（水利水电工程专业论文）永定新河清淤问题研究.pdf

中文摘要 清淤工程是投资较大，占用土地资源较多的工程，牵涉到技术、经济 及其对环境的影响等多方面的问题。为了保护珍贵的土地资源，减少投资， 提高工程效益，有必要在设计和施工之前通过大量的研究分析，研究清淤 效果，提出最佳的设计和施工方案来实现上述目标。 本文阐述了国内外清淤技术发展现状及清淤效果分析，针对永定新河 清淤工程中存在的实际问题，以资料分析、现场观测和取样分析、室内实 验、数学模型计算、计算机技术等为主，运用水力学、河流泥沙基本理论、 土力学原理及数值分析方法进行了综合分析研究，探讨永定新河清淤效果 及较优的清淤设计断面，解决永定新河清淤工程中排泥场的设计和使用问 题，保证清淤作业顺利实施，充分发挥排泥场的工程效益。主要内容有： 1 、阐明永定新河水流泥沙特性、河床演变过程、河道清淤情况及回淤 预测，指出排泥场工程现状及存在的问题。 2 、建立维非恒定水流数学模型，开发了清淤设计及综合分析系统， 包括泄流能力计算、分段清淤效果计算、清淤断面设计、淤积量计算等功 能，通过界面操作。使用方便，适应性强。 3 、计算了历次清淤对河道水位、泄流能力的影响，分析了清淤效果。 设计了多组清淤方案，通过计算多方案的泄流效果及经济指标分析，推荐 较优的清淤方案。 4 、对不同河道原状淤泥、老排泥场淤泥分层取样，测定其土力学指标， 分析河道原状淤泥沿程及沿深度的物理特性、排泥场淤泥固结特性，为清 淤设计提供基础资料。 5 、结合正在进行的清淤工程，对排泥管出口，新排泥场淤泥取样试验 分析，分析不同的船型，不同的设备排泥含水量及容量，为改进施工工艺 提供参考。 6 、针对不同含水量的淤泥，做室内沉降实验，观测计算沉降速度、容 重、含水量的变化，建立排泥场淤泥物理特性指标与沉降时问的回归方程。 7 、推导出计算排泥场发计容量的数学方程，并结合永定新河的实际情 况，根据取样试验、室内实验的结果，推导出计算永定新河排泥场设计容 量的经验公式。对永定新河清淤工程的设计、施工、管理提出合理性建议。 关键词：清淤 泄流能力淤泥特性排泥 a b s t r a c t t h ed e s i l t i n gp r o j e c tc o s t sm u c ha n do c c u p i e sm u c hs o i lr e s o u r c e i t i n v o l v e sm a n yp r o b l e m ss u c ha st e c h n o l o g y ，e c o n o m i c sa n da f f e c t i o nt o e n v i r o n m e n t i no r d e rt op r o t e c tt h er a r el a n dr e s o u r c e r e d u c ec o s ta n d p r o m o t et h ep r o j e c te f f i c i e n c y ，i ti sn e c e s s a r yt ob r i n gf o r w a r dt h eb e s t d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nb l u e p r i n tt h r o u g hl a r g ea m o u n to fr e s e a r c ha n d a n a l y s i sb e f o r et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n m a n y d o c u m e n ta r er e a da n de o n c u l s i o n so ft h er e s u t sa n d d e v e l o p m e n ta r e aa b o u te s t u r ys e d i m e n ts t u d ya r ed r a w n p r e s e n td e s i l t i n g t e c h n o l o g ya n dd e s i l t i n gb e n i f la r ea n a l y z e d ，s oi ti sf u l l yu n d e r s t o o da b o u t t h es t u d ys h b j e c t a c c o r d i n g t ot h e e x i s t i n g p r o b l e m o f d e s i l t i n gp r o je c t o f y o n g d i n g x i n h er i v e r ，t h em e t h o d so fi n f o r m a t i o na n a l y s i s 、 f i e l d o b s e r v a t i o n 、s a m p l ea n a l y s i s 、p h y s i c a lm o d e l 、n u m e r i c a lm o d e l 、c o m p u t e r t e c h n o l o g ya r ea d o p t e d ，i n c l u d i n go fh y d r a u l i c 、s e d i m e n t i o n 、s o i lm e c h a n i c s t h e o r y ，i no r d e rt op u tf o r w a r dt h eb e n e f i to fd e s i l t i n go fy o n g d i n g x i n h e r i v e ra n do p t i m u md e s i g n e dd e s i r i n gc r o s s s e c t i o n t h ep r o b l e mo fh o wt o d e s i g na n du s et h es o i ld i s c h a r g i n gf i e l d sb e s ti ss o l v e di nt h i sp a p e rs ot h a t t h ed e s i l t i n gp r o j e c ti so p e r a t e ds m o o t h l ya n dt h es o i ld i s c h a r g i n gf i e l d si s f u l l yu s e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e ： 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ra n ds e d i m e n to fy o n g d i n g x i n h er i v e r 、t h e p r o c e s s i n go f r i v e r b e dd e v e l o p m e n t 、t h es t a t i o no fd e p o s i t i o na r e d i s c u s s e d ，t h ep r o b l e mo fd e s i l t i n gp r o j e c ti sp u tf o r w a r d 2 1 一du n s t e a d yn u m e r i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ，t h es y s t e mo fd e s i l t i n g d e s i g na n da n a l y s i si sd e v e l o p e d t h ec a l c u l a t i o no fd i s c h a r g e 、b e n i f i t o fd e s i l t i n g 、c r o s s s e c t i o nd e s i g n 、q u a n t i t yo fd e p o s i t i o nc a nb e r e a l i z e t e dt h r o u g ht h ei n t e r f a c e 3 t h ea f f e c to fp a s td e s i l t i n gp r o j e c t so nw a t e rl e v e l 、a n dd is c h a r g eis c a c u l a t e d ，t b eb e n e f i to fd e s i l t i n gi sa n a l y z e dm a n yd e s i l t i n gp l a n sa l 。e d e s i g n e da n do p t i u mp l a n isle c o m n l e n d e db yc a c u l a t i n ga n dc o i t l p a l 。i n g t h ed i s c h a r g ea n de c o n o m yb e n e f i to fm a n yp l a n s 4 s i l ts a m p l e sf r o md i f f e r e n tr i v e r b e da n ds o i ld i s c h a r g i n gf i e l d sa r et a k e n a n dt h e i rs o i lm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sa r et e s t e d ，t h ep h y s i c a lf e a t u r e o fs i l ta l o n gt h er i v e ra n dt h es o l i df e a t u r eo ft h es o i ld i s c h a r g i n gf i e l d s a r ea n a l y z e ds ot h a tt h eb a s i ci n f o r m a t i o no fd e s i g nc a nh ep r o v i d e d ， 5 c o m b i n i n gw i t hp r e s e n td e s i l t i n gp r a c t i s e ，t h es i l ts a m p l e sf r o mo u t l e t o fp u m p i n ga n dn e ws o i ld i s c h a r g i n gf i e l d sa r et a k e na n dt e s t e d ，w a t e r c o n t a i n m e n to fs i l td i g g e db yd i f f e r e n tb o a t 、d i f f e r e n te q u i p m e n ti s a n a l y z e dt op r o v i d er e f e r e n c ef o rd e s i r i n gd e s i g n 6 a c c o r d i n gt od i f f e r e n tw a t e rc o n t a i n m e n to fs i l t ，p h y s i c a le x p e r i m e n ti s o p e r a t e d ，t h ec h a n g e so fs i n k i n g r a t eo fs i l t 、c o n t a i n m e n t 、w a t e r c o n t a i n m e n ta r eo b e r s e v e da n dc a l c u l a t e d ，e q u a t i o n sa b o u tt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e np h y s i c a lf e a t u r eo fs i l ti nt h es o i ld i s c h a r g i n g a n dt i m ea r ee s t a b l i s h e d 7 m a t h e m a t i c se q u a t i o n sa b o u td e s i g nc o n t a i n m e n to fs o i ld i s c h a r g i n g f i e l da r ee s t a b l i s h e d ，a c c o r d i n gt od e s i l t i n gp r a c t i c e so fy o n g d i n g x i n h e r i v e r ，e x p e r i e n c ef o r m u l ao fd e s i g nc o n t a i n m e n to fs o i ld i s c h a r g i n g f i e l di s g i v e na c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs a m p l et e s t i n ga n dp h y s i c a l m o d e l a tl a s t ，t h i sp a p e rg i v e sr e a s o n a b l es u g g e s t i o n sf o rd e s i g n 、 c o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to fd e s i l t i n gp r o je c to fy o n g d i n g x i n h e r j v e r k e yw o r d s ：d e s i l t ；d i s c h a r g e ；c h a r a c t e r i c so fs i l t ；s o i ld i s c h a r g i n gf i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 独狮 签字日期：解， 月p 曰 学位论文舨权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：之岳面f导师签名：看符宝 签字同期：枷驻年， 月砷同 签字i 期：侧夸年1 1 月仞r 第一章概述 第一章概述 1 1 国内外河口泥沙研究的进展 1 1 1 河口泥沙运动的基本情况 河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。如：长江口的航道整 治【l 、黄河口造陆过程和湿地演型酮、海河口的河道萎缩等等，尤其是近年来关于河 口生态环境与泥沙输运过程的关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的 研究。河口地区，径流、潮流、风浪共存，水流、泥沙运动均具有很强的非恒定性，非 恒定输沙也正是未来泥沙科学发展的主要生长点之一 8 叫。 河口淤积萎缩是近年来出现的个严重的泥沙问题。海河水系和黄河流入渤海，其 中海河水系包含了十几条天然和人工的排洪入海河道，如蓟运河、永定新河、海河、子 牙新河、徒骇河、马颊河等。二十世纪7 0 年代以来，海河水系诸河径流量大大减少， 这主要是e 游6 0 0 多座大大小小的水库拦蓄河水，人民为了生产生活大量引水的结果。 此外，几乎所有的河口都建了挡潮闸，挡住海潮控制盐碱化和蓄存淡水。虽然海河水系 诸河上游来沙很少，每年不过2 0 0 万吨，但海e 来沙量很高。研究发现渤海湾沿岸有一 个高含沙混浊带，是波浪把淤泥质海岸泥沙掀起形成的，风浪越大混浊带越宽。这些泥 沙在风浪和潮流作用下，从渤海湾搬运进各河口沉积下来。涨潮时高含沙量的水进入河 口到闸下淤积，退潮时较清的水流出河口。如此往复作用造成闸下严重淤积。由于这些 河流几乎没有径流冲沙，河口迅速萎缩，整个海河水系所有河口综合排洪能力3 0 年来 下降了一半。例如永定新河河口段每年淤积率达到3 6 4 万m 3 。为了防洪，每年必须把闸 下淤泥清除，以便洪水到来时能正常开闸排洪，为此渤海湾诸河口每年需疏浚千万m 3 。 显然，疏浚不是一劳永逸的解决方法。建议在各河口两侧修建双导堤隔断高含沙带，导 堤至少5km 长，延伸到深水海域，那里的水都是清水。如此割断了沿岸高含沙混浊带， 既挡住了浑水进入河口，又在一定程度上稳定了海岸。解决渤海湾诸河口淤积萎缩的其 他措施如纳潮冲淤及增设双挡潮闸等也正在研究中。 归纳起来，泥沙研究的对象主要分为推移质和悬移质两大类，而在大多数实际问 题中，悬移质泥沙更为重要。悬移质运动的研究内容主要包括：边界层内的水流行为、泥 沙沉降的机理、泥沙扩散的规律、泥沙起动以及底沙与悬沙交换的机理等。本文主要就 第一章概述 河口泥沙运动所涉及的这些基本理论问题的研究现状及迸展作一简要评述。 1 1 2 淤泥动力学的现场观测 在第六届近海与河口粘性泥沙输移过程国际研讨会上，许多专家提出了淤泥动力学 的现场观测理论和方法。 瑞典g o l e b o r g 大学地球科学系的r l s t t e v e n 研究了两个无潮港口的泥沙源与通量问 题。他们对g o l e b o r g 港进行了极其细致的研究( 5 0 2 0 0 个取样位置) ，以描述低潮环境 的变化。采用方法包括：1 潮声学方法对泥沙进行监钡4 和取样以获取沉积的厚度和特性； 2 ) 解释物理过程；3 ) 分析地球化学1 顷向；4 ) 使用联合数据库对过程和结果进行定量分析；5 ) 在g i s 范围内获得个概化模型。荷兰的e j h o u , x 4 n g 和w l d e l t k t - i y d r a u l i c s 的 i c t a n c z o s 与m 3 d e v r i e s 莠硼现场与实验室方法，在多种水流、波浪、水深和植被隋 况下测量了流速的垂向分布、湍流和漩涡的扩散情况。现场狈9 量揭示：1 ) t h n 、波浪、悬 沙浓度和水生植物之间的关系；2 ) 波浪运动与悬沙浓度之间存在直接联系。对这些数据分 析后证实，悬沙浓度的增大是由当地床体的侵蚀引起的( 不包括水平输移) 。实验数据已 经用予强正1 d v ( 垂向铂水动力泥沙沉积模型。根据现场测量和实验室试验可以得出 这样的结论：1 ) 观察到的浑浊带水平梯度的巨变主要是由于当地波浪运动的减弱引起的 床体泥沙再悬浮的减弱；2 ) 由于水生植物的糙率影响，会导致水面升高和产生与波浪传播 方向相反的水流，会进一步增大浑浊带梯度。 i 0 - i 2 1 1 3 近床区泥沙运动机理 泥沙起动是泥沙输运最重要的动力学过程之一，传统的研究是从床面泥沙的受力 平衡出发，推导泥沙的临界起动剪应力或流速。近期的研究将泥沙起动的间歇性与湍 流的猝发现象联系起来。尤其是，n i o n i y ，e t a l ( 1 9 9 6 ) 乃噪用天然沙进行的实验研究进 步证明了泥沙起动与湍流猝发的喷发事件密切相关的事实：一方面，泥沙颗粒集中在低 速条纹附近，这显然与湍流边界层中反向旋转的成对流向涡结构有关，这些泥沙积聚 所形成的条纹的几何尺寸与湍流猝发的条纹特征一致；另一方面，泥沙颗粒喷射的角 度1 0 。2 0 。，与低速条纹抬升形成由集中展向涡构成的剪切层的倾角1 4 。极其相似。 这充分说明了泥沙起动与湍流喷发事件的密切关系。河口区近底泥沙运动还具有波流场 中泥沙运动的特征。波浪对泥沙运动有重要影响。原则上讲，一旦波流场中床面的剪应 力得以确定，单向流中很多关于泥沙运动与床面剪切力关系的理论和经验都可直接移植 第一章概述 到波流场中泥沙运动的研究中来1 “q 。由于波运动存在着流速和压力的同期性振荡，泥 沙颗粒和惯性作用，相对显著起来，其运动不再仅依赖于水沙运动的状态，而更主要的 是与水沙运动的过程有关。 悬沙底沙的交换机理，也即近底部泥沙的沉降通量d n 和上扬通量勘的描述，是 泥沙运动力学最重要的基本问题之一，是泥沙模型的重要基础。窦国仁，韩其为w z - 2 2 进行了系统的研究。 1 1 4 泥沙沉降 泥沙沉速是标志泥沙运动特征的一个重要物理量，影响泥沙沉速的因素很多，如： 颗粒的形状、比重、液体含盐度、含沙量、湍流强度、液体的物理化学特性、温度等等。 研究泥沙沉降运动应区分两种不同的形式：单颗粒沉降和群体沉降。对于单颗粒沉降，可 将泥沙视为球体，通过重力和阻力的平衡关系推出沉速公式。河口区泥沙的粒径很细， 受盐水环境、水体和泥沙本身的电化学性质及吸附作用等的影响，泥沙极易絮凝成团， 其沉降运动不再具有单颗粒沉降的规律，而是聚集成团，整体沉降。 1 1 5 泥沙输运模型 泥沙输运模型可分为：单相流体模型和水沙两相流模型，工程应用中以单相流模型为 主。单相流模型中，悬移质运动由被动标量的对流扩散方程描述。求解泥沙输运模型的 关键在于如何确定近底泥沙边界条件。关于泥沙近底条件的提法还没有公认的模式，但 归纳起来可分为以下几种。 1 、平衡输沙模式 这是最简单的泥沙输运模式，只有在严格的恒定均匀流条件下才可成立。在该模式 的严格假定下，底床处于不冲不淤的动态平衡状态，近底泥沙的上扬通量和沉降通量相 等。同时，泥沙浓度剖面不随时间、空间变化，近底泥沙浓度为一不变量，称之为平衡 近底含沙量。 2 、恒定非平衡输沙模式 在恒定水流条件下，如果泥沙的来源不足，如底床不可冲刷或上游来清水等，或者 上游来水含沙量过高，则平衡输沙将被打破，含沙量沿程变化。近底泥沙净通量为零， 即平衡输沙的条件。 第一章概述 3 、非恒定非平衡输沙 非恒定非平衡输沙是自然界中普遍存在的真实的泥沙输运模式。现有泥沙运动的理 论对此种模式近底边界条件还无法准确描述，只能作某些近似的处理【2 3 2 4 】。 p a r t h m t i a d e s e ( 1 9 6 5 ) 瞄1 区分床面临界起动剪切力和临界沉降剪切力的概念，认为当床面 剪切力t 超过临界起动剪切力时，床面泥沙被冲起；当床面剪切力t 小于临界沉降剪切力 时，泥沙将沉降到床面：当- g 介于临界沉降剪切力和临界起动剪切力之间时，床面处于不 冲不淤的动态平衡状态。 1 1 6 我国泥沙研究趋势 1 、泥沙理论和模型检验 泥沙理论和计算方法主要是在实验室简化条件下发展起来的，根据这些理论建立了 数学模型和实体模型，原型验证的资料很有限。一个重要的问题是我们现今的泥沙研究 水平和预测方法究竟有多可靠。三峡工程是中国泥沙最为集中的应用研究项目，大量的 观测资料将检验现有的泥沙理论和研究方法，大大推动泥沙科学的发展 2 6 。 2 、非恒定流输沙 目前采用的河流泥沙动力学公式都在恒定条件下得出来的。但自然条件下，泥沙都 是在非恒定流中输送的。随着人们认识的深化和应用领域的拓宽，这个矛盾愈来愈突出， 必须建立非恒定流输沙理论。口7 。2 目 3 、环境泥沙学 影响水环境的物理、化学和生物过程都受到泥沙的决定性作用。吸附在泥沙表面的 重金属、有毒物质、营养物质随泥沙迁移，而又随时可能泽放出来造成污染。垂洲 需要 研究确定对环境影响大的泥质指标，如泥沙耗氧量，重金属吸附量，营养物质含量等， 发现泥沙与水体之间营养物质和溶解氧的交换规律。国外学者在环境泥沙学研究方面已 经作了很多工作，他们提出了各种计算水体与底泥营养物f 氨、氮、磷、硅、溶解氧) 及 重余属( 钙、镁、铁和镉) 的交换通量模型跚。例如模拟泥沙耗氧量从氧平衡反应出发， 考虑底泥中硫、甲烷和溶解氧对底栖生物的作用，将有机物分成三个反应等级，以模拟 有机物矿化的不同的时间尺度。这些模型仍然是很初步的，但随着科学发展和人类对环 境健康的要求，环境泥沙学将很快发展起来。 第一章概述 4 、生态泥沙学 泥沙运动对河道生态环境、河口三角洲和湿地的消长极为重要。美国曾利用水库人 造洪峰输沙为多种生物种群创造栖皂地。湿地的n 成- x n 消失直接决定于泥沙的冲淤，泥 沙在湖泊海岸带泻湖口的淤积和冲刷可以改变生物栖息地的生存条件。湿地和河边生态 环境的生态泥沙模型是一个重要的研究方向。 3 0 - 3 2 1 人类干扰可将系统从一个状态改变到 另一个状态，所要施加的应力决定于离目标状态的距离和流域的植被一侵蚀动力学参数。 应用这一成果可以预测植被发育过程，回答多久和多大治理强度才能达到山川秀美。 5 、经济泥沙学 泥沙在不同的地方有不同的价值，淤积在水库里造成库容损失，而在河口造陆自魄0 造经济效益。钱正英在1 9 8 8 年就提出了黄河泥沙资源化问题p 3 1 。定义泥沙增值量为泥 沙运动造成的所有经济价值的变化之和。1 9 9 6 年黄河河口段人工改道汊河，使泥沙淤积 将海上油田改变成陆上油田，也产生很高的泥沙增值量。泥沙的运动总是伴随着泥沙增 值量的变化。研究泥沙增值量的变化规律将为治河治沙带来新的思路。 1 2 国内外清淤技术及清淤效果分析 1 2 1 泥沙淤积的影响 1 、水库泥沙於积 在河酋e 筑坝形成水库，造成库区淤积，这是普遍l 生的规律。1 9 5 6 年，新西兰的克 卢萨河修建了罗克斯堡坝用来蓄水发电，坝上游形成的水库称罗克斯堡湖。1 9 5 6 1 9 9 2 年，罗克斯堡湖逐渐被来自上游的泥沙淤渊3 司。 罗克斯堡湖底勘测始于1 9 6 1 年，此后直到2 0 0 0 年，又进行了数次复测。勘测数据 表明，在邓斯坦湖蓄水前，罗克斯堡湖约淤积5 1 万立方米的泥沙，平均淤积速率1 4 2 万立方粕年，这相当于已损失了4 4 的库容。泥沙淤积对发电没有任何影响，但大大 影响了位于罗克斯湖上游湖岸的亚力山大镇的洪水位，在正常流量及运行条件下，罗克 斯堡坝前水位为1 3 2 米，亚力山大镇水位通常约为1 3 25 米。在洪水期间，由于湖面狭 窄和流速较高，罗克斯堡湖的上游湖段具有河流的特性，从而导致亚力山大镇水位上涨。 罗克斯堡湖的平均入流量为5 1 0 立方糟秒。1 9 5 7 年，在罗克斯堡湖蓄水后不久， 第一章概述 发生了流量2 5 7 0 立方粕秒的大洪水。使亚力山大镇水位达到1 3 6 6 8 米，而在1 9 9 4 年， 一次流量2 3 4 0 立方射秒的较小洪水使其水位高达1 4 0 5 3 米。在2 5 7 0 立方米j 少的相同 洪水流量下，泥沙淤积影响使得1 9 9 4 年的水位比1 9 5 7 年上涨了3 9 米左右。 我国在大中小河流上修建的水库，基本上都发生淤积，尤其在多沙河流上，淤积非 常严重，月_ 江口水库从1 9 6 0 年滞洪到1 9 9 3 年3 3 年中，累计淤积1 4 1 7 亿立方米，占 整个库容的8 1 p q 。官厅水库1 9 8 5 1 9 9 5 年十年期问实测水库淤积泥沙约2 2 6 百万立 方米，平均每年约淤积泥沙2 2 6 百万立方米【3 刀。泥沙淤积所损失库容相当于新建一座中 型水库，可见泥沙淤积的危害之大。 2 、河道及河口清淤 长江上游年产泥沙5 1 2 1 0 8 t 经宜昌入中游，长江中游干流及各支流年产沙约 o 8 0 x1 0 8 t 这两部分中约1 2 4 xl0 8 t 沉积于中游河湖中，4 6 8 1 0 8 t 经大通输入下游， 沉淤于河道及长江三角洲或入海。长江中游的泥沙，总体是淤大于冲，干流断面冲槽淤 滩使长江中游河道的典型形态呈深河谷、高漫滩，靠干堤保护堤内平原。这种断面在洪 水时成为在同等水量下，水位不断抬高的原因”。 我国河口淤积也是非常严重，特别是海河流域由于多年来下泄径流减少，海相泥沙 随潮流e 溯淤积河口，情况非常严重。 漳卫新河河口为长引河建闸河口，潮水可直接上溯到辛集闸闸下。泥沙淤积首先从 近闸段开始，随着淤积的抬高逐渐形成严重淤积段，严重淤积段逐年向下游发展，加快 了下游河道的淤积。根据3 0 年资料统计，闸下河道淤积总量为1 7 4 2 万立方米，年均淤 积量为5 7 7 万立方米。从淤积纵向形态看，淤积从上游向下游发展，河床堆积抬高幅度 从辛集闸向下游呈递自i 造势，河道上段淤积最为严重，中段渐缓，下游段出现回淤。从 横断面淤积形态看，淤积物主要分布在主河槽内，呈现出主槽河床抬高，主河槽宽度减 少，严重淤积段的新滩面高程达到2 0 米d g 。 予牙新河自1 9 6 7 年建成海口枢纽，主槽挡潮闸上1 5 h n ，闸下3 6 k i n ，青静黄挡潮 闸上1 0 h n 闸下2 4 7 h n 发生了严重的淤积。截止到2 0 0 2 年累计淤积8 2 5 万立方米。而 且子牙新河口为海陆双向河口，当年 青淤后来年又发生回淤。据1 9 7 0 - 1 9 7 6 年回淤睛况 统计，河口年回淤量为4 2 万立方米m 】。 独流减河口从1 9 6 7 1 9 9 8 年3 月，闸下2 0 k r a 以内主槽累计淤积1 3 9 2 万立方米。2 2 k i n 范围内河道总淤积量达1 6 6 j 立方米( 未计入每年汛6 们青淤量) 平均淤厚累计3 米厶二右， 第一章概述 尤以近闸段最为严虽笋”。 3 、泥沙淤积的影响 泥沙淤积主要影响为吲氐行洪能力，减少有效库容，破坏生态环境。例如子牙新河 河口主槽挡潮闸设计水位1 6 5 米时设计流量3 0 0 立方米渺，由于闸上下的严重淤积， “9 6 8 ”洪水中，在设计水位1 6 5 米时过流能力仅2 0 立方湘秒，独流减河1 3 行洪能力 从设计的3 2 0 0 立方粕秒下降到现状的2 0 0 0 立方粕秒。 1 2 2 清淤技术及清淤效果研究 1 、防淤减淤措施种类 目前我国泥质河口防淤减淤措施种类不少，但主要的有两种。一种是建挡潮闸，用 来防潮挡淤，属于防淤措施，在2 0 世纪5 0 - 7 0 年代采用较多，另一种是机械清淤( 一般 为绞吸式挖泥船) ，该方法属于减淤措施，目前用得比较多。两种措施虽都有有一定的 防淤减淤效果，但都有有其弱点。建闸挡淤一次l 生投资大，而且建闸后闸下仍有一定量 的淤积。机械清淤( 挖泥) 效果较好，但需要年年汛前重复清淤，且需要大量排泥场。 因此，人们在探索新的防淤减淤措施上下了不少工夫，采用了机械拖淤、纳潮冲淤、导 堤工程、生物工程、网坝工程和橡胶坝工程等。 2 、防淤减淤措施效果分析 机械清淤( 挖泥) ：机械清淤一般情况下采用绞吸式挖泥船清淤。该方法是通过绞 刀把泥浆吸入刀筒内，然后通过输泥管把泥浆送入排泥场，减淤效果非常显著。1 9 8 0 年以来，在海河口、永定新河口和独流减河口一直采用此方法清淤。 机械拖淤：机械拖淤方法，在海河流域处于实验阶段，最常见的大致有两种，一是 用拖轮螺旋桨直接搅切淤泥，一是用拖轮拖带清淤耙具搅扬淤泥，搅起来的淤泥均靠落 潮流带走。该方法在江苏河口、黄河口、海河流域河口都有过试验与实践，有一定效果。 纳潮冲淤：该方法在子牙新河口进行过几次试验，由于潮差较小，效果不太理想。 导堤工程：该工程在国外采用得较多，我国长江口、珠江口、钱塘江口和甬江口等 河口，也都或多或少采用了导堤工程来进行河口导流或防淤减淤，春e 起到较好的作用。 生物工程：目前，用于防淤减淤的生物工程措施主要有大米草、互花米草两种。海 河口和子牙新河口都作过试验，效果不太理想。 网坝工程：这是近年发展起来的一项新技术。二十世纪7 0 年代开始，上海、江浙 等地已在海滩一i - 进行了试验，取得了一定效果。 第一章概述 上述方法为目前我国较常采用的或将采用的几种防淤减淤措施，都有一定的效果。 但都需要适应各自的条件与要求。因此，在应用时要因地制宜。 3 、防淤减淤对策的探讨 防淤减淤原则。据前面分析，河口所处地理位置、边界条件以及经济实力等条件不 同，所采取的防淤减淤对策也不同。因此，在选择对策时，要考虑以下原则： 第，必须给出足够的河口宽度，特别是对大泄量河口来说，以保证行洪过流断面； 第二，根据河口的潮汐特点、排洪排涝要求、边界条件以及当地的经济实力统筹考 虑。 不同河口的防淤减淤对策。对所处地理位置非常重要或适宜建港口的河口，可修建 双导堤( 最好结合港口码头) 来进行防淤，如大中城市部位的河口。 对于过流较小、引河较短、断面较窄和水深较浅的河口或河口主槽，可采用机船拖 淤的减淤措施。因为河口水深浅，断面窄，拖淤器械易于满负荷作业，拖淤效果好：同 时，由于引河较短拖悬起来的泥沙易于随落潮流输移到河口以外。像北排河口、子牙新 河口( 主槽) 、陡河口、沙河口等都可采用拖淤方法，况且这些河口都有拖淤的试验经 验。 对于引河较长( 尤其复式河床) 、淤积又特别严重的河口，措施可分两步走。先采 取靠近海边建闸方案，然后再根据具体情况补加其他辅助措施。 对于泥沙颗粒较粗( 相对本流域极细颗粒面言) 、人口较稀少且河口比降稍大的河 口，可采取高水高排方法。 对于淤积量较大、断面较宽且两侧有排况场地的宽阔岸滩( 但征地必须较容易) 的 短弓i 河，应先考虑增扩河口滩地行洪出路，然后再采取主槽挖泥船挖淤措施较为适宜。 当然，每个河口的防淤减淤方式不仅限于采取- - 9 ，往往是两种、三种或是更多种 方式结合或穿插运用，这样可以收到较好的防淤减淤效果。【4 2 卅 张庆华等建立了一、二维连接水流泥沙模型”7 ，用于研究迳流和海洋动力联合作 用下的工程水流、泥沙问题。模拟长河道的一维非恒定流方程采用p r e i s s m a n n 四点隐 式格式离散，一维悬沙方程采用交替网格离散，河口大尺度水域采用拟合坐标下平面二 维模型，正交曲线网格沿边界延伸，对长河道和复杂河口边界的水沙计算具有较突出的 优越性。利用海河口多测点、多测次潮位、流速、含沙量过程和河口清淤回淤量资料对 模型进行了系统的检验，并以此研究了海河口清淤整治方案，推荐清淤方案3 k m ( 长) + 砌n ( 深) 或低1 1 ( 长) 州0 m ( 深) ，垓优化方案已被用于海河口近年来汛枷肯淤- q - - g i ! 第一章概述 设计。 第三，清淤机械的现代化 清淤机械，主要是挖泥船l 生能的改进，也是清淤工程需要研究的一个重要内容。据 不完全统计，全国挖泥船拥有量已迭千余艘，可形成年清淤能力3 亿立方米左右。我国 经过几代人的努力，已完全具备了挖泥船的开发、设计、制造、配套、维修的综合研制 能力。从二十世纪6 0 年代起，己先后研制出粑吸、绞吸、吸盘、链斗、抓斗、铲斗、 斗轮、刀轮等各种挖泥船，基本覆盖国际上的挖泥船品种田- 5 2 。 1 3 研究的目的 天然河道或 、工开挖的河道，受自然因素及人为因素的影响，常常会发生淤积现象， 影响河道正常的泄洪及航运功能，需要进行清淤。特别是北方河口区，由于其特殊的地 理位置和水文气象条件，上游径流较少，河道及河口淤积严重，泄流能力大大俐氐，为 保证防洪安全，往往需要进行应急度汛清淤。河口建闸后会引起闸下的严重淤积，影响 到闸门的正常运行，刚氐泄洪能力。比如天津市北部的永定新河，由于河道淤积，泄流 能力曾下降到不足原设计的2 0 ，经过几次清淤，泄流能力有所恢复，但仍未达到原设 计标准。又比如海河口，从二十世纪7 0 年代开始对闸下进行多次清淤。 清淤工程是投资较大，占用土地资源较多的工程，涉及到技术、经济及其对环境的 影响等多方面的问题。为了保护珍贵的土地资源，减少投资，提高工程效益，有必要在 设计和施工之前通过大量的研究分析，提出最佳的设计和施工方案来实现上述目标。 在不同的河段清淤、不同的清淤设计断面、清相同方量的淤泥，其增加泄流能力的 效果是不样的。永定新河以前进行了多次清淤，但由于没有来水实际检验，难以肯定 清淤效果到底如何。在今后的清淤工程中，在相同的投资条件下，在相同的清淤方量情 况下，如何采用最优的清淤断面，尽可能加大泄流能力，是非常值得研究的问题。 对多年的基础资料进行分析，是一项工作量很大的任务。另外，为了确定较优的清 淤设计方案，需要进行多次的断面设计、泄流能力计算，重复性工作量大，要求设计人 员熟练掌握水力学原理和计算机技术。为了提高工作效率，减轻工作难度，需要建立 套集资料分析、淤积规律研究、泄流能力计算、清淤断面设计、清淤效果分析为一体的 综合分析系统，通过简单的界面操作来完成上述任务。 排泥场地的选择和设计对河口清淤工程的实施非常重要，清淤实践表明，排泥场的 第一章概述 建设和维护占用了大量的工程经费和时间。而且河中的淤泥往往被污染，对周边农田还 会有一定的影响。另外，不同型号的挖泥船、不同的设备、河道内原状土的组成及容重、 向同一个排泥场吹泥的挖泥船的条数、吹泥时间的长短等多种因素都会弼苎入排泥场淤 泥的含水量、容重、排泥场的固结速度产生很大影响。对于淤泥厕可道清淤设计中的一 些参数，比如松散系数，清淤规范中没有明确的规定，只能在清淤实践中摸索经验。如 果排泥场设计过大，会造成土地浪费的现象，如果排泥场设计过小，需要临时紧急修建 新排泥场，影响施工进度，并使投资增加。所以，不仅需要慎重选择排泥场，而且对于 每一个排泥场来说，都要综合考虑各种因素，合理确定技术参数，充分发挥工程效益， 确保清淤工程的正常实施。近几年永定新河的清淤实践充分证明了这一点。 针对这些问题，有必要结合清淤实践，研究清淤效果，设计最佳清淤断面。本文针 对永定新河的淤泥特性开展观测和试验，研究提出科学合理地设计排泥场的方法，用于 今后长期指导清淤工程设计和实践。并且通过该项工作，解决清淤工程实施中的若干泥 沙问题，保证今后安全施工。提高清淤工效。另外，对于淤泥固结技术的研究，还可用 于今后加速排泥场的固结和土源开发，促进排泥场的重复利用。 第二章永定新河清淤概况 第二章永定新河清淤概况 永定新河是1 9 7 1 年人工开挖河道，西起莉季市北辰区届家店，东至塘沽区北塘街 入渤海，全长6 2 公里。永定新阋由于是人工开挖的河道，加上历年柬多次清淤筑埝工 程的实施，其河道演变规律与天然河道不完全相似。本章分析了永定新河水沙挣性、河 道冲淤变化、清淤回淤隋况等。对永定新河的历史、现状及工程有个全面完整的认识， 为治理河道提供依据。 21 永定新河水流泥沙特性 永定新河上游来水很少，1 9 7 2 2 0 0 0 年之间年均入海径流仅1 6 x1 0 、n 3 ，年纳潮量 为2 8 2 3 5 3 x1 m 3 ，年径流量只占年纳潮量的5 左右。永定新裥不仅径流量小，而且 7 憔中在下游靠近河口的潮白新河和蓟运河，因此上游河道受径流动力的控制影响很 刊、t 永定新河河口潮汐强度属于中等，海洋站多年平均潮差为24 3 m ，历年最大潮差为 4 3 7 m ，最小为0 1 3 m 。 渤海湾的潮波传入永定新河河口后，受河道地形的约束、反向和摩阻影响而发生变 形，皱形由前进波向驻波转化，潮波变形的主要特征反映在潮位和潮差变化、涨落潮历 时变化以及潮汐和潮流相位不对称变化。资判分析表明，在口外浅海区，涨落潮历时比 口= 0 8 1 5 ，进入河口后的6 3 + 0 0 0 断面，”= 0 6 4 。进入河口后潮位过程线涨潮陡急， 落潮平缓：流速过程线涨潮峰高、尖瘦，落潮峰小、扁平；潮波波形的不对称，致使涨 潮历时缩短，流速加大，落潮历时延长，流速趋缓。上述现象愈向上游愈突出。 缺乏径流和涨潮流强于落潮流，是永定新河水动力的主要特点。 渤海湾是风暴潮易发地区之一，一百多年资料统计表明，平均每4 年左右就发生一 次风暴潮。河口区的波浪以风浪为主，强度中等。 永定新洲河口区岸滩坡度平缓，口外较大范围分郄着0 , 5 16 m 厚度不等的浮泥层 和新淤泥，容重在1 n 7 8 1 2 7 4 k n m - 3 。在j x 悖和潮流的作用下，极易被掀起悬扬，使 得进入河道的水体古沙量较大，泥沙以悬移形式向上游运动，同时，风暴潮可导致河口 得进入河道的水体古沙量较大，泥沙以悬移形式向上游运动，同时，风暴潮可导致河口 泥沙骤淤。 第二章永定新河清淤概况 第二章永定新河清淤概况 永定新河是1 9 7 1 年人工开挖河道，西起对聿市北辰区屈家店，东至塘沽区北塘街 入渤海，全长6 2 公里。永定新河由于是人工开挖的河道，加上历年来多撼青淤筑埝工 程的实施，其河道演变规律与天然河道不完全相似。本章分析了永定新河水沙特性、河 道冲淤变化、清淤回淤隋况等。对永定新河的历史、现状及工程有个全面完整的认识， 为治理河道提供依据。 2 1永定新河水流泥沙特性 永定新河上游来水很少，1 9 7 2 2 0 0 0 年之间年均入海径流仅1 6 1 0 8 m 3 ，年纳潮量 为2 8 2 3 5 3 x1 0 8 m 3 ，年径流量只占年纳潮量的5 左右。永定新河不仅径流量小，而且 7 4 集中在下游靠近河口的潮白新河和蓟运河，因此上游河道受径流动力的控制影响很 小。 永定新河河口潮汐强度属于中等，海洋站多年平均潮差为2 4 3 m ，历年最大潮差为 4 3 7 m ，最小为0 1 3 m 。 渤海湾的潮波传入永定新河河口后，受河道地形的约束、反向和摩阻影响而发生变 形，波形由静拄波向驻波转化，潮波变形的主要特征反映在潮位和潮差变化、涨落潮历 时变化以及潮汐和潮流相位不对称变化。资料分析表明，在口外浅海区，涨落潮历时比 r = o 8 1 5 ，进入河口后的6 3 + 0 0 0 断面，7 7 = o 6 4 。进入河口后潮位过程线涨潮陡急， 落潮平缓；流速过程线涨潮峰高、尖瘦，落潮峰小、扁平；潮波波形的不对称，致使涨 潮历时缩短，流速加大，落潮历时延长，流速趋缓。上述现象愈向上游愈突出。 缺乏