（水利工程专业论文）山区河流弯曲分汊浅滩整治技术研究.pdf

t l ， 乞 f i iji fl i ti i1 11 11 11 1iii 19 0 2 0 6 3 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 泰磷k日期：跏ff 年坪月弓。日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包 括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位做作者虢书薛瓦 指导教师签名私检笈 日期：抄1 1 年毕月3 0 n 日期：如c 1 年岁月；p 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全 文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名：彳诵 日期：跏l f 年斗月8 0 日 指导教师躲簪雌笮 日期：bi1 年罗月2 亚日 摘要 弯曲分汊浅滩在山区河流中广为分布，是碍航的主要滩型。水沙运动规律、 挖槽水流特性、挖槽不同断面形式对推移质运动的影响是山区弯曲分汊浅滩整治 技术的基础性问题，国内外许多学者对此进行了研究。到目前为止，能反映天然 山区河流弯曲分汊浅滩水沙运动规律、挖槽稳定性特性的成果较为鲜见。所以开 展山区河流弯曲分汊浅滩整治技术的研究，具有重要理论意义和工程适用价值。 本文收集了弯曲分汉类浅滩国内外的研究资料及典型滩险一铜鼓滩整治方 案、整治效果，通过理论分析和模型试验等手段，系统的分析了山区河流弯曲分 汉浅滩的水沙运动规律、不同挖槽断面形式的稳定性、分汊浅滩治理措施等。 首先，通过理论分析，得到山区弯曲分汊河段弯道放宽率= 1 时，横比降 由弯道进口沿程逐渐增大，到达弯顶附近，横比降达到最大值，再向下游又逐渐 减小。当较大时，最大横比降的位置一般出现在弯道进e l 至弯顶段。 其次，通过对挖槽水流特性分析、挖槽断面形式对推移质运动的影响研究， 结合到铜鼓滩挖槽效果，得到挖槽断面宽深比b j 符= - 1 7 8 2 1 5 时输沙强度较 大，新开航槽宜采取窄深型断面型式。 再次，物理模型对铜鼓滩整治方案研究成果表明，弯曲分汊浅滩新开碛槽宜 采取基建性航槽疏浚与筑坝相结合的枯水整治方法。疏浚的同时，在江心修建顺 坝、碛头坝，弯曲汊道内修建潜坝、丁坝等整治建筑物，增加碛槽分流比，增强 碛槽输沙能力；可在碛槽内筑坝束水攻沙以维护挖槽稳定。 最后，挖槽稳定性研究成果表明，山区弯曲分汊浅滩水沙运动条件复杂，整 治流量下满足挖槽稳定性要求的槽内流速宜为1 1 1 3 昨。推移质起动流速公式 可采用寸滩指数流速公式，计算粒径可取天然床沙的粒径。 关键词：山区河流，弯曲分汊浅滩，水沙运动，整治技术 一 a b s t r a c t t h eb e n d i n gb r a i d e ds h o a l sw h i c hm a i n l yb l o c k e dt h ew a t e r w a y , a r ew i d e l y e x i s t e di nm o u t a i nr i v e r s t h eb a s i cf a c t o r so fr e g u l a t i n gb e n d i n gb r a i d e ds h o a l sa r e w a t e ra n ds e d i m e n tm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r e a mf e a t u r e so fd i g g i n gc h a n n e l sa n d i n f l u e n c eo ns e d i m e n tm o v e m e n tc a u s e db yd i f f e r e n ts e c t i o no fd i g g i n gc h a n n e l s w o r l d w i d eg e o p h y s i c i s t sh a v em a d eal o to fs t u d i e so nt h i sp r o j e c t ，b u tu n t i lr e c e n t l y t h er e s e a r c hw h i c hc a nr e f l e c tw a t e ra n ds e d i m e n tm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n d d i g g i n gs t e a b i l i t yf e a t u r e sh a sb e e nl e s sf r u i t f u l s or e s e a r c ho nr e g u l a t i o no fm o u n t a i n r i v e rb e n d i n gb r a i d e ds h o a l si si m p o r t a n ta n dv a l u a b l ei nt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n g f i l e d s t h i sp a p e rc o l l e c t e dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hm a t e r i a l sf r o mh o m ea n da b r o a d a n dt h et y p i c a lr e g u l a t i o nc a s eo ft o n g g u t a n b yt h e o r e t i c a la n a l y z i n ga n dm o d e l e x p e r i m e n t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ra n ds a n d ， s t e a b i l i t yo fd i f f e r e n td i g g i n gs e c t i o n sa n dm e a s u r e m e n t so fc u r v e ds h o a li nt h ef i l e d o f b e n d i n g b r a i d e ds h o a l s f i r s t l y , w h e nw i d e n i n gr a t ep = 1 t h i sp a p e ro b t a i n e dt h a t , , v i d e n i n gr a t ei s g r a d u a l l yi n c r e a s i n gf r o mt ot h eb e n tc h a n n e lb yt h e o r e t i c a la n a l y z i n g i tr e a c h e sa m a x i m u mi nt h eb e n ds e c t i o n sa n dt h e nd r o p sd o w na l o n gt h ec h a n n e l w h e nt h e n u m b e r o fbisl a r g e r t h em a xw i d e n i n gr a t ew i l lo c c u ri nt h ee n t r a n c ea n dt h e b e n ds e c t i o n s e c o n d l y , c o m b i n ew i t ht h ed i g g i n gr e s u l t so ft o n g g u t a n ，w h e na s p e c tr a t i ob l t = 17 8 21 5o fd i g g i n gs e c t i o n ，i th a sl a r g e ri n t e n s i t ya b o u ts e d i m e n tt r a n s p o r ta n d t h en e w n a v i g a b l ec h a n n e li sb e a e rt ou s et h en a r r o wd e e p i n gf o r mb ya n a l y z i n gt h e s t e a mf e a t u r e so fd i g g i n gc h a n n e la n dt h ee f f e c t st os e d i m e n tm o v e m e n tc a u s e db y d i g g i n gs e c t i o n sf o r m s t h i r d l y , t h ep h y s i c a lm o d e lr e s e a r c h so nt o n g g u t a ns h o wt h a ti t s b e a e rt on s e t h el o ww a t e rm e a s u r e m e n tw i t hc a p i t a lc o n s t r u c t i o nd r e d g eu pa n dd a m m i n g t o g e t h e rf o rd i g g i n gn e w c h a n n e l si nb e n d i n gb r a i d e ds h o a l s i tc a ni n c r e a s ed i s t r i b u t e r a t ea n dg r a v e lm o t i o np o w e rb yb u i l d i n gt h el o n g i t u d i n a ld i k ea n dm o r a i n ei nr i v e r c e n t r ea n db u i l d i n gg r o u n ds i l l sa n dg r o y n ei nb e n tc h a n n e la sw e l la sd r e d g i n g b u i l d i n gd a m sw i l lb u n c hw a t e ri no r d e rt om a i n t a i na v i g a b l ec h a n n e l s s t e a b i l i t y f i n a l l y , t h er e s u l t s a b o u t s t e a b i l i t yr e s e a r c hs h o wt h a t u n d e rt h e c o m p l e x c o n d i t i o n so fm o u n t a i nr i v e r , t h ep r o p e rs p e e df o rd i g g i n gc h a n n e li s1 1 1 3k t h ei n c i p i e n tv e l o c i t yf o r m u l at a k ev e l o c i t yf o r m u l ac u n t a ni n d e xa n dt h eg r a i n d i a m e t e rt a k em e d i a ns i z e o ft h en a t u r a ls a n d k e yw o r d s ：m o u n t a i n r i v e r , b e n d i n g b r a i d e d s h o a l ，w a t e ra n ds e d i m e n t m o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，r e g u l a t i o nm e a s u r e m e n t 。 目录 第一章绪论1 1 1 研究工作的目的和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 研究工作内容和方法3 1 - 3 1 研究工作内容3 1 3 2 研究工作方法4 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性5 2 1 弯曲分汉浅滩概况5 2 2 弯曲分汊浅滩水流及卵石运动规律7 2 2 1 弯曲分汊浅滩水流特性7 2 2 2 弯曲分汊浅滩卵石运动规律1 0 2 3 弯曲分汊浅滩碍航特性1 3 第三章挖槽稳定性研究1 5 3 1 挖槽水流特性分析1 5 3 1 1 垂线流速分布1 5 3 1 2 紊动强度分布1 5 3 2 挖槽横断面型式对卵石推移质运动的影响1 9 3 2 1e i n s t e i n 推移质输沙率公式1 9 3 2 2 紊动强度对泥沙运动的影响2 0 3 2 3 挖槽横断面型式对推移质输沙率大小的影响2 1 第四章铜鼓滩航道整治研究2 2 4 1 铜鼓滩滩险概况2 2 4 2 模型试验研究2 3 4 2 1 模型设计、制作与验证2 3 4 2 2 水流特性试验2 7 4 2 3 整治方案总体设计2 8 4 2 4 整治方案研究思路2 8 4 3 右槽类方案试验3 1 4 3 1 右槽整治原则3 1 4 3 2 右槽设计方案1 3 1 4 3 3 右槽修改1 方案3 3 4 3 4 右槽修改2 方案3 5 4 3 5 右槽修改3 方案3 7 4 3 6 右槽修改4 方案3 8 4 3 7 右槽修改5 方案4 0 4 3 8 右槽整治方案小结4 1 4 4 左槽类方案试验4 3 4 4 1 左槽方案整治原则4 3 4 4 2 左槽设计方案l 4 3 4 4 3 左槽修改1 方案4 5 4 4 4 左槽修改2 方案4 6 4 4 5 左槽修改3 方案4 8 4 4 6 左槽修改4 方案5 0 4 4 7 左槽修改5 方案5 1 4 4 8 左槽修改6 方案5 3 4 4 9 左槽修改7 方案5 4 4 4 1 0 左槽修改8 方案5 6 4 4 1 1 左槽整治方案小结5 7 4 5 整治方案及实施过程6 0 4 6 治理效果6 1 4 6 1 工程效果评价6 1 4 6 2 整治方案合理性分析6 1 第五章弯曲分汊浅滩整治技术总结6 3 5 1 通航整治汊道的选择6 3 5 2 新开碛槽的整治技术6 3 5 3 新开航槽设计6 4 5 3 1 挖槽平面布置6 4 5 3 2 挖槽横断面设计6 5 5 4 挖槽稳定性要求6 5 5 4 1 挖槽稳定性的一般要求6 5 5 4 2 弯曲分汊新开碛槽挖槽内流速控制指标6 6 第六章结论6 7 6 1 结论6 7 6 2 展望6 7 致谢6 9 参考文献7 0 在学期间发表的论著及取得的科研成果7 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的目的和意义 长江是我国第一大河，也是横贯东西的水上运输大动脉，是我国规划的“三 横一纵”内河交通运输网的重要组成部分，特别是长江上游河段( 俗称川江) 位 于我国西部地区，其航运的发达程度将直接关系到沿江经济的发展。从上世纪5 0 年代至今，国家投资对川江进行了大规模的航道整治，使得重庆至宜昌段航道达 到i 级航道标准，能通行万吨级船队，重庆至宜宾段( 以下简称叙渝段) 航道达 ! n i i i 级航道标准，能通行1 0 0 0 吨级船队，取得了良好的整治效果。但是山区河段 内的弯曲分汊类卵石浅滩，由于成滩机理复杂，且河床演变受水流、泥沙边界条 件的影响较大，在整治工程完成2 至3 年后滩势逐渐恶化，航道尺度减小，严重 影响了航道整治效果的发挥。分析其具体原因，除了维护力量投入不足外，主要 是进行整治设计时对这类复杂滩险的滩性认识不足，对浅滩水流及卵石运动规律 认识不足，从而导致整治方案未能从根本上解决碍航问题。 近年来随着西部地区经济的快速发展，对外贸易量大大增加，川江作为长江 “黄金水道”的重要组成部分，在西部综合交通运输网中具有十分重要的作用。 交通运输部也适时提出了长江航道总体建设目标，即“深下游、畅中游、延上游， 为此对山区河流弯曲分汉类浅滩的整治技术进行研究，切实提高整治效果，为西 部经济发展提供方便快捷的水上运输通道就显得十分必要。 川江是典型的山区河流，由于各河段岩性差异或局部构造的运动，在水流的 长期作用下，川江河道形成了目前宽窄相间、弯曲与顺直汊道并存的形态。天然 河流的宽度、弯曲角度是很不规则的，变化很大。从川江历史整治经验来看， 要彻底整治好山区弯曲分汊类浅滩，首先必须深入研究碍航滩险的卵石运动 规律、河床演变趋势、滩险碍航成因以及整治方向，只有较好的掌握了这些 关键技术，才能制定出经济合理的整治方案。因此笔者的主要研究内容为山 区河流弯曲分汊浅滩整治技术研究，既能为航道整治工程设计、工程实施、 航道维护提供技术支持，也能为日后西南地区山区河流的长远发展规划提供 决策参考依据，同时还能丰富我国的山区河流航道整治技术理论、提高我国 的山区河流航道整治技术水平。因此，本研究具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪5 0 年代开始至今，经过川江2 0 0 多个滩险的整治，取得了许多成 功的经验。1 9 7 5 年出版的山区航道整治和2 0 0 4 年出版的航道工程手册是 2 第一章绪论 我国航道整治水平的体现，是一批在国内外享有盛誉的知名专家的智慧结晶。 总的来说，对于边界固定( 河床边界为基岩或礁石) 的滩险，现在已经有很 成熟的整治设计方案和整治效果预测技术，主要包括水面线计算、流速分布简化 计算、丁坝与顺坝水力计算、锁坝水力计算、急滩整治水力计算、挖槽水力计算。 这些关键技术为保证滩险整治成功提供了重要的技术支撑。 已有研究成果 文献提出浅滩的整治措施有：疏浚航槽；利用整治建筑物刷深航槽；消灭倒 套、固定边滩；保护凹岸、固定弯道顶点；固定江心洲、改善通航汊道；消除枯 水位壅水影响。沙卵石浅滩的整治思路与平原河流浅滩整治基本一致。卵石浅险 滩的整治方法主要有：切除啧坝凸咀、增大曲率半径；顺坝封弯，调整流向；边 滩开槽，新辟航线；丁坝封汊，冲深新槽。 文献瞳1 对川江上典型的卵石浅滩螃蟹碛滩的整治进行了分析，采用了三条导 流坝进行整治。 山区河流沙卵石滩的整治与急险滩整治不同，急险滩整治主要是通航水流条 件( 流态) 的改善，沙卵石滩的整治主要是航道尺度( 航深) 的改善，因而，沙卵石 滩整治方案的确定有赖于整治水位及整治线宽度的合理确定。文献提出冲积与半 冲积性河流整治水位的确定方法有经验数据法、优良河段模拟法、造床流量法； 整治线宽度有经验法( 优良河段模拟法与河相关系法) 、理论计算法( 水力学法与河 流动力学法) 。文献瞳3 也结合川江的滩险整治进行了分析。 文献n 3 系统研究分析了川江神背嘴滩、风簸碛滩等弯曲分汊河段卵石浅滩的碍 航机理，弯曲汊道航槽弯浅、通航水流条件较差，在航行条件难以彻底改善的情 况下，可开辟顺直碛槽通航；新开碛槽宜采取窄深型航槽疏浚与筑坝相结合的枯 水整治方法，江心建顺坝可以归顺碛槽边界调整分流量，碛槽内筑坝束水攻沙以 维护挖槽稳定。 李旺生等盥妇对沙卵石浅滩航道整治常用“枯水整治 从理论上进行了论证， 认为修建丁坝提高边滩的高程，束窄河宽，加大落水期的冲刷流速，延长冲刷历 时，使浅滩向优良河段调整，因而尽管浅滩演变与洪水有关，没有必要高水整治， 进行枯水整治即可。提出整治原则为：当床沙质组成较细，所需冲刷流速小于船 舶航行的允许流速时，可筑坝冲刷浅区加深航深，以整治为主，必要时辅以疏浚； 反之则以疏浚为主，开挖航槽达到设计尺度要求，一般挖槽需辅以筑坝防淤。 李旺生等口门归纳出整治水位的确定方法有设计底标高冲刷法、平滩水位法、 经验法、造床流量法、落水冲刷水位法。刘建民啪h 矧对此有过较为系统的研究。 典型的浅滩整治 山区河流的沙卵石滩整治积累了不少经验。川江神背嘴滩汹1 整治方案为采取 第一章绪论 3 基建性疏浚措施，开辟直槽( 右槽) 通航，形成连接上、下深槽的平顺航道；修建 整治建筑物规顺左右槽边界，调整两槽分流比，适当增大右槽上段的输沙能力， 减少泥沙回淤，维持航槽稳定。风簸碛滩汹m 3 妇整治方案为改进与加固风簸碛碛头 倒置丁顺坝的丁坝段，加高、加宽坝体，减缓坝体两侧坡度，以缓解水流对坝体 的冲击；对倒置丁顺坝的丁坝与顺坝段连接处3 0 m 长度范围用大块石进行加宽加固 处理，对丁坝和风簸碛相连接处采用砼铰链排护底，防止坝根被淘刷，保证坝体 的稳定；用大块石对倒置丁顺坝的顺坝坝头坑护底，防止坝头坑被继续冲深；修 复碛头、碛尾坝的局部毁损部分，以稳定右槽航槽。 澜沧江曼厅水道口2 1 的河床组成复杂；引起水道变化的主要原因是来水来沙条 件变化以及三道拐河段对上游河段壅水，并阻滞水流、泥沙下泻，引起上游流路 变化；提出的治理原则是“控制节点、稳定河势”。长滩口朝是岷江著名的中、枯 水浅、弯、险的沙卵石滩；采用的措施有疏浚与整治以改善航行条件、废除老航 槽开辟新航道，从而避开原有的碍航流态。曾祥辉m 1 分析了沙卵石滩整治中上、 下挑丁坝的整治效果，认为上挑丁坝的整治效果较好；当上挑丁坝没被淹没时， 部分水流挟带整治线内的泥沙以竖轴旋流形式进入坝田淤积；当丁坝被淹没时， 漫过坝顶含沙较少的面流垂直坝轴线指向航道，会同主流冲刷航道，坝下螺旋流 将整治线内的泥沙带向河岸在坝田淤积。 对于山区河流局部或全部边界可动的弯曲分汊类浅滩来说，现在还未有更好 的整治方案和整治效果预测技术。实际工程实践时，主要还是根据专家的工程经 验和模型试验确定方案，预测效果，复杂浅滩要经过多次整治才能成功。 弯曲分汉类浅滩的整治很难一次性成功是由于复杂的水流条件和随水流条件 变化的卵石输移规律难以把握等因素造成的。目前天然河流卵石运动规律已有一 定进展，再结合铜鼓滩等浅滩整治成功的经验，可以提炼出弯曲分汉型浅滩的关 键整治技术。 1 3 研究工作内容和方法 1 3 1 研究工作内容 研究山区河流弯曲分汊浅滩成滩机理，河段内水流及卵石输移运动规律、 浅滩碍航特性。 研究弯曲分汊浅滩整治过程中挖槽的稳定性，主要分析挖槽的水流特征及 挖槽横断面形式对卵石推移质运动的影响。 以弯曲分汊浅滩铜鼓滩的整治过程为典型，从前期模型研究、整治方案确 定、实施过程及治理效果等几个方面总结铜鼓滩的整治经验。 4 第一章绪论 在前述研究工作的基础上，从通航汊道的选择、新开碛槽的整治、新开航 槽的设计、挖槽稳定性要求等方面对弯曲分汊类浅滩的整治技术进行总结，为弯 曲分汊类浅滩的整治工作提供借鉴。 1 3 2 研究工作方法 收集已有资料、开展现场调查、进行整理分析。 根据研究的具体要求，收集弯曲分汊类浅滩国内外的研究现状及典型滩险( 主 要为铜鼓滩，神背嘴、风簸碛等) 的河床组成、航道情况、碍航特征、整治方案， 整治效果分析等。 通过典型滩险的实测资料、科研、设计资料总结分析，典型滩险物理模型 试验、数学模型试验，与概化水槽试验相结合的方法，总结和归纳弯曲分汊浅滩 的碍航机理、水沙运动、河床演变规律，整治原则，整治技术等。 就研究中的重点、难点问题，广泛征求专家意见，集思广益，取长补短， 确保研究工作技术方向正确。 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性5 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 2 1 弯曲分汊浅滩概况 在山区河流弯曲放宽段大多形成分汉河型，我国西南山区河流中分布有大量 的弯曲分汊卵石浅滩，其碍航特征表现为弯、浅、险，是山区河流整治中最为复 杂的河型之一。 弯曲汉道，汛期为缓流回流区，主要为较细泥沙的淤积，淤积量很大， 使航槽堵塞，但此时主流取直，船舶航行不经过弯曲汉道，故并不碍航；汛 后水位降低，水流逐渐归槽，流量大部分集中于弯曲汉道，流速较大，汛期 淤积的泥沙被大量冲刷，航槽冲深，但可能出现有效航宽不足或水流流态较 坏的碍航现象，这类滩险一般具有浅滩和险滩的碍航特征。长江上游的弯曲 分汊卵石滩险，如铜鼓滩、神背嘴、风簸碛等滩险均为长江干线叙渝段枯水期重 点碍航浅险滩，由于成滩机理复杂，整治难度较大。要彻底整治好航道，首先必 须深入研究碍航滩险的水流运动特性、卵石运动规律、河型变化和形成机理、河 床演变趋势，方能制定出经济合理的整治方案。 川江中铜鼓滩、神背嘴、风簸碛为典型的弯曲分汉浅滩，铜鼓滩、神背 嘴弯槽位于弯曲狭窄河段凸岸的下方( 图2 1 、图2 2 ) 。风簸碛出现在弯 曲狭窄河段上游，平面上均呈两汊形态，弯曲汊道处于凹岸，碛槽处于凸岸 ( 图2 3 ) 。 铜鼓滩、神背嘴、风簸碛均为弯曲放宽河道，江心均有卵石碛坝或暗碛存在， 将中枯水河床分为两汊。铜鼓滩、神背嘴、风簸碛各滩段平面形态参数见表2 1 。 表2 i 滩段平面形态参数表 c h a r t2 1t h ep l a n a rs t a t u sa b o u ts h o a ls e c t i o n 项目铜鼓滩风簸碛神背嘴 距宜昌上游里程数( k i n ) 9 9 69 5 9 8 7 3 弯道中心角( 。) 8 01 3 01 l o 滩段处于弯顶位置下游上游下游 枯 滩段进口宽度( i i i ) 2 4 02 3 04 0 0 水 滩段中部宽度( 1 1 1 ) 6 0 05 7 05 0 0 期 滩段出口宽度( m ) 2 4 02 9 0 2 8 0 ( 寡妇槽) 洪 滩段进口宽度( m ) 8 3 07 5 06 0 0 水滩段中部宽度( m ) 1 3 0 08 0 0 1 9 0 0 期 滩段出口宽度( m ) 1 0 0 05 3 0 8 0 0 ( 小桃竹) 6第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 图2 1 铜鼓滩河势图 p i c2 1 t h et e n d e n c yo f t o n g g u t a nr i v e r 8 7 3 图2 2 神背嘴河势图 p i c2 2t h et e n d e n c yo f s h e n b e i z u ir i v e r 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 7 图2 3 风簸碛河势图。 p i c2 3t h et e n d e n c yo ff e n g d i a n q if i v e r 2 2 弯曲分汊浅滩水流及卵石运动规律 2 2 1 弯曲分汉浅滩水流特性 弯曲分汉河段是广泛存在于我国西南山区河流中的一种比较特殊的河型，多 出现在弯曲狭窄河段下游的放宽段，多为两汊形态。浅滩上游一般为深槽，宽度 较窄，浅滩段为放宽段，宽度较宽。浅滩两岸大多为卵石边滩。 弯曲分汊类浅滩具有弯道和放宽河段的双重特性。弯道处过水断面的宽度一 般是在变化的，弯道宽度的变化会对弯道水面的横比降、弯道环流的发展和弯道 环流的消亡产生很大的影响。 横比降最大值出现的位置 一般在河道是等宽的时候，即放宽率= 1 时，横比降由弯道进口沿程逐渐增 大，到达弯顶附近，横比降达到最大值，再向下游又逐渐减小。当较大时，最 大横比降的位置一般出现在弯道进口至弯顶段，也就是说当下游河道放宽后，会 使横比降的最大值的位置向弯道上段移动。 横比降的最大值出现的位置还随着水流强度的变化而有所不同，在同一个弯 道中，当厅较大的时候，横比降的最大值出现在弯道中间稍向上偏的位置，但是 当乃减小到很小时，其最大值出现的位置会在弯道的进口。 8 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 纵比降最大值出现的位置 水面的纵比降和流速是工程应用中最关心的两个水力要素，对于山区通航河 流来说，一般都会规定航道内流速和局部纵向比降不能过大。 由于水面横比降的影响，水面纵比降沿横向的分布是不均匀的，同一断面上， 凸岸和凹岸之间的纵比降差别很大，方向也往往是不同的；纵比降沿纵向的分布 往往也是正负相间的，最大比降出现的位置，是与横向环流的充分发展、使最大 流速区由凸岸移向凹岸，从而产生的局部加速区有关。 凸岸纵比降的最大值，舾。在丹较大时，均出现在弯道进1 3 段，当乃减小的 时候，厶一一会向下游转移，出现在弯顶段。而凹岸纵比降的最大值厶一一，一般 都出现在弯道出口段，但是当弯道进口附近水流惯性很大，弯道中心半径也很大 时，弯道出流顺畅，在凹岸沿程都没有负比降的发生，这种情况下厶一一就有可能 出现在弯道进口处。 铜鼓滩水流特征 1 ) 滩段水流动力轴线枯水弯曲、洪水趋直，有弯道环流存在 根据铜鼓滩定床模型测量结果，枯水整治流量q = 4 4 0 0 m 3 s 时，水流动力轴线位 于右槽，进口通过铜鼓子浅区航槽；随着流量增加，水流动力轴线趋向河心， q = 8 8 9 0 m 3 s 时水流动力轴线位于河心暗碛，q = 1 5 0 0 0 m 3 s 时水流动力轴线位于左槽， q = 2 5 8 0 0 m 3 s 洪水流量时主流位于碛翅边缘，表面流速达4 2 7 m s 。 定床模型试验对铜鼓滩的表流和底流进行了观测，试验观测了流量q = 8 8 9 0 m 3 s 和q = 1 5 0 0 0 m 3 s 情况下的滩段表流流线和底流流线，该滩上段面流和底流流线明显 分离，面流偏左，底流偏右，右槽中、下段面流和底流方向渐趋一致，说明弯道 环流对水流结构、泥沙输移有较大影响。 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性9 图2 4 左槽修改3 方案平面布置图 p i c2 4t h el e f tc h a n n e ll a y o u ta b o u t3a m e n d e dp l a n s 2 ) 枯期左槽流量沿程减小，流速逐渐减小；右槽进口为漫滩斜流，水流分散。 枯水期宽约3 7 0 m 迎宾阁卵石碛翅延伸江中，江心潜碛水深0 2 - 0 3 m ，水流受 暗碛挤压，碛翅上水流斜向右槽，左槽流量沿程较小，流速逐渐减小。q = 2 6 5 0 m 3 s 时左槽进口表面流速2 0 8 m s ，至中下段流速减小至1 5 m s ，同时受出口鹞子岩节 点( 窄口) 的影响，左槽出口流速、比降明显减小。 铜鼓子浅区位于上游左岸九龙滩、右岸过年石处深槽之间的过渡段，由于过 渡段较短，滩口为漫滩横流，水流分散，铜鼓子浅区流速减小。2 0 0 2 年1 月设计水 位上0 8 5 m 时，滩上实测表面流速为1 1 7 2 3 8 m s ；2 0 0 2 年1 1 月汛后设计水位上 1 5 6 m 时，滩上实测表面流速为1 9 2 - - 2 6 7 m s ；o = 4 4 0 0 m 3 s 时浅区水深约4 2 m ，滩 上流速2 3 一- 2 8 m s 。 3 ) 随着流量增加，中水期过渡段横向流速分布趋于均匀。 实测洪、中、枯三级流量下# 4 水尺( 九龙滩深槽出口) 、# 5 水尺( 右岸深槽 弯顶) 横比降见下表，在各级流量下滩段进口横向比降由左岸指向右岸；中部中 洪水期由右岸指向左岸，枯期则由左岸指向右岸。 1 0 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 表2 2 铜鼓滩河段横比降 c h a r t2 2t r a n s v e r s eg r a d i e n to f t o n g g u t a nr i v e rr e a c h 流量( m 3 s )左4 水位( m )右4 水位( 1 1 1 )水位差( m )距离( m )比降( ) 2 6 5 02 4 8 6 3 92 4 8 6 0 60 0 3 33 4 8 10 0 9 8 8 9 02 5 1 7 8 52 5 1 7 0 80 0 7 74 1 1 7o 1 9 2 5 8 0 02 5 7 6 2 92 5 7 4 6 50 1 6 48 2 6 0o 2 0 流量( m 3 s )左5 水位( m )右5 水位( i 1 1 )水位差( i 1 1 )距离( m )比降( ) 2 6 5 02 4 8 0 7 52 4 7 9 1 60 1 5 96 2 6 10 2 5 8 8 9 02 5 1 2 4 32 5 1 4 5 5- 0 2 1 27 1 7 1一o 3 0 2 5 8 0 02 5 7 3 3 12 5 7 4 8 80 1 5 71 4 6 9 00 1 l 注：表中横比降方向以左岸指向右岸为正。 随着流量增加，迎宾阁江心暗碛阻力减小、右槽吸流能力减弱，左槽流速逐 渐增大，过渡段横向流速分布趋于均匀。在q = 4 4 0 0 m 3 s 时，左槽中上段流速为1 9 2 - - 2 3 9 m s ，右槽中上段流速为2 0 2 - - 3 3 2 m s ；在o = 8 8 9 0 m a s 时，左槽中上段流速为 2 1 9 3 3 0 m s ，右槽中上段流速为2 7 1 3 4 7 m s 。 4 ) 洪水水流趋直，主流位于河心，铜鼓子至曾盘石沿岸为缓流区。 2 0 0 5 年8 月实测洪水流量资料表明，洪水水流趋直，主流位于河心，表面流速 约为3 6 - 4 6 m s 。汛期铜鼓子至曾盘石沿岸为缓流区，汛期泥沙大量落淤，深槽 淤积厚度约5 0 m 。 5 ) 碍航流态 设计流量q = 1 9 5 0 m 3 s 时，铜鼓滩上下游深槽水流平缓，铜鼓子浅滩处水深仅 2 4 m ，流速在1 3 5 2 3 6 m s 之间，由于下深槽吸流和潜碛阻水的共同作用，在滩 头产生强烈横流，横流流速近2 m s ，主流经过年石后，形成强劲扫弯水势，贴岸 而下，最大流速达3 9 m s ，滩段最大比降为1 9 3 ，其下受曾盘石阻水影响，挑 流水更明显，流态紊乱，航行条件较差。 整治流量- q = 4 4 0 0 m 3 s 时，该滩滩势有所改善，横流和扫弯水势明显减弱，主流 流速较设计流量时减d , o 6 m s ，最大流速为3 3 2 m s ，同时左槽的分流量较设计流 量明显增加。 随着水位进一步上涨，铜鼓滩的滩势进一步减弱，到流量q = 8 8 9 0 m 3 s 时，该 滩已不碍航，左槽水深较大，水流平顺，主流趋直，船舶均沿左槽上下，此时玉 带浩也开始分流。 2 2 2 弯曲分汉浅滩卵石运动规律 卵石运动特点 推移质的淤积和水流在横断面上的流速分布关系很大，流速如果大于起动流 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 1 1 速，推移质会继续运动而不会落淤，如果某区域流速过小，推移质也无法进入到 该区域，则该区域也就没有推移质的淤积。外形上，淤积区的外边界线形和回流 区的边界形状在弯道段很相似，基本接近弯道的外形。出了弯道以后，回流区的 边界会向内收缩，而淤积区的外边界会向外扩散。总的来说，淤积区至内岸的最 大距离的变化规律基本上和回流区的宽度变化是一致的，都是随着r b 的减小而 增大的。 推移质在淤积的过程中，其颗粒的大小在横向的分布，从河心到凸岸呈现出 由大到小的分布规律( 见图2 5 ) 。 图2 5 推移质淤积区示意图 p i c2 5d i a g r a mo fs e d i m e n td e p o s i t i o n 在洪水期，卵石从深槽向卵石边滩输移，由于边滩较宽，水流分散，放宽段 卵石输移带较宽，一般呈扇状，如胡家滩、铜鼓滩、油榨碛等卵石浅滩。在枯水 期，洪水期卵石输移带的地方易形成浅滩或暗碛碍航。 整治要点 1 ) 放宽段浅滩较宽，一般根据浅滩的上下游深槽，选取疏浚范围。通过筑丁 坝束窄水流，加大疏浚区水流强度，保持疏浚区稳定。 2 ) 疏浚区一般采用直线段，对于直线段过长，是否发生像平原冲积河流一样， 1 2第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 顺直段不易稳定，容易变为弯曲段，现在还未有明确的认识。 铜鼓滩泥沙运动特性 1 ) 水流、泥沙、河床形态因素平面分布 由前述，铜鼓滩水流动力轴线枯水弯曲、洪水趋直，随着流量增加，左槽流 速逐渐增大，过渡段横向流速分布趋于均匀。 从推移质输沙率分布看，输沙率因子的变化幅度要大于相应的流速变化，推 移质输沙率分布相对流速分布较为集中。 洪水q = 2 5 8 0 0 m 3 s 时，上游深槽输沙率因子较大。中间过渡段断面最大输沙率 因子分布与水流动力轴线相吻合，位于左槽左侧。汛期右岸凹岸为缓流区，输沙 率显著减小，2 0 0 5 年8 月河床地形实测资料表明，汛期左槽淤积厚度约为0 5 m ， 右岸铜鼓子浅区淤积厚度约1 0 m ，右岸深槽淤积厚度约为5 m 。 中水q = 1 5 0 0 0 m 3 s 时，上游深槽输沙率因子减小；中间过渡段横断面流速分布、 输沙率因子分布较为均匀。最大输沙率因子分布与水流动力轴线位置接近，均位 于左槽附近，左槽出口输沙因子大于上游。右岸凹岸流速比汛期明显增大，输沙 率因子也相应增大，2 0 0 5 年1 0 月河床地形实测资料表明，此时右岸深槽汛期淤沙 已基本被冲刷。 中水q = 8 8 9 0 m 3 s 时，上游深槽输沙率因子显著减小，铜鼓子凸岸输沙强度则 明显增强。中间过渡段横断面流速分布较为均匀，水流动力轴线位与枯水航槽河 心暗碛；最大输沙率因子分布分左右两线，左槽左侧、右槽中上段输沙率较大， 河心及右槽下游较小，左槽出口。 枯水q = 4 4 0 0 m 3 s 时，断面输沙率相对集中于右槽。 铜鼓子凸岸浅区输沙强度汛期最小，随着流量减小，输沙率逐渐增大，在中 水q = 8 8 9 0 m 3 s 时输沙率最大，枯水流量时浅区输沙率又有所减小。 2 ) 推移质定床输沙试验 为定性分析铜鼓滩河段推移质运动情况，了解推移质运动特性，泥沙输移带 的分布情况，合理布置整治工程以取得良好的整治效果，进行了天然情况下定床 模型推移质输沙试验。 选择3 0 0 0 0 m 3 s 、2 5 8 0 0 0 m 3 s 、1 5 0 0 0 0 m 3 s 、8 8 9 0 m 3 s 和4 4 0 0 m 3 s 等五级流量， 在铜鼓滩上深槽加入按推移质级配的模型沙，观察模型沙输移途径和淤积部位。 洪水q = 2 5 8 0 0 m 3 s 时，推移质输沙带位于河心，分布较宽，输移速度大，推移 质运动轨迹与水流动力轴线、左槽中心线位置平行，进入左槽的泥沙较多，出口 有泥沙停积。左汊玉带浩有少量推移质进入。细颗粒泥沙在右侧输沙带边缘停积， 悬移质在右岸深槽淤积。 中水q = 1 5 0 0 0 m 3 s 时，与汛期相比，推移质输沙带右移，水流指向右岸鹞子岩， 第二章弯曲分汊浅滩卵石运动及碍航特性 1 3 泥沙输移轨迹弯曲，进入左槽的推移质数量相对减少，右侧碛翅有泥沙淤积。 中水q = 8 8 9 0 m 3 s 时，上游深槽推移质泥沙输移强度显著减小，推移质输沙带 进一步右移、坐弯，进入左槽的推移质数量较少，大量推移质由铜鼓子凸岸浅区 进入右槽，沿江心暗碛碛翅经左槽出口后沿左岸滩唇输往下游。输沙带位于断面 输沙率最大值连线的两侧，带宽约2 3 0 m ，其右侧约2 5 m 宽度范围内推移质运动速 度较为缓慢