航道治理 碍航险滩及其特性

航道整治 第二章碍航滩险及其特性 河海学院 赵志舟 第一节碍航滩险的分类 第二章碍航滩险及其特性 第二节平原河段滩险的特性 第三节山区河段滩险的特性 附 浅滩的演变分析 第一节碍航滩险的分类 第二章碍航滩险及其特性 第一节碍航滩险的分类 一般碍航特征 平原河流主要为枯期航深不足 山区河流主要水浅 流急 险恶流态碍航并存 整个水文年均有可能碍航 按碍航原因 滩险的三种基本类型 浅滩 急流滩 险滩 一 浅滩 1 定义航道水深达不到现有航道维护标准或确定整治目标的局部河段 包括湖泊 运河 水网和通航渠道中的浅段 教材定义不准确 河流纵剖面 一 浅滩 2 浅滩的组成 图1 1浅滩的组成a 平面图 b 沿深泓线纵断面 c A B断面1 上边滩 2 下边滩 3 上深槽 4 下深槽 5 沙梗 6 上深槽尖潭 7 下深槽倒套 8 上沙梗 9 下沙嘴 c 鞍凹 8 c 9滩脊 1 按滩形特征和碍航情况分 正常浅滩 交错浅滩 复式浅滩 散乱浅滩 一 浅滩 3 浅滩的分类 2 按河床组成分 石质浅滩 卵石浅滩 砂 泥 质浅滩等 一 浅滩 3 浅滩的分类 3 按浅滩淤积部位分 过渡段浅滩 放宽段浅滩 峡口浅滩 分汊河段浅滩 支流河口浅滩 一 浅滩 3 浅滩的分类 一 浅滩 4 浅滩的成因 1 冲积性河流形成浅滩的根本成因输沙不平衡而产生的局部淤积 具体成因 1 流速的减小 2 环流的消失或减弱 3 洪枯水流向不一致 4 局部地区来沙量的加大 石质浅滩缘于地质构造因素外 其他浅滩均为河床演变的产物 一 浅滩 4 浅滩的成因 2 石质浅滩缘于地质构造 3 因人类活动使河床发生再造过程 形成新的碍航淤积体 多出现在 拦河建筑物的上下游 过河建筑物的上游 大型调 引 水过程的下游 二 急流滩 定义 河床过水断面狭小 流速 比降较大 导致船舶难以自航上滩的局部河段 1 急流滩的分类 1 按滩险成因分类基岩急滩 卵石急滩 溪口急滩 崩岩与滑坡急滩 二 急流滩 二 急流滩 1 急流滩的分类 1 按滩险成因分类 2 按滩形态分类 突嘴型 窄槽型 横埂型 汊道型急滩 急滩滩型示意图a 突嘴型 b 窄槽型 c 横埂型 二 急流滩 1 急流滩的分类 1 按滩险成因分类 2 按滩形态分类 3 按成滩水位分类 枯水滩 中水滩 洪水滩 图a 中洪水急流滩图b 枯水急流滩 二 急流滩 2 急流滩的成因主要原因 过水面积减小 河床泄水面积减小的原因 1 地质构造 2 溪沟冲石 3 崩岩滑坡 4 卵石淤积 5 枢纽下游不均匀冲刷 导致的局部隆起形成陡坡急流 二 急流滩 2 急流滩的成因 川江斗笠子枯水急流滩 卵石淤积 三 险滩 定义 因航道过分弯曲 航宽不足或者存在严重的横流 滑梁水等碍航流态 致使船舶航行十分危险的局部河段 多出现在山区 丘陵河段 1 急流滩的分类按滩险成因分类 主要有 礁石险滩 泡漩险滩 滑梁险滩 扫弯险滩等 三 险滩 2 滩险成因 1 因地质构造或灾害 形成过分狭窄或曲折的石质航槽 2 水流长期塑造形成弯曲狭窄抗冲性强的河槽弯曲半径R小 扫弯水 3 自然形成碍航流态 4 枢纽或大型调 引 水工程形成新的碍航滩险库尾 滩槽异位 新槽位于礁石区易形成险滩坝区 引航道口门区 连接段水流条件较差取水口 排水口 碍航横流 斜流 第二节平原河段滩险的特性 第二章碍航滩险及其特性 一 平原河段滩险特性 1 径流河段 1 浅滩水深 2 急弯 斜流 3 人为因素影响 桥梁选址不当 无序采砂等 4 礁石 沉船威胁航行安全 一 平原河段滩险特性 2 感潮河段 1 航道水深不足 2 航道通过能力不足 3 水道互通条件不良 一 平原河段滩险特性 3 湖区航道 1 湖泊航道 超越湖泊的航道 近港航道水深不足 2 河湖两相航道 洪水为湖 枯水为河的航道 枯期出现浅滩 弯曲狭窄段 特殊的跌坎陡坡段 3 滨湖航道 连接湖泊 汛期受湖泊壅水影响的入湖河段的航道 浅滩碍航 1 来水来沙条件来水条件 来水总量 洪峰大小及洪峰过程线的形式 某一特定水位的持续时间 来沙条件 来沙总量 含水量大小 粒径级配及过程线的形式 来水来沙条件河床边界条件上下游河段演变的影响 二 影响浅滩演变的主要因素 演变特点 7 9月 冲刷 11 4月 淤积 例 来水来沙条件对河床演变的影响 二 影响浅滩演变的主要因素 2 河床边界条件河床的平面形状 纵向形态 河床的组成 边滩的尺度 部位及形状等 1 浅滩上 下游的边滩对其冲淤有很大影响边滩的高低 标志水流归槽水位的高低及对水流导沙作用的强弱 二 影响浅滩演变的主要因素 2 过渡段的长度对过渡段浅滩的影响 过渡段适当 上下弯道的环流使浅滩对面形成两个大边滩 过渡段太长 常形成两个以上浅滩 浅滩不稳定 过渡段长 河床宽 泥沙大量在河床上淤积 形成心滩或江心洲 过渡段太短形成交错浅滩 不利航行 二 影响浅滩演变的主要因素 2 河床边界条件 3 河道的放宽段 4 在束窄 峡口 上游段 5 支流河口 6 入海河口 二 影响浅滩演变的主要因素 2 河床边界条件 1 上游河段的影响主要表现在进入本滩段的水流动力轴线上 2 下游河段的影响主要表现在下游河床冲淤对本河段比降的变化 引导水流走向 使浅滩的冲淤水位和输沙力受到影响 3 上下游河段演变的影响 二 影响浅滩演变的主要因素 1 浅滩的稳定性与活动性稳定性 河床形态没有根本性变化 浅滩不会自行消失 活动性 体现在滩脊高程和位置的变化 三 浅滩演变的基本规律 3 浅滩演变的多年周期性以多年水文周期性变化为依据 2 浅滩演变的年周期性水文条件的变化 是引起浅滩变化在直接条件 水文条件有年周期的变化 浅滩也有汛期淤 枯期冲刷的年周期变化 三 浅滩演变的基本规律 3 浅滩演变的多年周期性以多年水文周期性变化为依据 浅滩年际周期性的表现型式 1 边滩反复消长 深泓线上下摆动 2 岸线不断变化 过渡段时而延长时而缩短 3 汊道兴衰交替 通航汊道易位 1 浅滩上的比降和流速 图2 17浅滩上的水面变化 1 滩头比降 四 浅滩上的水流和泥沙运动特点 概化情况 洛西耶夫斯基试验 长江东流水道1963年水位 比降关系图 1 浅滩上的比降和流速 四 浅滩上的水流和泥沙运动特点 1 比降 天然情况 浅滩形态复杂 水面沿程变化图 2 流速 水位 流速关系图 确定临界冲淤水位 1 浅滩上的比降和流速 四 浅滩上的水流和泥沙运动特点 不同水位纵向流速沿程变化图 四 浅滩上的水流和泥沙运动特点 2 流速 1 浅滩上的比降和流速 从纵剖面看 深槽到浅滩河底逐渐升高 水流流线呈收敛状态 从平面看 深槽到浅滩水面逐渐放宽 水流流线呈扩散状态 深槽到浅滩水流流速分布沿程要发生变化 变化程度随水位而变 图2 21浅滩段流速分布的沿程变化 四 浅滩上的水流和泥沙运动特点 2 流速 浅滩段流速分布的沿程变化 1 上 下深槽具有一个单向环流 过渡段环流复杂 2 过渡段长短对环流有着较大影响 过长 环流减弱或消失过短 急剧转变适宜 平缓过渡环流随Q Z而改变 a 上深槽断面b 浅滩断面c 下深槽断面 2 浅滩上的环流 四 浅滩上的水流和泥沙运动特点 3 泥沙运动 1 多数冲积性浅滩 推移质主要以沙波形式运动 浅滩可以看做一巨形沙波 在水面通常还有次级沙波 次级沙波沿大沙波向下游移动 推移至浅滩脊 浅滩就淤高 四 浅滩上的水流和泥沙运动特点 2 一般情况下 浅滩洪淤枯冲 3 浅滩汛期和来沙量大的年份可能有悬移质泥沙淤积 退水一般冲刷 第二章碍航滩险及其特性 第二节山区河段滩险的特性 2 河谷地形特征 峡谷段和宽谷段相间 水深分布不均匀 沿程变化大 岸线不规则 河面突宽突窄 常有石盘 石梁或群礁林立 形成卡口 汊浩 窄槽 多急弯河道 石质河床 河床变形主要是水流长期的下切或侧蚀 较稳定 卵石河床 河床质由卵石和砂砾组成的较厚覆盖层沙质河床 常出现在支流河口段 一 自然特征 1 河床地质特征 一 山区河流的主要特征 第五节山区河流滩险整治 3 水文特征 1 水位 流量特征 水位暴涨暴落 流量变幅大 2 比降特征 纵坡 水面比降陡 且沿程不均匀 平均比降 0 3 1 3 3 流速特征 滩上流速一般大于2m s 3m s 4 泥沙特征 悬沙常不饱和 可视为冲泄质 卵石推移质普遍存在 一 自然特征 4 碍航流态 1 回流 又叫西流水 罗盘水 例流水 回流与主流的交界带 流速很小 机动船可利用此缓流上行 一 自然特征 中心有明显凹限 每个漩水有逐渐形成加剧 消失的过程 平面位置产生移动 危害 航船卷入漩水 偏离航行 失去控制酿成海事及甚至沉船 2 漩水 漩涡 竖轴下漩水 4 碍航流态 泡水 鼓喷水 产生原因 a 漩水伴生泡水 b 河底起伏 危害 使航船偏离航向或倾覆 大型船舷一般希望泡水高度小于0 4 0 55m 驾驶中必须迎泡 压泡 不宜随泡漂移 4 碍航流态 横流 斜流 与航线交角较大的水流均可视为横流 4 碍航流态 扫弯水 主流指向并紧贴凹岸而形成的流态 与航向始终保持很大的交角属横流 滑梁水航道附近水下纵向石梁上的横溢流水 属横流 危害 航船易被横向溢流水吸引侧移 滑出航道而出海事 4 碍航流态 剪刀水 滩舌 被两岸相对突出物挑引的两股水流 逐渐向下游收缩成一束 以剪刀状 常在卡口急流滩出现 船舶因急流失去控制碍航 4 碍航流态 跌水 门槛水 河床展宽窄与河底起伏的突然变化处 常产生较大的水位落差 船舶上行困难而碍航 激浪流速大的水流冲击障碍物 礁石 或河床凹凸不平的复杂河床地形引起的波浪 航行阻力大 使船抖动或倾斜可能导致沉船 4 碍航流态 二 碍航特点 1 浅滩的碍航特点多为沙卵石浅滩 石质浅滩 擦浅易发生海事事故 富裕深度大于平原河流 2 急流滩的碍航特点山区河流流急坡陡 航行阻力大 多急流滩 山区河流流急坡陡 航行阻力大 航道弯曲狭窄 航道附近有礁石 航道尺度不足 边界不规则 产生较多不良流态碍航 设标困难或流标 不能正确引导船舶航行 3 险滩的碍航特点 二 碍航滩险特性分析 1 急流滩特性分析 1 形态特征分析 急滩滩型示意图a 突嘴型 b 窄槽型 c 横埂型 分析平面形态 溪口急流滩溪沟冲石 崩岩滑坡岸坡形态及其稳定性等 二 碍航滩险特性分析 1 急流滩特性分析 2 水力特性分析 水流 比降 流态分布碍航特征水位 缓流段 陡坡急流段 急流乱水段 3 航行阻力特性分析 二 碍航滩险特性分析 3 险滩水流特性分析 1 碍航特征水位分析 2 碍航流态分析 补充内容 第四节浅滩的演变分析 第二章碍航滩险及其特性 补充内容 浅滩的演变分析 第二章碍航滩险及其特性 1 目的掌握浅滩演变的规律 区别影响浅滩演变的主要因素和次要因素 预测浅滩的发展趋势 2 浅滩演变预测的方法 1 对天然河边的实测资料进行研究分析 2 应用泥沙运动和河床演变的基本原理 进行变形计算 预测河床的冲淤变化 3 运用河工模型试验进行预测 第四节浅滩的演变分析 3 具体进行分析时 常采用从河床变形结果找原因的方法 4 即根据已有的浅滩形态及其变化规律 从水流 泥沙和河床形态的各个方面去找原因 再由这些原因去预测浅滩的发展倾向 某滩历年枯水期水位与水深关系 第四节浅滩的演变分析 水深是反映浅滩冲淤变化的最基本资料 也是航道维护 疏浚和整治工程规划设计的重要依据 常利用浅滩的水位与水深关系反映浅滩冲淤变化 1 浅滩水位水深关系图 多年浅滩冲淤变化 1 多年水位水深关系图 图1 14浅滩水位 水深关系 一 浅滩的水深分析 2 历年枯水期浅滩冲淤变化 某滩历年枯水期水位与水深关系图 1 浅滩水位水深关系图 多年浅滩冲淤变化 一 浅滩的水深分析 2 浅滩逐日水位水深关系 浅滩逐日水深关系图a 涨淤落冲 b 涨冲落淤 一 浅滩的水深分析 相对水深 设计水位以下的水深 H 实测水深 实测水位与设计水位之差 图1 17浅滩水位与相对水深关系图图1 18相对水深换算图 3 浅滩水位与相对水深关系 相对水深 实测水位 实测水位 H 水深 Z 实测水位 设计水位 设计水位 设计水位 退水时浅滩冲刷 退水时浅滩不冲不淤 退水时浅滩淤积 一 浅滩的水深分析 1 河床平面形态演变 某河道河床平面冲淤变化图 二 河床形态分析 2 横断面形态变化 3 深泓线 或河床平均高程 的纵向冲淤变化 某滩横断面形态变化图 二 河床形态分析 影响浅滩演变的主要因素 来水 来沙 河床形态 1 水力 泥沙和河床形态沿程