航道工程学―第四章航道疏浚

航道整治,WATERWAYREGULATION,航道疏浚工程,利用挖泥船或其他机具以及人工进行航道浚深或拓宽，是维护和提高航道尺度的一种工程措施。,第一节概述,1疏浚工程,（1）对于沙质和沙卵石河床：采用挖泥船挖除碍航的泥沙堆积物，增加航道水深。,（2）对于石质河床：采用爆破的方法（常称炸礁）炸除碍航的石嘴、石梁、孤石、岩盘等。,长江最大清淤船“海翔号”挖泥船(8m3),抓斗挖泥船疏浚作业,2在航道和港口工程中，疏浚工程的主要任务有：,开挖新的航道、港池和运河；改善航道的航行条件，维护航道尺度，消除对船舶有影响的流态；开挖码头、船坞、船闸及其他水土建筑物的基槽；与开挖相结合的吹填及疏浚物综合利用工程。,秦皇岛港吹填造地工程(完成疏浚及吹填工程量约3000万m3，形成陆域400万m2。),（1）通过疏浚，通航条件即可改善，无需要大量的工程材料和人力；不会产生引起不良后果。（2）疏浚方法不但常常被单独使用，而且能与利用整治建筑物改善航道的方法结合。,3疏浚的特点,4疏浚工程的主要问题,挖槽内的泥沙淤积(？)为了减少回淤，必须正确设计挖槽的走向,线型，断面形状和尺度，处理好抛泥，以建成既稳定又便于通航的挖槽。,5航道疏浚工程分类,基建性疏浚,较长期内根本改善航行条件。1）改变河道的平面轮廓和航道尺度以建立新航槽；2）裁掉河岸的凸出部分的硬土角，消除或缩小河槽的沱口及其他有害的深水部分；3）堵塞分流和各种支汊以及与整治相结合的挖泥工作；4）为消除新航道上的障碍物和预先疏松航道上河床土壤，炸除石滩及硬土角而进行的爆破工程。,维修性疏浚:是为了保持航道内的规定尺度，以保证船舶和木筏的安全运行。,临时性疏浚:是为了解决工程量小的疏浚任务，一般是在没有经常性挖泥船的、疏浚力量不足的河段上，临时利用其他地区的疏浚力量来进行工作的。,1、挖槽的方向与主流方向一致，与主流向交角不应超过15。,第二节挖槽定线及抛泥区选择,一、挖槽定线的基本原则,2、挖槽应通过浅滩鞍凹，并位于主流线上。,3、挖槽在平面上常设计成直线，挖槽不可避免出现折线时，其转弯半径应满足要求，并适当加宽。,4、在满足航道尺度的条件下，挖槽断面宜窄而深，不宜宽而浅。,5、挖槽应选择最短线路。,1、疏浚泥土抛置后，应不致再回淤至挖槽或附近的航道。,二、抛泥区选择,2、应避免在养殖场、取水口等地区选择抛泥区，防止对环境产生污染。,3、抛泥区应有足够水深，使抛泥船能打开泥门正常抛泥。,图6-6抓斗挖泥船,二、抛泥区选择,4、挖槽至抛泥区应有安全航道可通。在条件许可下挖槽至抛泥区的距离尽可能缩短，以提高工效。,5、尽量使所抛泥沙有利于维护挖槽稳定，改善航道，可用疏浚土填塞支汊、坝田及可能引起有害分流的尖潭等。,6、用边抛法抛泥，应慎重研究水流的流速、流向能否将边抛的泥土带出挖槽及航道之外，尽量减少对挖槽及附近航道产生淤积。,船吸扬14号,综上所述，抛泥区一般选择在：凸岸边滩下部，下游不妨碍航行的深水区，下深槽沱口（以消弱横流影响），不通航汊道等。,二、抛泥区选择,图6-6抓斗挖泥船,1水下抛泥法将挖出的泥土用泥驳或自航船送至抛泥点，开仓卸与水中。在河口区域，抛泥区的选择应注意潮汐的影响。在落潮流占优势的地区，抛泥区应选择在挖槽的下游；当直接抛泥与挖槽两侧的浅滩时，涨潮时不宜抛在挖槽下游侧，落潮时不宜抛在挖槽上游，以免泥沙回淤。,三、河口开敞水域疏浚抛泥方法,河口开敞水域疏浚工程量大，运距远，抛泥船的非生产时间比重大，要设法提高挖泥船的挖泥效率。常用的抛泥方法：,三、河口开敞水域疏浚抛泥方法,2边抛法边抛是采用随挖随抛的方法，有条件时可采用此方法，以利提高挖泥效率。条件：当地水流有足够的流速，可将抛下的泥沙携带至挖槽外。施工区水深较浅，不能满足挖泥船装载时吃水要求时，可先用边抛施工，待挖到挖泥船满足装载吃水要求是再改用装载施工。在紧急情况下，需要突击疏浚航道浅段，迅速增加航道水深时。环保部门许可，对附近水域没有明显影响时。,常见的有：旁通，溢流，长悬臂架等。,三、河口开敞水域疏浚抛泥方法,3.向岸边吹填,筑围堰，用排泥管将疏浚泥土输送至围堰内淤积，这不仅增加了港口陆域面积，而且避免了疏浚泥土回淤航道的可能性，是一种较优的方案。,3.向岸边吹填,3.向岸边吹填,四、疏浚工程机械的选择,挖泥船,机械式,水力式,直吸式挖泥船,绞吸式挖泥船,耙吸式挖泥船,铲斗式挖泥船,抓斗式挖泥船,链斗式挖泥船,利用泥泵进行吸泥和排泥,依靠泥斗挖掘水下土石方,耙吸式挖泥船都是机动的大型挖泥船，施工时将吸泥管斜靠河底，吸泥管端部有耙头，利用机械力或水动力将泥耙松，然后由泥泵吸泥，通过泥管输入泥舱。当船徐徐向前航行时，其耙头沿着河底进行耙吸挖泥。,耙吸式挖泥船的特点及施工性能1)航行性能良好，抗风浪能力强，能在恶劣的海况下工作；2)有自航能力，调遣方便，能迅速转移工作场地；3)挖泥时不用锚缆及辅助机具，占水域面积不大，适用于海港、河口航道及大河干流的中下游较宽的河段施工，不影响其他船舶航行；4)自带泥舱，不需要拖船和泥驳等辅助船舶；5)挖泥沿航槽进行，不像其他挖泥船需整个工程完工后航道才能开放使用。,自航耙吸式挖泥船示意图,绞吸式挖泥船利用吸水管前端装设转动着的绞刀绞松河底土壤，与水混合成泥浆，通过泥泵作用，泥浆经吸泥管吸入泵体并经排泥管输送至排泥区。它的挖泥、运泥、卸泥等工作过程，可以一次连续完成。,绞吸式挖泥船示意图,绞吸式挖泥船的特点及施工性能1)能自挖、自吹，可以连续吸排作业；2)效率高，成本低；3)比其他挖泥船更能够广泛有效地挖掘各类沙、粘土和淤泥；4)挖硬质土时，效率较低；5)受自然条件影响较大。多用在港池、内河航道等较隐蔽水域（风浪较小）的疏浚工程。,绞吸式挖泥船输泥管布置,链斗式挖泥船装有一套链斗挖掘机构，由斗链带动链斗连续运转进行作业。由链斗挖取的泥沙，直接依靠本船专用机械搅成泥浆，再由泥泵扬出的为自扬链斗挖泥船；通过溜泥槽装入本船泥舱，并自航至深水区自动卸泥的为自航链斗挖泥船。,链斗式挖泥船的特点及施工性能1)疏浚挖槽平整，适合较大范围的疏浚工程；2)施工不受排泥距离限制；3)易挖淤泥、沙、粘土乃至碎石；4)挖泥船施工时，锚缆碍航，且需配备辅助船舶，调遣工作较麻烦；5)挖掘流态淤泥、极细的低粘土质时，挖效差，易流失；6)挖掘坚硬粘土困难，挖掘大块石和密实碎石难度更大。,链斗式挖泥船示意图,链斗式挖泥船,抓斗式挖泥船是利用抓斗抓取泥土。有自航式与非自航式，船体为箱形，在甲板上设置可旋转360的抓斗机。自航式抓斗挖泥船本身设有泥舱，非自航式的另配泥驳。,抓斗式挖泥船的特点及施工性能1)浚挖水深大，最大挖深可达3050m或更深；2)可兼做起重船清除水下障碍物；3)可浚挖各种土质（流态淤泥除外）；4)用作码头捞边、港池转角或狭窄部位清淤加深均能发挥其独有的良好功能；5)抓斗式挖泥船施工的挖槽平整度稍差，生产效率较前述挖泥船低。,抓扬式挖泥船示意图,抓斗结构图,抓取石块的抓斗,抓斗挖泥船施工,铲斗式挖泥船是装有全旋转铲斗挖掘机，利用吊杆及斗柄将铲斗伸至水底挖掘硬土、碎石和卵石的挖泥船。挖泥时，利用吊臂上伸出的长柄铲斗铲入水底挖掘泥石，然后用绞机提升铲斗，将土石方卸于泥驳。,铲斗式挖泥船的特点及施工性能它的优点是全部功率集中使用在一个铲斗上，可以进行特硬挖掘。主要用于挖掘各种石块，重粘土和石质土壤，也适用于其他挖泥船不能承担的特殊挖掘任务，如清理围堰、拆毁旧堤、打捞沉物和清除水下障碍物等。还可装置重锤进行碎石施工。,铲斗式挖泥船示意图,反铲挖泥船施工,反铲挖泥船施工,应保证枯水期通航和挖槽具有良好的水力条件。,一、维护性挖槽设计,第三节挖槽设计及水力计算,图6-18挖槽断面示意图,典型浅滩挖槽布置,第三节挖槽设计及水力计算,二、基建性挖槽,基建性挖槽，在于建设便利航行和长期稳定的航道，以根本改善浅滩的航行条件，并减少每年的维护性疏浚工程量。要求基建性挖槽在洪枯水期都较稳定。挖槽应靠近主导河岸，挖槽方向于主导河岸一致，以便利用主导河岸在各级水位时的导流作用，维持挖槽稳定。当浅滩河段一岸为基岸，另一岸为宽阔边滩时挖槽应选择靠近基岸，以造成环流维持挖槽稳定。当浅滩河段两岸均为宽阔的边滩且变化较大时，单靠基建性疏浚很难根本改善浅滩航行条件，必须配合整治以稳定挖槽。,三、挖槽断面设计,挖槽断面设计的内容：,挖槽宽度和深度,图4-8挖槽横断面示意图,应使挖槽内的流速大于开挖前挖槽区的流速；并大于挖槽上游河段的流速；同时使挖槽内的流速沿程逐渐增大。,2.挖槽稳定性要求,3挖槽断面尺度计算,四、挖槽后水位降落计算,2、上游河段的水位降落值,第四节潮汐河口挖槽设计,一、河口挖槽定线原则1从航行条件出发与上层水流方向一致乘潮进出的船舶，以涨落潮方向开敞水域尽可能与常遇风、浪、水流的合力方向平行掩护水域与常风向一致2从航槽的稳定性：与涨落潮底流方向一致与深泓部位（水流动力轴线）一致河床发生变化部位避开下移沙体与推移质运动方向一致,二、河口挖槽尺度的确定受潮汐影响的河口航道，应尽量利用天然深槽。当穿越浅滩时，应着重分析河流、海洋动力及泥沙对开挖航槽的影响，必要时应通过模型试验论证挖槽尺度。,1挖槽深度的确定,乘潮水位：确定河口航道深度时，除运输特别繁忙的河口航道按设计水位确定外，通常可选择较高潮位作为大轮进出航道的设计水位，这一设计水位称为乘潮水位。乘潮水位一般取乘潮累积频率90-95，这样，可减少河口疏浚的工程量。,设计水位确定后，根据船舶吃水和富裕水深得出挖槽底部高程。,D指设计水深，D0指通航水深,二、河口挖槽尺度的确定,D指设计水深，D0指通航水深,T设计船舶满载吃水；Z0船舶航行时船体下沉增加的富余水深；Z1航行时龙骨下最小富余深度，见表4-1；Z2波浪富余深度，见表4-2；Z3船舶装载纵倾富余水深，杂货船和集装箱可不计，油船和散货船取0.15m；Z4备淤富余深度，应根据两次挖泥间隔的淤积量确定，一般不小于0.4m；,二、河口挖槽尺度的确定,2挖槽的宽度河口水流较内河复杂得多，所以河口单线航道按经验取挖槽宽度为设计船宽的34倍；双线航道取设计船宽的67倍。,按照港口工程技术规范，单，单/双线航道宽度可由公式确定：,单线航道双线航道,A航迹带宽度，由公式求得；b船舶间富余宽度，一般取设计穿宽；c船舶与航道底边间的富余宽度，见表4-4；,第五节口外航道回淤估算及减淤,一、淤泥质口外航道回淤估算,1、泥沙运动特性粒径：d50=0.005mm，容重：=1.40t/m3掀沙作用：风浪、潮流、风吹流，使滩面细上的细颗粒泥沙被掀起悬浮于水中，并伴有水平方向的搬运。重力作用：悬浮于海水中的泥沙颗粒，呈絮凝体下沉，其下沉速度远远超过分散状态下的单颗粒泥沙沉速，这是导致口外开挖航道回淤的主要因素。由于近海滩面潮流、风浪方向的复杂多变性，口外航道走向不同时所造成的回淤强度有差异。因此，选择合理航道轴线方向。对减少航道回淤强度至关重要。,2.口外航道回淤机理,淤泥质海岸浅滩受风浪、潮流的紊动剪切作用后，其泥沙呈缕丝烟雾状悬扬于水中，随综合动力作用的加强，水体含沙量沿垂线分布趋向均匀。当基本处于冲淤平衡状态下的淤泥质浅滩水域开挖航道后，由于航道中水深增大，水流挟沙能力降低。,浑水跨越航槽时引起的泥沙淤积,水流连续条件：,v1与航道轴线夹角,泥沙流量与浑水跨越航道历时泥沙沉降至底部的时间的比例有关,采用单位面积的有效泥沙回淤率表示：,（kg/m2.s）,为风吹流、潮流的合成流速,为波动流速,根据天津塘沽新港和连云港地区现场观测的水文、泥沙资料，得到淤泥质浅滩水体垂线平均含沙量与动力因素之间的关系如下：,1风浪要素的统计分析收集整理浅滩海域多年的风及波浪资料，并进行统计分析。通常按四个方向或八个方向，以风和波浪的大小等级，统计它们平均在一年内出现的次数或频率。,二、口外浅滩航道回淤的计算,2风吹流和潮流的合成概化处理,风玫瑰图,3和K值的确定,4航道年回淤率计算,:淤泥颗粒在海水中呈絮凝状下沉，一般可由静水沉降试验给以确定。根据连云港地区的淤泥资料，其静水絮凝沉速一般最大可达0.06cm/s。淤积系数K：连云港地区实测回淤资料，般采用K=0.4。,（1）先将一年内某一方向、某一级别的风和它的年出现次数，计算其淤积量：,（2）再算出这一方向其他级别的风浪(同样与潮流有四种或八种组合)一年内造成的淤积厚度。,（3）最后，将各个方向的上述计算值累加起来，即得到这一段滩面高程处的航道年回淤率。,5口外航道减淤的工程措施,由于口外航道受风，浪，流等动力因素的综合作用，所以航槽回淤是不可避免的。为了减少航槽回淤，一般用的措施是