航道整治工程

第三章航道整治工程航道整治应根据河床演变的趋势，把冲淤导向有利的方向。航道整治工程应符合河床演变规律及河流动力学原理，统筹兼顾，进行科学规划，应根据不同河势及特性，采取相应的整治原则及措施。整治线的设计与整治断面设计是航道整治工程最基本也重要的设计内容，本章系统阐述了整治线的布置原则与各整治参数的计算方法。整治线与整治参数要通过整治建筑物实现，本章介绍了主要整治建筑物的特性、作用与结构型式。根据平原河流、山区河流不同的水流特性，分别介绍了不同河道一般存在的碍航滩险特征、相应的整治工程措施及水力计算方法。,第一节概述一、航道整治工程与河床演变1、航道整治工程在河床上修筑专门的整治建筑物或其他工程措施，诱导水流、改善水流情况，集中水流利用水流本身的力量冲刷河槽，调整河槽形态，增加航道尺度，改善航行条件。2、河床冲淤变化的根本原因在于水流输沙能力与来沙量的不平衡。,3、“优良河段”特征：枯水期水流集中于一个河槽而不分流；河岸的曲度均匀而不过大，两个相邻的弯曲河段之间的直线过渡段不太长，主流没有急弯；深槽与过渡段的高程相差不大；水面的比降沿程均匀；枯水期过渡段的过水断面较为对称；边滩发育完整，高程较高且相对稳定；枯水时期深槽的宽度稍大于过渡段的宽度。,4、航道整治是根据河床演变的趋势，把冲淤导向有利的方向，使河床冲刷和淤积达到基本平衡。河床演变是水流与组成河床的泥沙相互作用的结果，水流是引起河床变形最活跃的因素；河床对水流变化也经常起作用。,二、航道整治工程原则1、航道整治工程应符合河床演变规律及河流动力学原理，统筹兼顾，进行科学规划；2、应根据不同河势及特性，采取相应的整治原则及措施：山区河流航道整治，应修整不利于航行的河槽形态，改善水流条件。平原河流航道整治，宜采用修筑整治建筑物措施，控制中、低河势，稳定航槽，造成有利于冲深航槽的水流；必要时亦可以疏浚为主，或修筑整治建筑物与疏浚相结合。,3、应根据不同的滩势（浅、急、险）及碍航性质，分清主次，有针对性地指定整治措施。4、应根据经济发展的轻重缓急整治长河段。5、应抓住有利时机整治年际冲淤变化较大的浅滩。6、应考虑对已建、在建或将建的同河段的水利枢纽工程可能造成影响。,第二节整治线设计与布置一、整治线的设计整治线在整治工程设计流量下，在水面处所设计的稳定河槽的外形。,整治线与航道,整治线的设计1、确定整治线的位置与岸线之间的关系；2、了解整治线范围内及边缘的水流泥沙特性；3、确定整治线的水位与整治线宽度。,二、整治线布置原则1、整治线的起点和终点应以稳定深槽的主导河为依托。,整治线过渡位置,2、整治线一般应与枯水河槽相适应,整治线与流向关系,3、整治线一般应通过浅滩上的最大流速区。4、有支流或溪沟汇入的口门不宜布置整治线。5、全面考虑两岸工农业需要和防洪要求。,三、整治线轮廓的确定影响曲线的弯曲半径和直线段的长度的因素：该河流来水来沙及其过程、河床地质、河岸组成等。不同的水文、泥沙、地质条件形成自身稳定的河形。整治线设计时，应选择适当弯曲半径和直线长度：在一般情况下，当浅滩河段的来沙量多时，可采用R4B，反之，采用R5B；特殊河形按其自身规律选取；切除凸嘴，改善航行条件时，可采用R(23)B，直线段长度取L(13)B。,第三节整治断面设计一、设计水位1、设计水位是保证设计水深的水位，包括最低通航水位和最高通航水位，是计算标准船队（舶）正常通航天数的依据。,正常通航期示意图,2、基本站设计水位与该浅滩有直接关系的相邻水文站的设计水位3、浅滩上的设计水位推求浅滩尾下深槽附近设临时水尺，（该水尺读数将不受以后浅滩整治的影响）记录逐日水位读数，取得一个时段的资料。相关基本站设计水位浅滩临时水尺,（1）浅滩临时水尺设计最低通航水位推求方法水位相关法,该方法简单、精确，但需要较多浅滩水位观测资料,比降插入法浅滩上缺乏水位观测资料，可利用上下游基本站设计水位比降均匀插入法（河段内比降均匀）,比降均匀插入法示意图,或,比降不均匀插入法（河段内比降不均匀）,比降不均匀插入法示意图,瞬时水位法浅滩上缺乏水位观测资料，且没有上下游两个基本站可利用,n同步观读瞬时水位次数,（2）浅滩临时水尺设计最高通航水位推求收集和观测洪水期的水位资料（3）浅滩上各断面设计水位的推求,二、整治水位一般是指与整治建筑物头部齐平的水位。整治水位直接关系到工程数量的大小和工程效果的好坏，是航道整治工程总体设计的重要参数之一。,确定整治水位的方法：经验方法（1）根据各河流整治比较成功的经验数据确定。（2）选择该河优良河段的边滩高程做为滩的整治水位。（3）采用多年平均水位或多年平均流量时的水位,此水位接近于平滩（边滩）水位。,造床流量法造床流量其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当，而对塑造河床形态起着控制作用的某个流量。苏联马卡维也夫输沙率关系：GQmJQQ2JP曲线上有两个Q2JP峰值（P为各级流量出现的频率）最大流量第一造床流量，相当与多年平均最大洪水流量，保证率1%6%；次大流量第二造床流量，略大于多年平均流量，保证率24%45%。整治流量（其相应水位即为整治水位）,Z-P、Z-v、Z-v4P关系曲线,第二个v4P最大值的水位整治水位在没有比降资料的基本站上仍可使用。,三、整治线宽度整治水位时的河面宽度,整治线及其宽度示意图,整治线宽度的确定了整治建筑物（丁坝）的长度，由此影响着整治工程数量和工程投资的大小。整治线宽度大小影响束水冲刷作用的强弱。确定整治线宽度的方法：经验法：参考优良河段法、河相关系法、实测河宽水深分析法理论计算方法：水力学方法、输沙平衡方法,（一）经验法1、参考优良河段法根据调查和河道地形图，寻找与被整治浅滩具有相似的水文、泥沙及河床地质条件的优良河段。选取若干个具有代表性的优良断面并绘制其断面图，在图上直接量取整治水位时的自然河宽，取多个断面的平均值为浅滩的整治线宽度。,优良河段断面图,2、河相关系法首先寻找优良河断面的河相关系式，然后根据浅滩的整治要求，用河相关系式计算该浅滩的整治线宽度。具体做法：（1）绘制各优良河段的横断面图，计算B整治水位时的河宽，H断面平均水深，H航道边缘水深。,优良河段断面图,（2）在双对数纸上点绘B1/2HH的相关线，在相关线上求得截距为A，斜率为m，则相关线的方程为河相关系式B整治水位时的河宽H断面平均水深,优良断面H-H相关曲线,（3）点绘优良断面在整治水位时的H-H相关曲线。,（4）根据浅滩的整治要求，由H查H-H相关曲线得H，再代入河相关系式，计算得到的B就是所求得整治线宽度。,3、实测河宽水深法一般在稳定的河段上，河床形态与河流动力存在一定的函数关系，也就是说在一定的地质条件和来水来沙相互作用下，存在一定的宽深比关系。,代表断面宽、深示意图,对整治河流按条件相似划分成若干河段，依据枯水期的实测河道地形图分别在深槽和浅滩河段上取若干有代表性的断面，量取不同整治超高值（A）时的河面宽度（B）和在设计水位下的航道边缘水深（h）。,整治线宽度与航深相关图,将同一整治超高值（A）的（B，h）点绘相关图，并绘制下包线，最后确定整治线宽度。不同的A可获得不同的B。综合分析论证后，可在（A，B）中选取一组最佳的整治水位和整治线宽度作为设计依据。,（二）理论计算方法1、水力学方法,联解：,改写成：,航道整治工程技术规范推荐的水力学计算公式,水力学方法基本假定：整治水位时整治前后的Q、n、J相同，不考虑泥沙因素。,B2、H2为未知数,(Bb)相关曲线,认为整治以后的枯水断面形态和优良河段的断面形态相似,水深改正系数,H整治水位下的断面平均水深H整治水位下的航道边缘设计水深,2、输沙平衡方法浅滩上的输沙达到平衡状态时，整治前后浅滩断面的输沙率相等。,（1)底沙造床为主沙莫夫推移质输沙率公式：,止动流速，,为了计算方便，将式中改写为：,式中指数m值的确定：根据对数纸上的的相关线确定。,上式就是以底沙造床为主的整治线宽度计算公式,（2)悬沙造床为主,上式就是以悬沙造床为主的整治线宽度计算公式（3）应用整治线宽度计算公式时，一般在以下几种情况应考虑流量的变化：在非通航汊道内建坝或在分流段建挑流坝作为分流工程后，两汊的分流比会发生变化；在通航汊道内建整治建筑物后，改变了汊道内的阻力，也会使两汊分流比发生变化；在山区少沙河流上，坝体渗流较大，一部分流量从坝田流出，使整治线范围内的流量有所减少。,(三)规范推荐的输沙平衡计算公式航道整治工程技术规范（JTJ312-98）推荐的输沙平衡方法计算公式的基本形式如下：,水深改正系数，一般在0.70.9之间选取；H整治水位下的航道边缘水深，可用式HHA计算，其中H为航道标准水深，A为整治超高值。,四、整治水位和整治线宽度的调整（一）调整原因、没有正确反映在水位的降落过程中水流对浅滩演变的作用。、推导公式过程中的某些假定和简化与实际情况不符。、按计算公式求得的整治水位和整治线宽度，它们之间的最优组合不清楚。,（二）调整方法整治水位的调整：一般参照汛后浅滩河床明显冲刷时的水位或与第二造床流量相应的水位，并与本河流的整治经验相互验证。整治线宽度的调整：先求出理论宽度，再与本河流的整治经验校核调整，或直接应用本河流的经验公式计算。,第四节主要整治建筑物的特性与作用整治建筑物用于整治航道的起束水、导流、导沙、固滩和护岸等作用的建筑物。整治建筑物的分类：按外形和结构特征分：丁坝、顺坝、锁坝等；按建筑物的淹没情况分：淹没式、非淹没式；按作用期限分：轻型或半永久性整治建筑物、重型或永久性整治建筑物,一、丁坝坝根与河岸连接，坝头伸向河心，坝轴线与水流方向正交或斜交，在平面上与河岸构成丁字形，形成横向阻水的建筑物。,丁坝的主要作用：未淹没时束窄河槽，提高流速冲刷浅滩；淹没后造成环流，横向导沙，控制分流淤高河滩，保护河岸；挑出主流以防顶冲河岸和堤防等。,（一）丁坝对河道水流和泥沙的影响1、非淹没丁坝的水流现象,丁坝前后水流现象,设置丁坝后，人为增加了水流的阻力，在丁坝的上游会形成壅水，同时存在一个角涡。角涡以外的水流由上游向丁坝断面的运动过程中逐渐归槽；流速逐渐增大的同时局部水面降低，在坝前产生下潜水流，使得坝头附近的垂线流速分布趋于均匀，水面和河底的流速差减小；受坝头处水流的压缩，垂线平均流速在宽度方向上也发生了重新分配。,在接近丁坝时出现反比降，迫使水流流向河心绕过坝头下泄。当水流接近丁坝断面(II断面)时，流速加大，比降也加大。水流绕过丁坝后虽然失去了丁坝的制约，但是在惯性力的作用下，发生流线分离和水流进一步收缩现象。在距丁坝lc处，形成一个收缩断面(一断面)，此时流线彼此平行，动能最大，流速最大。,在收缩断面下游，水流又逐渐扩散，动能减小而位能增大，故A点处的断面为扩散断面(一断面)。当扩散水流到达整个河床横断面后，河流恢复整体向下游运动的特性。,水流在丁坝上下游形成几个回流区，如图所示，丁坝下游大回流区1，小回流区2，丁坝上游小回流区3。在这些回流区内流速滞缓，泥沙容易落淤。,回流区形成的主要原因：丁坝设置后，压缩了有效过水断面，被压缩的水流绕过坝头后产生水流边界层的离解现象和漩涡，水流的流速场和压力场都发生了明显的变化，流动呈高度的三维性。受丁坝阻挡的水流，无论是下沉、上翻或者在平面上转向后都将绕过坝头而下泄，下泄水流与坝后静止水流之间存在流速梯度，便产生了水流切应力，这种切应力对于丁坝来说就是一种冲刷作用，这种冲刷作用对丁坝坝头尤为显著,2、丁坝的方向,上挑丁坝正挑丁坝下挑丁坝,3、淹没丁坝的水流泥沙现象,淹没丁坝水流泥沙运动情况,（二）丁坝群的布置1、错（对）口丁坝,两岸丁坝的位置对水流影响,2、阶梯式丁坝,等高丁坝与阶梯丁坝正面图,3、其它形式（1)短丁坝；（2)勾头丁坝主要特性：坝头流速可减少20左右勾长比的增加减少了坝头最大的冲刷坑深度,勾长比的增加，坝后冲刷范围减少,冲刷范围与DL的变化关系,二、顺坝（坝轴线沿水流方向或与水流交角很小的建筑物起引导水流、束狭河床的作用，故又称导流坝）,抛石顺坝,（一）顺坝的作用1、调整急弯，规顺岸线，促使航槽稳定。2、堵塞倒套、尖潭。3、堵塞支汊，调整汇流处的交汇角。4、沿整治线束窄河宽。,（二）顺坝布置的一般原则1、顺坝坝身一般靠近整治线，布置在凹岸或主导河岸一侧。2、顺坝坝轴线与水流交角不宜过大。3、浅滩两岸不宜同时布置顺坝。4、顺坝平面形态应由平缓的曲线构成，坝根应与河岸平缓连接。5、顺坝坝头要求伸入下深槽，避免坝头附近出浅。6、为加速顺坝坝田淤积，可在顺坝与原河岸之间建格坝。,顺格坝组合应用,三、锁坝从一岸到另一岸横跨河槽及串沟的建筑物，又名堵坝“塞支强干”在分汊河道上为了集中水流冲刷通航汊道，或在有串沟的河汊上，不使串沟发展，可在非通航汊道上或串沟上修建锁坝。坝顶高程的确定取决于设计通航流量。,抛石锁坝施工,四、潜坝潜坝最枯水位时均潜没在水下而不碍航的建筑物，有潜丁坝、潜锁坝等。潜坝的主要作用：壅高上游水位，调整比降，增加水深；也可以促淤赶沙，减小过水断面和消除不良流态等。,莱茵河下游潜坝的应用,第五节主要整治建筑物的结构一、重型整治建筑物主要由石料、砼、铪、钢板桩等构筑；具有坚固耐久性，既能抵卸水流、流冰、漂木、波浪等对建筑物的冲击，又能在自然环境下具有良好防腐性能。用得较多的是抛石结构整治建筑物。,抛石丁坝,（一）抛石丁坝,抛石丁坝结构示意图,1、丁坝横断面2、丁坝坝顶纵坡,3、丁坝坝根的处理,坝根护岸,4、坝头处理,（二）抛石顺坝1、顺坝横断面2、顺坝的纵坡（三）抛石锁坝1、抛石锁坝的断面尺寸2、锁坝护底3、锁坝坝坝根处理,二、轻型整治建筑物采用梢料、竹木、聚烯烃等材料构成的整治建筑物。用梢料、篱屏等构成的透水整治建筑物沉排护底：柴排、化纤强物软体排、沙袋排等等,护底排沉放,（一）柴排、木桩编篱构成的建筑物,单排编篱,（二）化纤织物构成的建筑物柴排需要大量的梢料，目前因材料来源困难，柴排的使用受到限制。随着化纤织物的发展，由化纤织物制成的软体排正逐渐取代梢料沉排。化纤织物软体排：一般由编织布、塑料绳网和压块三部分组成。,聚烯烃织物护底,沙袋围堰用土工布编制做成袋形，采用水力吹填的施工方法，将泥沙料溶入袋中，根据设计标准，构筑成定型的围堰、坝、堤等建筑物。,在五十年代后期，荷兰、美国、日本等国家已经开始用土工织物做成沙袋，用于堵口、防波堤等工程。在我国，八十年代中期以来，沙袋围堰技术也逐步推广。湖北汉江航道整治工程是七五国家重点科技项目，该项目就汉江整治建筑物的结构型式及新材料进行课题试验，就地取材，建造丁坝、束水归槽改善航道是该课题的主要研究内容。汉江沙料丰富，采用水力吹填沙袋排代替传统的柴排护底，吹填沙袋棱体代替传统的块石棱体，构筑成丁坝，获得了成功，成为国内围堰史上的一个重要里程碑。,第六节平原河流航道的整治工程顺直河道的浅滩整治弯曲航道的整治分汊航道的整治,常见的典型平原河流浅滩的组成情况1上边滩；2下边滩；3上深槽；4下深槽；5尖谭；6倒套（沱口）；7上沙嘴；8下沙嘴滩脊线顺上下边滩最高处的连线；浅滩（沙埂）沿滩脊线位于河心最低的部分。,浅滩（shoal）河流中航道自然水深有时不能满足航行要求的局部河段；急滩（torrentrapids）又称“急流滩”，水流受河床不利约束而形成的比降大、水流急的滩险。险滩（hazardousrapids，traffichazard）受不利河床边界影响，形成急弯、暗礁、险恶水流等航行危险的河段。滩险（shoal,rapids）浅滩、急滩、险滩等碍航河段的总称。,浅滩的分类按岩石土质组成：石质浅滩、卵石浅滩、砂卵石浅滩、砂质浅滩、泥沙浅滩等；按滩形特征和碍航情况：正常浅滩、交错浅滩、复式浅滩、散乱浅滩等；按浅滩成因和所在地区：弯道浅滩、分汊河道浅滩、支流河口浅滩、回水变动区浅滩、湖泊水网区浅滩、潮汐河口浅滩等；上中游山区和丘陵河流多为石质浅滩和砂卵石浅滩，平原河流主要是泥沙浅滩。,浅滩的形成是由于河段输沙不平衡而产生的局部淤积。输沙不平衡的原因：流速的减少；环流的减弱或消失；洪枯水的流向不一致；局部地区来沙量的加大。,浅滩演变浅滩随着水流运动和来水来沙条件而发生的变化。根本原因：水流与河床相互作用，产生输沙不平衡而引起河床的冲刷或淤积，是局部的河道演变。演变形式：纵向变形、横向变形、单向变形、周期性变形。影响因素：来水来沙条件、河床边界条件、上下游河段演变。,一、顺直河道的浅滩整治按浅滩的外形和碍航情况，常将顺直段浅滩分为：正常浅滩交错浅滩复式浅滩散乱浅滩,(一)正常浅滩1、多出现在曲率平缓的弯曲过渡段和河身较窄的顺直河段上。2、一般情况下，这类浅滩不碍航，可以算是好的浅滩。3、正常浅滩整治：（i）丁坝固定边滩，加高上下游边滩高程，延长水流对浅滩的冲刷时间；（ii）如果边滩已较高，可采用护面固滩。,顺直河段上正常浅滩的整治,(二)交错浅滩1、常出现在河宽较大、边滩比较发育的顺直河段上或曲率大、过渡段很短的弯曲河段上。2、交错浅滩的特点：上下深槽在平面上相互交错，下深槽的上端窄而深，称为倒套；边滩较低，横向漫滩水流比较强烈；浅滩脊宽浅，冲淤变化较大，航道极不稳定，航行条件不好。,3、交错浅滩也称坏滩，是整治的主要对象。交错浅滩的整治措施：消除漫向倒套的横向水流，并固定、抬高下边滩。,消除漫向倒套的横向水流，常采用堵塞倒套的措施。,交错浅滩整治,堵塞倒套一般采取在倒套内设置上挑丁坝，将泥沙引入倒套。,图中丁坝位于上沙嘴尾岸之下，坝头高程不低于上沙嘴顶部高程。,图中上边滩距倒套较远，产生的横向漫滩对航行影响小，此时可利用倒套通航，在上边滩布置一组丁坝。,（三)复式浅滩1、复式浅滩是由两个或两个以上的浅滩所组成。冲淤变化大，航槽不稳定且存在横流，严重碍航。2、整治复式浅滩，应将上下浅滩作为一个整体来考虑。3、复式浅滩整治：（i）固定和提高边滩高程；（ii）切割中间边滩。,固定和提高边滩高程,图中采用丁坝固定和提高上、中、下边滩。为了稳定中间深槽，并促使其发展，应特别注意提高中间边滩高程。,切割中间边滩,图中中间边滩位于凹形的主导河岸，且上深槽尖谭和下深槽倒套正发展，中间边滩有被水流切割的趋势。切割中间边滩，封闭中间深槽。,(四)散乱浅滩（散滩）1、主要特点河床宽浅，沙体散乱，没有明显的边滩和深槽，沙体位置随水位变化而频繁变动，很不稳定，航道弯曲，水深小且航槽位置经常摆动因而航行条件极差。2、散乱浅滩的整治：通过丁坝等整治建筑物，将散乱的沙体联结和促淤成边滩，以固定河势，引导水流集中冲刷航槽。,散乱浅滩的整治,二、弯曲航道的整治,弯道河段分区示意图,（一）对航运的影响1、弯曲半径太小或航宽不足；2、在弯道上游枯水期可能出浅碍航；3、河弯的发展使航程加长。,(二)碍航弯曲航道的整治措施1、保护凹岸，防止弯道恶化,长江中游陆溪口水道园港凹岸崩塌,水流动力轴线“枯水走弯，洪水走直”顶冲点“枯水上堤，洪水下挫”,（1）平顺护岸,枯水期水流动力轴线在弯道上游进口处靠近凸岸，进入弯道后向凹岸移动，在弯顶稍上部位靠近凹岸，紧靠凹岸流动一段后，离开凹岸向下一个弯道过渡。,护岸的范围：从河岸不崩塌处开始，经过坍塌区到下一个不崩塌处为止顶冲弯异区和常年贴流区崩塌最多，应重点保护。,长江江津河段加筋土挡土墙护岸,（2）短丁坝护岸,当弯道凹岸线不平顺，水流比较紊乱，局部地方河岸坍塌严重时，可采用短丁坝护岸，控制局部坍塌。,黄河护岸,2、筑坝导流，调整岸线,当弯道内流速较小时，可考虑在一侧或两侧筑丁坝，束窄河床使水流归槽，增加航深，稳定航槽。,a)整治前地形b)整治后河道广西某弯道整治前后变化图,3、裁弯取直，新开航槽,长江下荆江裁弯工程位置图,当弯道演变很长的河环时，可在狭颈处开挖新河，裁弯取直。裁弯后，可以缩减航道里程，裁除位于河环上的浅滩，增加排洪能力，减小洪水威胁。裁弯工程耗资巨大。裁弯后上、下游河段会产生演变，对沿岸影响很大。整治设计内容：方案比较，引河定线，引河断面设计，引河整治设计，河道演变及其估算等。,三、分汊航道的整治（一）通航汊道的选择,长江中游陆溪口水道河势图,近期发生冲刷或较稳定的汊道为发展的汊道；汊道的来沙量小于输沙能力的汊道为发展的汊道；汊道口门处，底沙进入较少的汉道为发展的汉道；汊道进口分流比大于分沙比的为发展的汊道；新生的汊道往往为发展的汊道；选择的通航汊道其水流应顺畅；选择中、洪水主流通过的汊道；,（二）汊道整治方法1、稳定汊道,稳定汊道示意图,（1）保护节点周围河床；（2）稳定汊道进口段边界；（3）控制江心洲的洲头与洲尾；（4）保护河弯。,2、改善汊道（1）汊道进口处浅滩（2）汊道中部浅滩（3）汊道出口处浅滩,汊道进口和中部出浅,3、堵塞支汊当支汊可以堵塞，或支汊转向发展状态，若不控制将影响主汊通航，此时可考虑堵塞支汊。4、弃劣图优，另辟新槽新航槽开挖后，为稳定新槽和保证新槽有足够的流量，应将旧槽用建筑物封闭。,第七节山区河流的航道整治一、概述山区河流石质滩的分类,溪沟口滩,礁石险滩,（二）特征水位1.成滩水位开始形成滩势时的临界水位高程。2.最凶水位滩情由缓变凶，碍航最严重时的临界水位。3.消滩水位最凶水位后，滩情逐渐减弱，滩情消失时的临界水位。漂滩水位枯水滩的消滩水位。,石质滩险的整治水位,a)洪中水滩险b)枯水滩险,