（水工结构工程专业论文）布吉河河口泥沙淤积控制试验研究.pdf

我投大学壤士学位论支 摘要 我国东南沿海地区有许多内陆河流直接入海而形成感潮河流，感潮 海漉豹入海翻河段，嚣受海潮的影响，存在藉海疆淤沙被潮水带回瓣连 淤积的情况。该现象加煎了河口的淤积，影响了河口段的行洪能力，加 上淤沙颗粮细小，清淤滩度大，对河流的防洪管理工作极为不利。因此， 研究和开发溺口泥沙淤积控制工穰措施显得十分遥切，也葛 常重要。 丁坝佟为河道整治工程中极为普遍的一种，具有控制河势、保护岸 潍、束承攻沙箨壅离永位等多种动麓，同时丁竣施工篱荦、取享季方便及 安全经济等优点，使得丁坝在河流治理中得到了广泛的应用。为了探索 丁袈在感溺游蠢孛，慰窳沙运动豹影镌，送两这篓治褒湾疆兹銎鲍，本 文进行了尝试性的试验研究。 本文的辑究采用动床河王摸型试验，熬深雾| | 素布吉淫淫v i i 程必原 型，在不同流量及采取不同的工程措施后的河口段泥沙淤积机理进行了 较深入的研究。根据试验水沙条件、工程边界条件及其多组次方案下的 试验结果，阉时根据水动力学理论和泥沙动力学的理论分析，提出了布 告河河i d 泥沙控制的王程措施，为感潮河 2 1 的懋移质泥沙治理提供了髓 论依据纛参考实铡。 关蕤逯：模型试验了竣淀沙淤积 、嚣瑟渗毽 嚣漫太孥颈圭学位论文 a b s t r a c t al o to fi n l a n dr i v e r se n t e rt h es e ad i r e c t l ya n df o r mt i d a le s t u a r yi nt h es o u t h e a s t c o a s t a la r e ao f o u r c o u n u y a s a f f e c t e db yt i d e , s i l ti nt h es e a p o r tm a yb et a k e nb a c ka n d d e p o s i ti nt h ef i v e r t h i sp h e n o m e n o na g g r a v a t e st h ea g g r a d a t i o no ft h ee s t u a r y , a n d i n f l u e n c e st h ed i s c h a r g ec a p a c i t y , i na d d i t i o n ，s i l t p a r t i c l ei st i n yw h i c h m a k e st h ew o r k o fc l e a n i n gs e d i m e n tb e c o m ev e r yd i f f i c u l t , a l lt h e s ea r ee x t r e m e l yd i s a d v a n t a g ef o r f l o o d m a n a g e s o ，i ti s i n s i s t e n ta n di m p o r t a n tt o s t u d ya n dd e v e l o pa g g r a d a t i o n c o n t r o l i n gt e c h n i q u e so f t h e f i v e rf l o w s p u rd i k eh a v em a n yf u n c t i o n ss u c ha sc o n t r o l l i n gf i v e rt e n d e n c y , p r o t e c t i n gt h e b e n c h , n a r r o w i n g t h ew a t e r , a n d r a i s e i n gw a t e rl e v e l ，e r e ，w h i c hi su s e dg e n e r a l l yi nr i v e r r e g u l a t i o nw o r k m o r e o v e r , s p u rd i k ec o n s t r u c t i o ni ss i m p l ea n dt h em a t e r i a l sc a nb e o b t a i n e de a s i l y , a n di t sa l s os a f ea n de c o n o m y b e c a u s eo ft h ea b o v ea d v a n t a g e s ，t h e s p u rd i k ei su s e dw i d e l yi nf i v e rr e g u l a t i o np r o j e c t s i no r d e rt os t u d yt h ei m p a c to n d i v e r s i o na n da g g r a d a t i o nc a u s e db ys p u rd i k e ，t h i s p a p e rh a sc a r r i e do nt e n t a t i v e e x p e r i m e n t a ls t u d y t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sam o v a b l e - b e dm o d e lt e s t , w h i c hm a k e st h e e s t u a r y p r o j e c to fb u j ir i v e ri ns h e n z h e na sp r o t o t y p e ，a n dh a v em a d ead e 。pr e s e a r c ho rt h e m e c h a n i s mo fa g g r a d a f i o no ft i d a l e s t u a r yi nd i f f e r e n tm e a s l l l - _ ；e sa n dd i f f e r e n tf l o w ： a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fm o d e lt e s ta n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，o f f e rt h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nm a di l , q t a n t ：eo f c o n s u l t i n gf o rt h ec o n t r o l o f s u s p e n d e d l o a d k e y ：p h y s i c a lm o d a l ，s p u rd i k e ，a g g r a d a t i o n , t i d a le s t u a r yc o n t r o l 郑重声明 本人的学位论文是在导师的指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律 责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 武汉大学硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 1 绪论 感潮河流的入海口河段，因受海潮的影响，存在着海口淤沙被潮水带回河内淤 积的情况。该现象加重了河口的淤积，影响了河口段的行洪能力，加上淤沙颗粒细 小，清淤难度大，成本高，对河流的防洪管理工作极为不利。因此，研究和开发新 型的简易工程措施显得十分迫切，也非常重要。 丁坝是河道及航道整治工程中一种常用的重要建筑物，具有控制河势、保护岸 滩、束水攻沙及壅高水位等多种功能。丁坝修建后，水流受到压缩，坝下断面突然 放大，水流因分离形成了狭长的回流区。特别是对护岸工程和泥沙的淤积而言，坝 后回流区的充分利用关系到工程效果与造价。从目前海潮引起的河口泥沙问题出 发，提出用丁坝的不同组合方式来控制泥沙淤积，就是期望利用丁坝的这些特点， 能够使海潮带回内河的泥沙尽量少或带回的泥沙淤积在预期的地点，方便清理。为 了探索多个丁坝的组合工作在治理受海潮影响的河口的应用前景和应用技术，通过 物理模型试验，运用水动力学、泥沙动力学等相关理论研究和探讨该工程的排沙机 理和淤沙效果，为河口的治理提供理论依据。 1 2 研究现状及存在的问题 潮汐河口水流为典型的非恒定往复流，流态复杂多变，潮流随时间的变化远较 径流迅速，涨、落主流流路也常常不一致；泥沙既有径流挟运，也有海域带来，并 因径流与潮流比值不同分别形成口门处的拦门沙或口门以内的纵向沙坎。这一切使 得河口的河床变化尤为复杂，目前对于此种现象的工程措施一般有以下几种： ( 1 ) 河口修建挡潮闸 河口修建挡潮闸以后，在枯水季节，通过关闭闸门挡住潮水流进内河，进而控 制海潮带回泥沙在内河的淤积，但是建闸后，由于上游径流减少、落潮历时延长、 流速减弱、潮流量变小、潮波变形、潮汐水道变化等，引起闸下泥沙的淤积，日积 月累，泥沙淤积挡住整个河口，使河道行洪能力大为减小。 武汉大学硕士学位论文 海河流域的海岸线北起秦皇岛的老龙头，南至老黄河口，全长8 2 5 4 0 k m 。其 中，老龙头一洋河口长6 0 5 0 k i n ， 属基岩海岸，洋河口滦河1 3 长6 3 8 5 k m ，为 沙质海岸；滦河口一老黄河口长7 0 1 0 5 k m ，为淤泥质海岸。在漫长的泥质海岸带上， 分布着2 0 个河口，主要有永定新河、海河、子牙新河、北排河、南排河、漳卫新 河等。这些河口大部分建有挡潮闸，因位于海陆双相河口，在挡潮闸规划中，考 虑河道的排洪、排沥、排咸要求多，对河口的淤积问题未给予足够的重视。 由于 潮汐的作用，均发生了严重淤积。 江苏省东台沿海8 5k m 的海岸线属于长型淤泥质海岸，岸外为辐射状沙脊群所 包围。垦区总面积1k m 2 ，耕地面积9 3 3 万掰，6 0 年代经江苏省水利厅规划为独立 排水区。淡水源主要靠安丰等3 座电力提水站提引里下河水。排水主要靠先后建成 的7 座挡潮闸，其中淤死和报废3 座，目前发挥效益的有4 座，设计排水流量l0 6 2 m 3 s 。由于沿岸的淤积细粒泥沙具有较强的流动性，在风浪和潮汐的作用下，造成了沿 海闸下淤积现象十分严重，大部分挡潮闸闸下河床高达1 o m 以上，河床断面较建闸初 期缩小2 0 3 0 以上。近年来，年均冲淤保港用水量都在2 5 亿m 3 左右，从而使垦 区的淡水资源相当紧缺。 由于北方水资源紧缺，年内分配又差异悬殊，为缓解工农业用水的矛盾，在沿 海各入海口修建了挡潮闸，这些挡潮闸具有挡潮、蓄淡灌溉、防洪除涝等综合功能。 北方沿海地区滩涂广阔，潮问带宽约l o k m ，淤泥质海岸占6 0 以上，岸滩剖面坡 度小，通常只有1 1 0 0 0 1 2 0 0 0 。淤泥质海岸组成物质很细，一般粒径小于0 0 6 r a m ， 有些地区仅o 0 0 5 m m ，在波浪作用下，尚未固结的淤泥容易掀起悬扬，为河口淤积 提供条件，闸下淤积日趋严重，河口泄洪排涝功能严重萎缩。永定新河自1 9 7 1 年 建成并投入运行以来，下泄径流多年平均为1 8 5 亿m 3 ，最小年份只有0 0 6 3 亿i n 3 ， 据1 9 7 1 1 9 8 9 年的1 8 年资料，闸下6 2 k r n 河道累计淤积量达2 5 1 3 万m 3 ，泄洪能 力下降6 0 以下，严重危及防洪安全。海河干流尾闾于1 9 5 8 年建成挡潮闸以来， 年均入海径流只有1 9 3 7 亿m 3 ，1 9 5 8 1 9 8 9 年的3 1 年间，闸下l l k m 河道累计淤 积量达1 8 6 2 万一，挡潮闸泄洪能力从原设计的1 2 0 0 m 3 s 减小到3 2 5 m 3 s ，较原设 计下降7 3 。而据1 9 9 1 年地形资料电算结果，泄洪能力只有1 1 0 m 3 s ，较原设计下 降9 0 8 。据统计，渤海湾2 8 条入海河口中，已建闸2 0 座，其中1 8 座河道闸下淤 积严重。陡河挡潮闸曾两度接近淤死。南排河和村闸因淤废于1 9 8 2 年被迫拆除。 2 茎坚查兰堡主兰垒堡苎 ( 2 )人为清淤 人为清淤方式有许多种，主要集中在水力冲淤和机械冲淤。按照淤积物的特性 及河道的天然特性，在不同的河道采取不同的水力冲淤法，在较宽浅盼游荡性河道 常用束水攻沙的思想，进行自然清淤。在较狭窄的河道淤积物颗粒细小，并流速变 化较大时，采取射流清淤，河口段也有采用纳潮冲淤的。两者都不适合的河道只有 利用挖掘机或挖泥船清淤。 海河干流是承泄海河流域洪水的一条骨干行洪河道，并承担着排涝、航运和蓄 水任务。河道全长7 3 公里，按水利部城市防洪规划，现河道设计流量8 0 0 立方米 秒。 根据中瑞环保科技合作项目海河( 市区段) 污染控制技术的研究分析成果， 河道淤积总量约1 0 0 0 万立方米，河道中沉积物堆积严重，并已经受到污染，既影 响行洪排涝功能和城市景观，又污染宝贵的引滦水源。 设计原则上彻底清除污染严重层，河底清淤深度为1 2 米；结合现状主槽边 坡和河底宽窄不一的情况，清淤设计断面基本上以梯形断面控制，边坡1 ：6 ，局部 边坡较陡地段，采取顺坡处理；河底纵坡控制在1 2 0 0 0 0 左右；考虑通航要求，满 足水深4 0 米的河底宽度不少于6 0 米。清淤采用环保型清淤方法，采用水陆两用挖 掘机和抓斗式挖泥船开挖，淤泥装入驳船由拖轮拖带至下游排泥场临时码头，再经 自卸汽车转运至指定排泥场。排泥场设置在海河下游的东丽区和津南区，用于填埋 海河大堤外侧的坑塘，淤泥固结后可起到填塘固堤和加宽培厚海河堤防作用。 虽然人工清淤也有一定的效果，但是需要投入大量的人力及物力。是一种最为 不经济的清淤方式。束水攻沙与射流冲淤虽然在经济上比较节省，但是清淤的效果 总是达不到预期的效果。 对于丁坝的研究和利用，目前主要是集中在导引河道或海域水流，保护岸滩、 抬高水位等，在这些方面丁坝有着不可替代的优势，丁坝结构简单、施工方便、工 程量不大且安全经济等。 松江河抚松镇段河道整治工程主要是围垦造地，造地用于抚松城市建设，经济效 益、社会效益显著。整治河段为松江河北江水库下游4 8 0 m 处至北江铁桥下游3 6 # m 处，全长i9 6 4 m 。该段堤防平均高度为6 m ，堤顶宽2 5 m ，堤顶作为路面形成环城公 路，并建成美化城市的带状公园。堤防位于河道凹岸，堤线近于1 9 6 0 年前的老河岸 茎堡奎兰堡主堂垡笙苎 位置，造地为新建堤防的堤内河滩。整治工程主要是河道凹岸。松江河流入北江水 库以后，流向由西转向南，再由南转向东，从北江水库至头道松花江汇合处3 5 9 k i n 范围内，形成两个近9 0 度的大转弯。第一个转弯半径为7 0 0 m ，第二个转弯半径为 7 3 0 m 。河道平均坡降为3 1 0 0 0 。松江河属于山区性河流，洪水陡涨陡落，水势来的快、 急、猛，冲刷力强。整治河段除具有山区河流的特点外，更具有其独特的连续转弯的 水流特性，河道连转两急弯水流对堤岸的顶冲力极强。这种恶劣的水流态势，使该河 段河岸在1 9 6 0 年8 月2 2 日至2 3 目的大水中顶冲决口。决口处在第一弯顶点稍下部 位，决口后水流沿冲开的河道由北流向西，在北江铁桥处与老河道汇合，形成大片的 河滩地。随着城市的发展，城建用地日益紧张向河滩要地，为经济建设服务已势在 必行，为此，必须提高堤防的防洪标准和抗冲能力，利用丁坝群改善弯道水流的流态 使弯道水流的动力轴线外移于凹岸，减小水流对凹岸的顶冲是非常必要的。 丁坝平面布置得合理可以收到事半功倍的效果。抚松段河道有他自己的特殊性， 河道没有固定的边潍，堤线布置在原河床上，因此，丁坝的布置是沿堤脚线进行的。 坝头线弯曲半径与堤线弯曲半径相适应。为使丁坝发挥更好的工程效力，对坝头线 的弯曲半径进行适当调整设计中采取1 2 。丁坝的形式选为短丁坝，并成群布置。短 丁坝对河断面束窄作用小，对造地有利。丁坝群是山区河流弯道整治的有效措施，已 在实践中得以证实。例如：圈们江七虎洞险工整治工程中，丁坝群起到良好的效果。 该工程已运行2 0 多年，没有出现冲刷现象。丁坝群不必沿整个弯道布置，根据弯道 水流特点，只在顶冲点一定范围内进行可以节省工程投资。并能收到良好的效果。抚 松段河道有两处项冲范围，因此丁坝群的布置分为两处，收到了很好的效果。 1 3 研究的内容及方法 本文的研究应用河工动床模型试验，应用水力学等相关理论，分析和研究了导 流落淤效果及机理主要开展以下内容的研究：( 1 ) 河口段潮水规律及潮水的淤沙 含量；( 2 ) 不同t 坝布置方式的组合对河道淤积影响的规律；( 3 ) 丁坝与沉沙池 联合工作时的泥沙淤积规律；( 4 ) 修建拦沙坎的必要性。对于泥沙淤积机理的理 论分析，包括河道的水流流态、丁坝及沉沙池的形式、泥沙落淤点等。 4 武攫太举疆士学位论文 研究内裙既涉及到丁坝群的导流效果，又涉及到单个丁坝的局部流态和落淤研 巍，逶过搂爨 羲验主要霹究埂群与滋沙淫联台工纷对，濑本带嚣豹蛔颞粒泥沙连 整个河道不同断面淤积的规律。 模型的模拟对象是拟建的深圳市布告河河口的溅沙淤积控制攒施研究，丁坝的 蠢鐾援定五耱方案( 燹瓣灏l 5 ) ，模型试验蕊摸叛范潺包摇毒吉涎入海盈霜门努豹 部分深鲫阿，直到布密河河口上游6 0 0 m 的范围。警面布置如图( 1 - 1 ，1 - 2 ) 。 茎墨奎黧缝圭兰垒笙奎 一一一一 深堋罚 饕鲰 6 武汉大学顼士学位论文 7 * 。趟番 匦砸恬坦辞蝠剥婆h*寡枢恬h v 匝 “h运蓝 匝巨器暴毅察 避孵恬旧 茎竖查璺婆主兰垒笙茎 2 河流冲淤的基本理论 河流中运动着的泥沙，就其来源而富，可以分为两大类，一蹙是从流域地袋冲 蚀而来的；塌一类是从原河床上冲起的。在运动过程巾，两者有蛰臀换作用。从流 城净疆下寒鹣涎涉，枣部分泷积在溪霖上，大部分菠滚入海，耱麓蹩鬏粒疆蠡瓣淀 沙，绝大部分都汇流到海擞去了；而原来河床上的派沙，也有一部分为新来的泥沙 所置换而汇流入海。而影响流域地表侵蚀的因素，主要与气候、土壤、地貌及人类 涯凌毒关系。 2 1悬移质运动理论 随着永流浮游前进的漉沙，叫做懋移质。悬移餍程水中浮游前进，它盼迹线是 根不规则的。浮游的位置，时而接近水灏，时而接j 黩河床。虽然南时也落到河床上 停整，或发黧置按现象，德浮游豹持续搜一般是糖豢犬的。它沿农滤方向翦进懿速 度与水流遮缴基本相等。 悬移质的比重一般为2 6 2 7 ，较水的比重大很多。因此在水流中浮游的悬移 鹱，受重力影嚷，会岛溺您下沉。热暴廷蠢熏力终瘸，悬移囊豹遐鞭离辕蓼将爨甭 能的，原来的浑水很快嫩变为清水。赫移质之所以能够存在，并实现其远距离输 移的运动过程，是由于它除受重力作用外，还同时爨水流的紊动扩散作用。在大自 然的大多数瓣遵一般都瘸紊流。由予承浚素动，搜务屡求滚之阕产生强熬瓣掺滋溅 象。各种形式的大尺度紊渤，对促进这种掺混现象，超着显著的作糟。这就是说， 悬移质受重力作用而下沉，另一方面又鼹紊动的掺混作用而产生上浮的效果，两者 结会在一起，遂镬悬移震襁以在农流譬| 潞游赘避，安瑷其运距离簸移熬运动过獠。 总之，懑移质的整个逡动过程，就怒索动扩散作用与重力作用相互斗争的过程。 当重力作用超过紊动扩散作用而居于主鼯地位时，悬移质向河底下沉的倾向胜邀向 承嚣土浮的缎囊，慰求漉审豹含汐爨褥逐激减少，整令过程表瑷必淤援。爱之，警 綮动扩散信尉超过重力佟用而居于主导她位，同时河徕又系由可以冲利的物质所缱 成时，悬移质向水面上浮的倾向胜过向河底下沉的倾向，则水流中的含沙量将逐渐 灌如，整个避程表瑷兔渖裂。嚣暴紊动扩数毒筝爱与鬟力终蘧缝子鬻辩戆攘持获淼， 茎堡銮堂鐾主堂壁垒奎 悬移质上浮下沉的倾向大致相当，则水流中的含沙擞将暂时保持麟本不变，而出现 大臻土露戳不淬不淤粒稳瓣乎鬻状态。 2 2潮汐河口的演变及整治 涎日楚攒滗滚与集承嚣戆连续建段。巢承区爵麓楚澎瀛、潮游、瘩痒或海洋。 而河口中尤篡以入海河口最为复杂。入海河口往往叉是人口稠密、工农业特别发达 的地区，是埘内对外的交通枢纽。河口地区的水流淀沙运动，不仅鼹内陆径流影响， 嚣显还受滋汐、海流、波滚、薤瘩楔再鬟滚等海洋农文透素静影嚷，是菲鬻复杂黪。 海水每天有规律的涨落两次，这种周期性的水能涨落现象称为潮汐。水位上升 为涨潮，水饭下降为落潮。涨潮所达到的最高水位称糍潮过满朝。落潮所达到的竣 瘫承整称秀鬣潮或于港。在达到高、低潮对承嚣在一穰短靖闻海褡丘涨落，称为戆 潮或平潮。前后相联的高、低潮水位差称潮差。相连两次高潮位戏低潮为的时间间 隔称为潮周期，如下图( 2 - 1 ) 。 月球方向平 t 、 b l i t ( 2 - 1 ) 舟球引潮办示意隧 对于潮汐的成因，有精力潮汐论和动力潮汐论两种。静力潮汐论认为，月球魑 产生潮汐瑗毅鹣主要骧因。缀据万毒弓| 宠定律，舞球辩遮蘧表匿懿拳覆纛将产生萼 力，弓f 力静方向指离胃球中心，弓l 力太小为： f p ：8 飞m “i ( 1 ) 如踟百 1 ) 9 堕翌查兰堡主兰垡堡塞 一 式中：i 卜月球中心到某一点单位水质的距离； m 一月球的质量； a _ 为引力系数； 月球引力见上图( 2 1 ) 。与此同时，由于地球和月球还围绕两者的公共 质点k 而公转( 由于地球比月球大，k 点位于地月球中心线上，距地心为 0 7 3 倍的地球半径) ，地球上的水质点还受到离心力的作用。由于公转时所 有质点均以相同的半径和相同的速度作圆周运动，故离心力的大小和方向 都是一致的，如上图的虚线。这一离心力与月球对地心e 点单位质点的引 力大小相等，方向相反，其大小为： r ：a m 7 。i ( 2 ) & 2 8 可 。2 式中：d 为地球与月球之间的距离，其余符号同前。 f d 与f e 的合力即为引潮力，在世界上各个地方，除地心e 点引力和离心力相 互抵消之外，其余各处都有大小不等、方向不同的引潮力。 静力引潮论假定地球表面全部为海水包围，在弓l 潮力的作用下，海水表面将形 成椭球曲面形式的平衡面。如上图( 2 1 ) 虚线。当引潮力背向地球表面时，海水向 上运动，水位上涨；当引潮力指向地球中心时，海水向下运动，水位下降，形成潮 汐现象。在上图中的b 、d 两点相当于涨潮的高潮位，a 、c 两点相当于落潮的低 潮位。当然，宇宙中的其他天体对地球上的水质点也会产生引潮力，但它们不是质 量太小，就是距地球太远，都不及月球的引潮力大，所以决定地球上潮汐变化的主 要动力是来自月球的引潮力。因引起潮汐现象的引潮力是由天体与地球的相对运动 来决定的，这种运动具有周期性。因此潮汐变化也是有周期性的，它的周期性变化 有：日周期变化和半月周期变化。 河口泥沙的来源主要就在两个方面：内陆径流挟运来的流域来沙及随潮流而来 的海域来沙。河域来沙的组成及多少决定于流域内的气候、地质地貌、人类开发自 然的活动等多种因素。海域来沙则比较复杂，有的是从海岸或海底沙洲、沙滩，被 风浪、潮流冲刷洗掘而悬浮起来，再随潮流带入河i s i ；有的是汛期被径流输至外还 海的泥沙，枯季在海洋动力的作用下，又返回河口；也有来自邻近河1 2 1 的。 河1 2 1 地区的悬移质泥沙，经常处于往复搬运、时沉时扬的过程中，这与周期性 1 0 武投大学疆士学位论文 的往复水流由密切的关系。当潮流相对较强、河水流越相对较小时，悬移质含沙量 随涨潮流瓣邀速热快嚣增大，在最大涨滏流速辫近窭瑷涨潮最大鸯沙量。我嚣熬若 涨潮流速的减缓，含沙爨迅速减小，憩流附近舍沙爨最小。憩流之后转为落潮流， 随着潮流的逐渐加快，含沙量也稍有增大，在最大落潮流附近出现落潮最大含沙量， 蘧是远较涨潮含沙藿小；j 避蓐藩漤滚遴躐下，含沙黧瞧糖毒藏小，特下一次熬漆达 到之前，融现落潮最小禽沙囊。如果潮流相对较弱，河水相对较大，监目悬移质含沙 量在一个潮流周期中只出现一个明显的沙峰，最大含沙量出现在落潮期间，最小含 沙量窭瑷在竣澳滚裁闼，客沙量变诧魄较平缓，受溪滚影噻较零熬上游段，a 擎没 有变化。 潮汐水流的输沙能力魑然是非常复杂的，但是实铡资料表明，这些变化仍熙有 类酝无瀣溺渡孛零汐运动戆一些特点。在其豁进行拳溪平穆薅，蘩先蔽据流邃蕊疆 划分涨潮瀛的落潮流的时段，再计算此时段内平均涨( 落) 潮流苏、含沙量和水深， 涨潮和落潮的平均含沙羹关系式的一般形式为： 鼙告 b 式中： s 一擎濑平均会沙囊，k g m 3 ； u _ 一半潮平均流速，m s ； h 一半潮平均水深，m ： 圆一半潮乎趣嚣速，m s ； 一般的濑汐河口水流的挟沙力公式w 根据无滏河流类似问题的处理方法推求。 根据不平衡输沙原理： 掣十掣a o j b s + ：e ( 4 ) 厦浅 式中：a 一过水断面灏积： b 河道宽度 轸薮嚣平筠流速； m 泥沙沉遮； 8 断面平均会沙量； 武汉大学矮学往论文 s 一水流挟沙力； g 一系数，分毒蠢溃定； 在已知水力条件下，上式中只有一个变数s ，因而这个方程式表达了含沙嫩沿 程及逐时的变化规律。但是水流的挟沙力s 。仍由经骏公式估算。 1 2 武汉大学硕士学位论文 3 试验河段概况 3 1布吉河工程概况 布吉河是深圳河的一级支流，发源于深圳市北部的布吉镇黄竹沥。布吉河属于 山洪型河流，雨季河水暴涨暴落，旱季基流几乎为零。由于流域内雨污未能彻底分 流，每天约有2 4 万吨的污水排入布吉河。上游由水径、塘径两条支流在牛岭吓汇 成干流，在南门东桥有大芬支流汇入致穿孔桥为河流的上游段。由穿孔桥下又有莲 花地水，清水河及高涧河等三条支流汇入，至泥岗桥下进入笋岗滞洪区，为该河段 的中游。滞洪区以下又有笔架山河及罗雨泵站支流汇入，至河口为河流的下游段。 河流全长1 6 4 7 k m ，流域面积为6 3 4 1 k m 2 。 布吉河上、中游贯穿布吉镇及罗湖草铺工业区，下游则为市内繁华的罗湖商业 区，布吉镇为深圳市的工业卫星镇，罗湖商业区则为深圳国际大都市的中心区。 布吉河流域位于亚热带绿林季风气候区的南缘，温热多雨，多年平均降水量为 1 9 2 6 4 m m ，其中和1 0 月降雨最占全年降雨量9 0 ，牝6 月为本地区前汛期，多由 于暖湿气流于冷空气相遇形成的峰面雨，常造成较大的暴雨过程。7 1 0 月为本地区 后汛期，太平洋及南海生成的台风带来大量的台风雨，历年来台风雨给本流域造成 较大的洪涝灾害。 布吉河上、中游为丘陵谷地带，地势西南部较高，分水岭高程多在2 0 0 - 3 0 0 m 之间，其中鸡公头高程为4 4 5 1 5 m 是流域内最高点；东南部地势次之，分水岭高度 多在1 9 0 - 2 4 0 m 之间；北部地势较低，分水岭在9 0 - - 1 7 5 m 之间。沿河两岸谷地为南 门墩，穿孔桥及粤宝厂地势最低，其地面高程在1 8 2 2 5 m 之间，是上、中游最易 遭受洪水淹没的地区。布吉河下游为平原河谷，地面高稷均低，一般在3 5 m 之间。 且下游河道又受深圳河高水位或潮水位的影响。 布吉河在布吉镇内的流域面积为3 0 4 9 k m 2 ，为布吉河流域面积的二分之一。目 前布吉镇已由落后的小乡镇发展为深圳市工业卫星镇。根据规划布吉镇将发展为深 圳特区的服务基地，对外交通口岸及以先进工业为主、集商贸房地产等第三产业综 合发展的多功能现代化的中等城市，规划总人口2 0 1 0 年达到5 5 万人。 基翌查兰堡主堂垡堕茎一 布吉河下游的罗湖区是目前特区的商业、金融、交通中心。根据“深圳市城市 总体规划纲要”，深圳市将建设成为现代化的国际大都市，而罗湖区将为深圳中心 城区内的国际性商务中心和陆上交通枢纽中心。 整个布吉河河道按纵向可以分为三段。 第一段：中游河段 1 1 北桥沉沙池( 2 + 1 3 8 1 + 9 3 5 m ) 长2 0 3 m ，河道断面底宽8 0 m ，槽身5 3 m 以下为梯形，边坡为l ：1 5 。5 3 6 1 m 为矩形断面，底坡1 4 0 0 ，浆砌石 衬砌。设计流量为3 5 7 m 3 s ，水深为5 2 7 m ，堤顶超高为o 8 m 。 2 1 沉沙池( 1 + 9 3 5 1 + 7 8 2 m ) 长1 5 3 m ，底宽2 7 5 5 4 7 m , 右岸坡1 ：1 2 5 ，左 岸坡1 ：0 6 ，池深6 8 m ，除左岸边坡为混凝土挡土墙外，其余均为浆砌石 衬砌。 3 1 沉沙池吓屋村( 1 + 7 8 2 1 + 5 9 0 m ) 长1 9 2 m ，为四孔混凝土箱涵，过流断 面为四孔6 5 6 m ，侧墙厚o 5 m ，地板厚o 5 5 m ，顶板厚o 5 m ，底坡1 4 0 0 。 设计过流能力5 4 8 m 3 s 。 海关箱涵段( 1 + 5 9 0 1 + 3 3 0 ) 长2 6 0 m ，为三孔混凝土箱涵，过流断面为 三孔6 5 6 m ，侧墙厚o 5 m ，地板厚0 5 5 m ，项板厚o 5 m ，底坡1 4 0 0 。 设计过流能力4 1 0 m 3 s 。 5 1 箱涵出口南桥( 1 + 3 3 0 0 + 9 5 0 m ) 长3 8 0 m ，明渠断面尺寸，底宽1 0 6 m ， 右边坡为1 ：1 2 5 ，左边坡为1 ：1 5 ，槽身5 o m 以下为梯形。底宽5 6 5 m ， 右边坡为1 ：1 2 5 ，左边坡为0 。浆砌石衬砌，底坡1 4 0 0 。设计过流能力 4 8 4 n 1 s ，水深5 0 5 m 。 6 1 农贸市场综合楼及停车场箱涵段( 0 + 9 5 0 0 + 3 6 4 m ) 长5 8 6 m ，为四孔混凝 土箱涵，过流断面为四孔6 8 5 6 m ，侧墙厚0 5 m ，地板厚o 5 5 m ，顶板厚 0 5 m ，设计过流能力5 9 0 m 3 s 。 7 ) 农贸市场鲜菜批发楼箱涵段( 0 + 3 6 4 0 + 2 7 5 ) 段长8 9 m ，为二孔混凝土箱 涵，过流断面为二孔1 1 2 5 8 7 m ，侧墙为浆砌石挡墙，底宽2 8 m ，中墩 厚o 5 m ，底坡1 4 0 0 ，设计过流能力5 9 8 m 3 s 。 8 ) 兰花桥至泥岗桥( 0 + 2 7 5 0 + 0 0 0 ) 长2 7 5 m ，断面尺寸4 4 m 以下为梯形断 面，底宽1 4 m ，边坡1 ：1 5 ，4 。4 5 4 m 为矩形断面，底坡1 4 0 0 ，采用浆 1 4 武汉大警襁士学建避支 砌石并在表面加6 0 r a m 厚细石混凝土。设计过流能力4 6 8m 3 s ，水深4 3 8 m 。 第二段：笋窝潞洪嚣 笋岗滞滋区位于深圳市罗湖区笋岗树东侧，是稚吉河中游的一项防洪王程，为 解决深圳市的防洪问题，掇制下泄至深圳河的流量，规划兴建了布宙河笋岗滞淤联。 潆瀵区莛曩，l 靠嚣滗爨，鬻透为太撰蓐爨缍会夔努溺路，东嚣镧套毒置毒东、嚣 堤，并在西南角设置一庶泄洪闸和桥涵与布吉河下游河道相接。泄洪闸为四孔7 x 7 m ，闸门最大开度3 2 m 。原设计枢纽建筑物按5 0 年遇设计，5 0 0 年一遇校核， 建襞携接銎缓建蒺凌设计。 滞洪区( p 2 ) 限镥4 下泄流量2 5 0m 弧，滞洪隧设计洪水位为1 1 3 m ，相应库 容为2 5 0 6 尉m 3 ：校核洪水位( p ：o 2 ) 1 2 1 5 m ，相应库容为3 1 0 5 万m 3 ，最大 下淫藏萋为6 0 8o s 。 第三段：下游河道 1 ) 滞 多区泄洪闸以下至铁路桥( 2 + 8 0 0 1 + 7 2 0 m ) 长1 0 8 0 m ，篡中前段长3 5 0 m 为撵形凝覆，底赛2 5 m ，表露逡坡为l ：l 。7 5 ，左岸垂塞浚凝摆壤( 瀵凝 土灌注桩护壁) - 燧顶嵩程右岸为7 7 9 9 3 m ，左岸为6 7 4 8 8 2 m ，设计 过流能力2 5 0l n 3 s 。 2 ) 铁爨携奎煮宾蓼( 1 + 7 2 0 0 + 8 4 0 m ) 长8 8 0 m ，爨澎装瑟疯赛2 5 m ，边缓l ： 1 7 5 ，底坡1 3 0 0 0 。右岸堤顶高糕5 1 2 5 8 4 m ，左岸堤顶黼程4 2 4 5 8 m ， 浆砌嚣衬砌，设计过流能力2 5 0m 3 s ，水位为3 8 1 4 7 7 m ，堤顶安全越高 在友簿仅o a 3 m 。 3 ) 嘉宾桥至河口段( 0 + 8 4 0 0 + 0 0 0 ) 长8 4 0 m ，河道底宽4 5 m ，两岸为混凝土 挡土墙护岸，河底为浆砌石或混凝土护底，纵坡1 1 0 0 0 ，右岸堤顶高程5 1 5 5 + 6 4 m ，左疼堤矮褰程秀5 0 2 5 6 2 m ，谖诗避滚戆力秀4 3 6m 3 s 。 3 2 布吉河现存问题 布专海溺鞠段属于感潮泻流的入海掰溺段，因受海潮酶影响，稃在着海日淤沙 被潮水带回河内淤积的情况。该现象加黛了河口的淤积，影响了河口段的行洪能力， 如上淤沙颢粳缨小，涛淤赡度大，成本藤，对河漉豹防洪管理工佟极为不裁。深圳 茎堡查茧塑主兰壁垒塞 一 市区有九条河流直接入海，河口段不同程度存在这种问题，若以布告河的具体工程 萼寄整，提出国海溺弓| 起戆i 霹誓淤积载工程控裁豢蕊，其有重大实鞭意义。 据深蜘i 市布吉河、祸田河、新洲河、大沙河河道淤积物物溅性质试验报错， 布吉河沿私河道淤积物禚河道典型淤积断面处的颗糖分析及淤积特性描述如下表 ( 1 ) 和表( 2 ) 。 裘格1 淤积糖成分表( 粒擐单位：m m ) 淤积物备成分含量( ) 河道 生鼹 槛号 6 06 0 - 1 0l 务巧s 一22 , - 0 + 5o 5 2 50 2 5 q 0 7 40 0 7 4 垃圾 4 + 8 7 6o 8 02 1 0 89 8 41 2 8 l2 2 3 42 0 5 54 7 63 7 54 + 0 7 2 + 3 8 4l 。5 21 3 3 02 。9 3 71 8 0 62 8 4 5l l 。5 07 。5 07 4 0 o + 9 0 03 。9 0o1 0 65 9 61 2 4 93 7 4 81 4 4 29 9 01 4 7 9 0 + 2 5 09 0 5o01 2 73 ，2 71 8 o l2 0 0 l1 3 4 63 4 9 3 滏捂2 布吉溆涎遗淤积橱特性疑分拆 断面编 号及桩淤积断萄分层特缀撼述蒜注 喾 砂夹上层3 5 c m 左右是砂必卵石，并有大量上游5 0 m 左右卵石殿 b 强 4卵褥 建筑垃圾，卵石及建筑垃圾最丈粒径约建筑垃圾较多，下游 4 + 8 7 6 4 0 c m 左蠢：下层l o c m 童要由粗砂缀成，5 0 m 左嚣淤积秘与该 砂从上至下均有少量生灞垃圾，水有岚咪。断面类似。 厚度9 5 c m ，淤积物为砂夹爨五，并蠢少嚣处子滋道弯段，上、 量建筑域圾，上层4 0 e r a 左右的砂艨较下游5 0 m 有较大区 b j h 3砂夹 粗，下层5 5 c m 左右的砂层较细，上层别，上游淤积物较薄， 2 十3 8 4 卵嚣 夹有生滔垃圾，河水璧爨色，有臭昧。约7 0 e r a ，嚣块较多， 下游淤积物较厚，约 1 5 m 左农。 该断嚣出上至下呈砂淀一砂一渡夹土下游5 0 m 淤积甥 毒 签避盔兰堡主兰壁熊塞一 砂层，簿度分别戈5 0 e m 、l o c m 、5 5 e m 、 况麓该断面类l 默。整 b 珏 2泥1 5 c m 。砂泥被污染成黑色、砂中基本不 个断面两岸有较多臼 0 + 9 0 0砂舍溅，以粗砂为擞，泥层中宙绷砂，砂色嫩活垃圾及纤维。 泥层中，上半部分较缨，下半郝分玻粗。 各藤含有少量生活垃圾及纤维。河水有 浓臭味。 砂该断蕊自上两下撼砂一渥一砂涯一砂上下游5 0 m 淤积妨馕 泥溉夹层，厚发分涮为5 0 e m 、4 0 e m 、况岛该断面类戗。下 b j h 1砂5 5 e m 、3 5 c m 、2 0 c m 、2 5 c m 。砂泥层中游淤积物厚度达到 o 2 5 0泥 含餐大星生活垃毅及绥维，砂被染成黑2 。5 m ，上游淤欷锡厚 砂色，戳中粗砂为主，水呈黑龟，有浓臭度约1 8 m 。 泥味，并时有气泡上冒。 自上袭可努辑褥懑，毒吉河沿疆河道淤积与城区的位鼍露关，篱单分橱翔下： 深圳河入口至笋岗桥南长2 2 4 8 3 1 m 为深圳特区内布吉河下游。此河段居民区、 商业区众多，生活垃圾的排放量较太；但此河段受深圳河的涨潮、落潮的影响更大， 淤积耪囊要是垒滔皱缴稻鬻永带潮豹泥涉；另辩，度嘏靖上游淤积勃在洪承豹作弼 下也有少量被冲到下游，造成下游淤积严重。2 0 0 0 年底清淤以前此段淤积量为 1 0 3 9 4 5 6 4 m 3 ，占整个布吉河淤积总爨的6 0 8 ，褥该河段长必蠢2 6 9 0 m ，是总河遂 长度静3 3 。 笋岗桥南至泥岗桥南长1 9 9 9 5 4 m ，可视为深圳特区内布告河中游。此河段左岸 为洪湖公园，右岸为势岗仓库区，淤积物主要为秒热劈石和少爨的生活垃圾，小粒 径淤袄物浓瓣降要l 下游，由于豫辩段设有沆渗滟，也淤积了少爨泥涉。该蔽淤积量 为3 8 6 9 4 9 6 m 3 ，占淤积总量的2 2 6 7 。 泥鼯矫南至布吉耩东长3 4 1 1 8 3 m ，可视力深鞠| 特区内蠢密海上游。忿溺段位于 深髫i | 帝激的j 端，入弱密集黪布寄镇下游，圭簧淤积耪为建筑垃圾和由于水士流失 造成的粗砂。该段淤积量2 8 0 6 7 4 0 ，占淤积总激的1 6 4 4 。可以预见，随着清淤 工作盼完罄程水土保持措施的加强以及城市开发建设趣模的减小，毒吉海上游鹁淤 积获况将明显好转。 1 7 茎坚奎塑主兰垡笙圣 4 模型设计及制作 4 1模型设计的熬本构思 试验海蔽耩予感灌游羧，拳流滚态极度紊熬。溪蹬戆淤稷圭要楚海潮簧豢聚瓣 粒径很细的懋移质泥沙，和极少量的从上游带来的擞活垃圾。模溅除要求满足水流 运动相似以外，还要保证漉沙运动相似。为了在有限的条件下取得最佳的试验效果， 摸墅宣采翼l 变态壤鍪，挨蹩涉应凑足爨移覆运裁麓稳辍援律。 4 2 试验模拟范围 要傈证试验成采的猴确性和可靠设，必须骰翔河道模型，乙霄、运动、动力相似 性。由于所攫模拟的平面尺度远大于藏向尺度，所以若作正态模裂，贝4 势必要求将 模型傲得缀大。掰致本攘激斑采曩变态模型。取平搿魄只为1 ：5 0 ，垂囱比尺必1 ： l o ，变态率为5 。贝4 模黧娥模大约占蛾为1 6 5 平方米、约1 2 米商。具体的布瓣觅 图( 1 - 2 ) 。 4 。3 福戗条件 由于试验河段为感潮性河口，水流流态紊乱、水流方向随潮流周期而变化、流 熊遴薅滚罚麓豹交兹瑟交纯、嚣叠嚣涉戆运魂簧l 雯嘉嚣炭杂，强丙试狻难度大。壤搀 目前在动床试验方面的多年研究成果，考虑试验水沙特点，取用以下河工动床模型 的相似条件开展模型设计。 鬣重办秘叛条俘琴簿流速琵足： 丑= 矗 ( 5 ) 从阻力稠似条件可得糙率比尺： 五= 拶篾 水流运动辩间相似条拌： 茎堡盔堂窭主兰笙笙奎 = 砉= 去一e 蚴 由以上备式可以推导出： 气= 番= 警 由实践裟明，对于河z 模型试验中既想要满足冲淤相似同时又簧满足重力相似 和阻力相似准则是相当豳难的，有时程麓力相似条件和阻力相似条件之间必须允许 密望傣差。鼹由t - 在毒杏涎潺i z l 魏混沙淤积主要是凌予缨枣魏悬移葳雩| 起，繇软， 在泥沙运动的模拟以悬移膜为主。 悬移质逡动的相似主要是要求悬移质运动过程中泥沙悬浮和沉降的相似( 融括 含涉量垂线转蠢豹耱强弱蠢涉量港程滋薄交琵熬稳议) 帮瘩滚挟沙簸力魏穗毅。毽 在河床的冲淤变化过程中混沙既有悬浮有可能有起渤，因此一般还是以起动相似为 主。 覆黪懋浮窝嚣终糖叛条箨，碍凝攥紊凌扩教壤论获褥型瓣攘涉寒滚运动戆基 本方程导出。三维非恒定撩移质泥沙的运动方程为： 毒= 吾b 訇+ 茜( 岛善 + 夏0 。( g 。o 夏s + 要汹) 一掣一掣一掣 ( 9 ) 钾、7 。x钾钯 式孛：s 秀含耋；氐、岛、分期尧本淀拳擎、垂凌衰横囊三争垒橱方崮 的泥沙紊动扩散系数：掰为泥沙沉速；u ：、u ，、u ：为x 、y 、z 三个坐标方向的时 均流速；t 必辩闯；方程式等号静左侧壤魏攀寝蹿阉凌蕈位求舔熬含沙量交织， 等号右侧前三颂为单位时闯内育扩散傣用引起的进出单位水体的含沙量变化；簿学 右侧第四项为单位时间内混沙沉降引起的进出单位水体的含沙量擞化；等号右侧艏 三顼为单位瓣阉建由曼雩均滋速亨| 莛豹避艇攀整承薅懿会沙耋交豫。 对于二缎恒定的x 方向的悬沙运动来说，x 方向紊动交换影响较小，假设一o ， 则基本方程w 简化为： 1 9 武汉大学稿学位论文 昙( 岛豺掣+ 昌啡。 进行模激试验时，上式即可用于原型也应适应于模型， 三f 一熟剐+ 垫出。 瓦p 瓦厂焉+ 百刈 孤o ( , a s 丁：f i 掣+ 掣= 。 姿模鍪黧羰蝥摇秘辩，瘟骞： 岛”= 置唧s 鲫s p = s 。u 瑚世九u 瑚 q 2 丸x p 一九x 。y ，= 丸y 。 代入( t 1 ) 式，整理w 褥： 瓮毒 岛剽一按掣+ 掣= 。 禳据稠傲原理，式( 1 3 ) 和式( 1 2 ) 两者应是致鲍， 比尺系数应撼于1 ，即： 所以可写出： ( 1 0 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 因此鼗( 1 3 ) 中的备颁 去 ) 和器。 上两式魏楚悬移魇输移模型试验审驻型和模型遮澍悬浮和沉降相似需要满足 的两个相似条件。 下嚣对遗两个相似条传分别论述。 “于式n 4 埔浮相似条件袭_ 1飞l 对于紊滚孛淀沙扩教系数电一般多弦援等予承滚动量扩教系数气，显露势： 气鲁 ) 由鼗，雨攥壤晕囊。 互：盘玉 以 以屯 因为：九= 1 ，所以上式可写为 去玑吼。= ( 爿。 i 以l k u 。，。l k u 。 ( 1 7 ) ( 1 8