3/s时,船队沿左、中、右航线上下水均能满足通航要求。4.3.2临时船闸航道下游连接河段临时船闸航道下游连接河段整治后,规划航线上航深不小于5m,可以满足通航要求,但隔流堤右侧水流,行至隔流堤堤头时,顺堤而下,在口门外650m处开始渐渐左偏,与航线形成夹角,流量越大,夹角越大。斜流左侧及口门区形成回流区。回流范围随流量增大而减小,回流强度随流量增大而增大。当Q≤30000m3/s时,航线上横向流速均小于0.3m/s,回流流速小于0.4m/s,比降远小于1‰,船队可沿左、中、右航线上下航行当Q=45000m3/s时,最大正比降为0.16‰,最大负比降为0.20‰,远小于1‰,回流流速除个别点外,均小于0.4m/s,斜流与航线在口门外775m处相交,交角为40°,横向流速为0.53m/s,大于0.3m/s,对通航略有影响,但由于左侧流速较小,船队仍可以从左线上下航行。另外,临时船闸下游引航道内,由于二期施工期,永久船闸未运行,仅有临时船闸一级泄水,下游引航道内因口门区的回流作用,形成向上的回流,在汛期将产生落淤。据原型资料,1998午7月。下游引航道口门段,只经过2个的汛期,航槽高程就从56.5m淤到67.8m,最大淤厚达11m,淤积长度1060m,将200m宽口门封死,回流落淤问题不可低估。5结语三峡工程二期临时航道连接河段,通过模型试验研究,认为整治是十分必要的。模型试验表明整治后,临时船闸及明渠上下游航道连接河段的通航水流条件得到了极大的改善,整治优化方案是可行的,能够确保三峡二期施工期的航运的安全。目前,三峡导流明渠及临时船闸分别正式通航了1年和半年。实践证明本试验提出的整治优化方案,有效地改善了临时航道及其连接河段的通航水流条件,确保了该段的安全。

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