山区河流的形态特征与对船舶航行的影响

山区河流的形态特征与对船舶航行的影响

山区河流是指流经山区和山区的河流。我国山区河流众多,如川江、金沙江、涪江、乌江、岷江、嘉陵江、澜沧江、渠汇、湘江、大渡河等。这些河流流域面积大,分布面积广,伸入到广大的山区腹地,沿河两岸有大片的森林、丰富的矿产资源、居民城镇和产业带等。整治山区航道,发展航运,实现干支直达,建设绿色交通,对促进国民经济的发展、生产力的合理布局,活跃城乡人民的物质文化交流,巩固国防等,都具有十分重要的意义。1山区河流的基本特征1.1山区河流的流沿程山区河流的平面形态因受地形、地质构造的制约,外形极为复杂。在背斜构造或岩石抗冲性能较强的地区常发展成峡谷河段。在向斜构造或岩石抗冲性能较弱地区常发展成宽谷河段。从总体上看,山区河流沿程多为峡谷段和开阔段相间。峡谷河段谷身狭窄,槽窄水深,中、洪水水位时河势十分险恶,并且有不少的急弯河谷,枯水水位时河槽非常曲折。宽谷河段谷身比较开阔,河床比较宽浅,两岸常有台地,河中常有边滩、江心洲。山区河流两岸常有岩嘴、石梁等深入河中,导致岸线极不规则,河面突宽突窄。在石嘴或乱石堆体深入河床的地方,河面聚然缩窄,然后又突然放宽,形成卡口河段。有些山区河流两岸会有溪沟汇入,在入口处容易形成冲积扇。山区河流纵向河底起伏不平,坡度较陡,沿流程水深分布极不均匀,深槽水深可达几米甚至几十米,浅滩水深经常会不足航道标准水深而成为碍航浅滩。1.2流量为王是一种变幅,最大的水位通山区河流汇流地面坡度较大,地表坚实,暴雨能很快汇入干流,引起河水猛涨,水位也随之猛升。但由于纵坡陡峻,洪水能很快宣泄。山区河流的流量与水位变幅都很大,比如赤水河的最大流量与最小流量之比可达298,在乌江渡站曾测得最大水位变幅可达31.6m。长江中、上游的山区河流由于集水面积比较大,流量过程线会相对比较平顺,洪、枯水相差也不会很大。山区河流滩槽相间,比降沿程分布很不均匀,由于有较多的河弯、石梁、石盘、凸嘴等,因此存在很多较大的横比降。枯水期时,深槽流速很小,滩上流速较大,洪水期则相反,深槽流速显著增大,滩上流速相应减小,沿程流速趋向均匀。1.3单次施工时水流的变化山区河流流态复杂,存在不少恶劣的流态,对船舶航行危害很大。主要碍航流态有:(1)回流。回流是一种很常见的流态,属于竖轴旋流。一般在河道平面形态突然束放的附近水域都会产生。弱小的回流对航行影响不大,船舶可借势上行而避开急流区。但大的回流会严重影响船舶航行安全,船舶误入后会有触角碰岸的危险。(2)泡漩水。当流速很大的水流遇到水下障碍物的阻拦时,会形成强烈的底部上升水流。涌出水面,四面奔腾,尤如开水沸腾,成为泡水。泡心的压力与强度均大于四周,所以泡心处水面向上隆起,水流向四周成辐射状滚出,形似泡花;急亟下潜的水流和缓流之间的摩擦作用形成下凹形漩流成为漩水。漩水的中心旋转速度大于边缘的旋转速度。漩水随着水流逐渐向下游移动,其旋转速度、旋转面积和凹面逐渐减弱,直至消失。泡漩水是水流动能转换成位能出现的水流变化现象。当船舶行经泡漩水区时,由于受到了泡水扩散力作用而被推向另一边,偏离航线,造成歪船、扎驳、断缆或覆倾沉没,十分危险。(3)滑梁水。水流漫过石梁、石盘、蹟坝或丁坝的顶部,流向水位较低的一侧称为滑梁水。梁上水深常常不足设计要求水深,船舶航行不慎,容易被横向水流推至梁上发生触礁危险。如果两岸均有滑梁水,而航宽较狭窄时,危险则更大。滑梁水区还有可能造成不能设标,或航标流失而发生海事。(4)扫弯水。水流在弯曲河段上运动时,由于受到离心力的作用,表层水体向凹岸流动,导致凹岸水面升高,凸岸水面降低。在水流压力的作用下,形成贴岸而下的斜流,称为扫弯水。离心力与水流质量、流速的平方成正比,和弯曲半径成反比,弯曲半径越小,水流能量越集中于凹岸,凹岸水位越高,斜流就越大。在航道弯曲半径较小,河面较窄时,扫弯水对下行的船舶危害较大,船舶容易扫弯触礁。(5)剪刀水。当河道两岸有相对比较突出的物体时,会将水流挑引成两股水流,逐渐向下游收缩成一束,在平面上呈‘V’形,流速较大,并伴有较强的横向流,称为剪刀水。剪刀水的产生是水流和地形相互作用的结果,首先,两岸必须有相对突出的地物,如突咀、峡口、礁石等,其次,水流流速要大,因此,两岸地物突出越明显,水流流速越大,剪刀水越明显。当下行船舶驶至此处时,可能会由于较强的横向流而使船舶偏离航线,造成触礁的危险。上行船舶驶至此处时,可能会因动力不足而无法自航上滩。另外,还有横流、跌水、激浪等不良流态,对船舶的安全航行造成严重威胁。1.4保险滩险较多。据外部监控,原理分为3个外海点和2.山区河流河床以石质河床居多,滩险也以石质滩险所占比重最大。山区河流石质滩险按照碍航原因可主要分成3类:(1)急流滩。由于坡度较大,流速过急,船舶上行时行至此局部河段,动力不足,不能自航上滩。此类滩险在乌江上又很多,如乌江的水油、牛尾三滩、高滩等。(2)险滩。由于泡漩水、滑梁水、剪刀水等不良流态的存在而碍航,致使船舶航行十分危险。如乌江的中溪子、猫滩等。(3)浅滩。河面宽阔,水流分散,水深不足设计要求水深,船舶行至此局部河段容易搁浅。比如乌江的大梁滩、龙船尾,北盘江的坝草滩、坝油滩等。2修复方法2.1险急滩段的整治航道整治应符合河床演变的规律和河流动力学的原理,统筹兼顾,科学规划。根据不同的滩险碍航性质,分清主次,针对性地选择整治措施,优化方案。调整险滩段的河床形态,并改善流速与流态。条件许可时,可开辟缓流区,以避开危险区域。整治顺序一般是先险后浅的原则,险急滩对船舶航行安全威胁较大,是最容易发生海事的河段,应首先进行整治。同时要全段规划,避免引起上游河段滩险的恶化。2.2最佳水位为5.2%风速急流滩主要是由于河床的泄水断面受到两岸地形的影响,在该滩的成滩水位开始,泄水面积的增加率不适应流量的增加率,至最凶水位时达到高峰,然后逐渐减缓。这种约束水流的现象,造成滩口段的陡比降和急流,妨碍航行。急流滩的碍航因素是急流和陡比降,应根据该滩的不同类型,采取相应的整治措施。(1)滩口全流水流,减少水力学的影响对于侧向收缩造成的卡口急流滩,可切宽滩口一岸或两岸的突嘴,令泄水面积在最凶水位、成滩水位和消滩水位时,均能适应其通过的流量,通过改善滩口的水流条件来调整局部陡比降、降低滩口急流。从水力学观点分析,整治前,滩段水面宽度较小,通过的水流除受泄水面积收缩外,还受侧向收缩的影响,使泄水面积更加缩小,形成急流和陡比降。当扩大泄水断面后,则可增加汇水面积同时减小侧向收缩的影响,从而降低流速和减缓比降。比如红水河四大险滩之一的大黄牛滩.具有典型的峡谷河段的特征,枯水时河面狭窄,最窄处仅30m,随着水位增加,航宽没有明显变化,水流流速过急,局部最大流速可达5.5m/s.采用扩大泄水断面法,将航槽加宽到40m。流速得到有效减缓,局部最大流速降在3m/s以下,船舶能够自航上滩。(2)养流区的改造在河岸的凸嘴处,其上、下游分别由于壅水和回流等原因,会出现一定范围的缓流区。船舶上行时,可以利用这些缓流区,而搭跳上滩。因此,在急流滩整治过程中,应考虑这种错口滩对船舶上行的有利条件。将具有改造条件的对口滩改造为错口滩。改造前,需收集航道的船型、队型、船速、航向和河面宽度等资料,进行错口长度的计算。要求计算出的数值是最小值,以供设计参考。(3)水库建设促进了比较和减少流量修建横跨河床的潜坝,用以束窄河床泄水面积,壅高坝上游水位,从而减缓坝上游河段的比降和流速。水深也会有一定程度地改善。(4)打开一条缓慢的运河在原航道以外另开辟一条排路航道,以避开急流区。(5)局部涨水麻黄坡陡型的急流,河床中一般会有石盘、石梁而产生局部跌水和急流。因此在石盘、石梁上开辟航槽,可降低河底高程,并增大泄水面积,从而减缓比降和流速。(6)滩头水位下降过多用扩大泄水断面或在石盘上开辟航槽等方法有可能造成滩头水位下降过多,从而导致上游滩险进一步恶化,因此,可在下游修建潜坝或丁坝,或者将开挖的土石方填在下游的深槽中,从而一定程度上壅高上游水位,减缓比降。2.3保险滩的评估2.3.1改善河口边界泡漩水是水流动能转化成位能而出现的水流形态,泡漩水险滩的整治方法也是通过消除形成水流动能转化的各种因素。主要整治方法有3种:(1)改变河床边界。通过改变河床边界而改善碍航的水流流态。具体措施有炸除突咀、归顺岸线、清理河床中突变的地物等。比如乌江的七里滩,炸除两岸交错的突咀,切除挑流的石盘后,泡漩水得到明显改善,达到通航标准。(2)改变形成泡漩水的水流动力条件。在航道宽度较大时,可在凹岸布置丁坝或顺坝以调整水流方向,调节流速分布。例如川江的栀子滩,在突咀的上游凹岸修建丁坝,将急流挑离突咀,泡漩水得到明显消减。或者在突咀上游修建潜坝,以扩散底流,减弱水流流速。2.3.2修建客流坝,防止水流横溢整治滑梁水险滩,主要方法是消灭或者躲避。(1)如果工程量不大,可炸除或炸低产生滑梁水的石盘、石梁,将石盘淹没在最低水位以下。或者在石梁上修建导流坝,抬高石梁的高程,从而避免水流横溢。(2)若工程量较大,则可选择躲避滑梁水,另辟新航道,使船舶避开滑梁水航行。若两岸均有滑梁水,船舶航行困难,两岸同时整治工程量太大,可采用改变一岸石梁高程的方法错开,造成高低不等的新岸线。当水位漫过较低的岸线时,产生滑梁水,对岸则挡住了水流。当水位继续上升,水流漫过对岸,产生滑梁水,而较低的一岸已成漫滩水,对航行无害,因此,船舶可沿着一岸交替航行。2.3.3凹岸下施工扫弯险滩在急弯河段,弯顶凹岸一带会产生强烈的扫弯水。产生扫弯水的主要原因有航道弯曲半径不足、水流流速过大和航宽不够。船舶上下行时沿着凸岸一侧航行。若凸岸侧的航道水深不足,则容易搁浅,若沿着凹岸航行,则容易发生扫尾、触礁事故。整治扫弯险滩的主要方法有:(1)改善水流扫弯情况。炸除凹岸碍航的突咀和礁石,拓宽航槽,可扩大泄水断面面积,减缓比降,降低流速。并加大了航道弯曲半径。能有效地减弱扫弯水。也可在凹岸处筑坝以调顺水流。(2)放弃弯槽,另辟新槽。当扫弯险滩整治弯道比较困难而且有另辟新槽的条件时,可考虑放弃弯槽,另辟新槽。比如将靠近凸岸一侧的水域拓宽加深,并切除突咀,使船舶能靠近凸岸行驶。若是高水期船舶能避开凹岸航行的扫弯险滩,可以用顺坝封闭弯道,并在凸岸一侧开辟比较顺直的低水航道。2.4坝底坝坝底高度浅滩的水流分散,水深较浅,很容易造成船舶搁浅。对于浅滩的整治,主要采用顺坝、丁坝等整治建筑物来束窄河床,同时辅以疏浚主航道,增加航道水深。疏浚开挖的土石方可以填在深槽内,以抬高水位,增加航道水深。有时也可采用堵坝来封堵支汊,使水流集中。顺坝和丁坝的坝头位置需按照整治线的宽度来确定。高度一般在设计低水位以上0.4~1m。疏浚的深度