CN104294792B - 一种河流浅滩航道整治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流浅滩航道整治方法，包括以下步骤：a、确定要整治的河段，即先获取航道各河段枯水期水位以及航道所要求的航道等级，确定枯水期碍航的浅滩段为待整治河段；b、整治线设计与布置；c、整治断面设计；d、根据上述步骤确定的数值，进行航道整治施工；其特征在于，c步骤的整治断面设计时，采用申请人自主研发的公式计算，计算过程中考虑了河道坡度，平均水深、砂粒粒径，河道宽度和比降等物理参数对结果的影响。进而保证了整治后航道通航性能更好，航道的稳定性和持久性更好。

Description

一种河流浅滩航道整治方法

技术领域

本发明涉及航道整治技术，尤其是涉及一种河流浅滩航道整治方法。

背景技术

水运由于其运输能力高、运输成本低等优点，是交通运输业中的一个重要组成部分，它对现代工农业的发展，改善人民生活和促进国际贸易与文化交流都起着重要的作用，世界上凡是工农业发展较为发达的国家，其水运业都是比较发达的。例如美国、德国、荷兰和俄罗斯等国，基本上都已建成一个四通八达的内河航道网，其货物周转量仅次于铁路运输。然而，由于河道的地形和水流长时间的冲於，导致泥沙的推积，存在大量碍航浅滩，船只无法通行，严重限制了航运事业的发展随着经济及水上航运业的发展，航道整治及治理越来越受重视。航道整治工程就是针对碍航浅滩，利用整治建筑物或其他工程措施，调整河槽形态，增加水深，改善通航水流条件，提高和稳定航道尺度，扩大通过能力，保证船舶与船队顺利安全通航。

航道整治中最基本也是最重要的内容是整治断面的设计，而整治断面的设计则包括整治水位及整治线宽度的确定问题，是航道整治工程设计中的两个重要技术参数。对于上述二者的确定是否合理，关系着工程的成败和经济效益。目前，各学者在两者的确定问题上的基本理论和手段上存在着差异，各家有不同的计算方法。因此在进行航道整治时，往往对于该采用何种方法来确定整治水位和整治线宽度难以抉择。对于整治线宽度的确定，学者提出不同的计算公式。然而对于整治水位的确定，通常采用的是经验方法,但这种方式个人主观性太大，不能客观地反应和水深、流速、河床宽度等物理参数之间的科学联系，故导致航道通航性能常常不能达到要求，同时使得航道稳定性和持久性较差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种整治后航道通航性能更好，稳定性和持久性更好的河流浅滩航道整治方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种河流浅滩航道整治方法，包括以下步骤：

a、确定要整治的河段，即先获取航道各河段枯水期水位以及航道所要求的航道等级，确定枯水期碍航的浅滩段为待整治河段；

b、整治线设计与布置；

c、整治断面设计；

d、根据上述步骤确定的数值，进行航道整治施工；

其特征在于，

c步骤中，整治断面的设计包括设计水位、整治线宽度和整治水位的确定，其中

c1设计水位的确定：本发明采用瞬时水位法确定设计水位，即选择枯水期水位稳定时，在浅滩上设立水尺，观测一段时间的水位，算出浅滩与基本站同瞬时的落差关系，按照下式求出浅滩设计水位：

$Z_S=Z_{s1}-\frac{1}{n}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(Z_{1i}-Z_i)---\left(1\right)$

式中：Z_s——浅滩水尺设计水位；

Z_s1——基本站设计水位；

Z_1i——基本站第i次观测的瞬时水位；

Z_i——浅滩水尺第i次观测的瞬时水位；

n——同步观读瞬时水位次数。

c2整治水位和整治线宽度的确定：先根据上下游河流的平均宽度，拟定为整治线宽度B，然后代入以下公式

H＝0.003B^1.563J^0.6781(1000D₅₀)^0.273V^-1.67(2)

式中：H为平均水深(m)；J为河道坡度(‰)；D₅₀为河床床面中值粒径(mm)；B为河道宽度(m)；V为河道平均流速(m/s)；

计算出整治水位(即平均水深H)的大小，将整治水位和设计水位比较，如果高出0.8m～1.8m，则确定拟定的B和计算出的H为所求整治水位和整治线宽度；如果整治水位和设计水位比较，超出值大于或小于0.8m～1.8m，则调整拟定的B值，调整方式为每次增加或减少0.1m，重新带入公式(2)计算H值，直到计算的整治水位高出设计水位在0.8m～1.8m范围内，确定调整的B值和对应的H值为所求的整治水位和整治线宽度。

上述公式(2)的原理和推导过程为：

河相关系与主要因素H、B、J、V、D₅₀的关系可表示为如下一般函数关系：

F(H,B,J,D₅₀,V)＝0(3)

式中：F表示函数关系，H为平均水深(m)；J为河道坡度(‰)；D₅₀为河床床面中值粒径(mm)；B为河道宽度(m)；V为河道平均流速(m/s)；用量纲分析法可得式(3)中各物理变量的因次关系为：

$F(\frac{B}{H},J,\frac{1000D_{50}}{H},\frac{V}{\sqrt{\mathrm{gH}}})=0---\left(4\right)$

因此河相关系公式可以写为下述无量纲型式：

$\frac{B}{H}=a_0{J}^{a_1}{\left(\frac{1000D_{50}}{H}\right)}^{a_2}{F}_r^{a_3}---\left(5\right)$

式中：为水流重力与惯性力之比的无量纲数，a₀、a₁、a₂、a₃为待求的系数和指数，由下文的实测数据统计拟合确定。

为对上述公式的参数进行率定，将上式两段取对数：

$\ln \left(\frac{B}{H}\right)\text{=ln}\left(a_0\right)+a_1\ln \left(J\right)+a_2\ln \left(\frac{1000D_{50}}{H}\right)+a_3\ln \left(F_r\right)---\left(6\right)$

由于未知数为4个(a₀、a₁、a₂和a₃)，但是一般我们的实测数据并不一定是4层，因此，本文采用最小二乘法(Nietal,2010)进行求解，具体步骤如下所示：

①建立目标函数

$f=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\ln a_0+a_1\ln J_i+a_2\ln \frac{1000D_{{50}_i}}{H_i}+a_3\ln \frac{V_i}{\sqrt{g{H}_i}}-\ln \frac{B_i}{H_i})}^2---\left(7\right)$

其中J_i、H_i、V_i和B_i分别为第i层比降、中值粒径、水深、流速和河床宽度。

②当目标函数取极小值时满足

$\frac{\∂f}{\∂a_0}=0\⇒\frac{2}{a_0}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\ln a_0+a_1\ln J_i+a_2\ln \frac{1000D_{50}}{H_i}+a_3\ln \frac{V_i}{\sqrt{g{H}_i}})=\frac{2}{a_0}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \frac{B_i}{H_i}---\left(8\right)$

$\frac{\∂f}{\∂a_1}=0\⇒2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln J_i(\ln a_0+a_1\ln J_i+a_2\ln \frac{1000D_{50}}{H_i}+a_3\ln \frac{V_i}{\sqrt{g{H}_i}})=2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln J_i\×\ln \frac{B_i}{H_i}---\left(9\right)$

$\frac{\∂f}{\∂a_2}=0\⇒2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \frac{1000D_{50}}{H_i}\×(\ln a_0+a_1\ln J_i+a_2\ln \frac{1000D_{50}}{H_i}+a_3\ln \frac{V_i}{\sqrt{g{H}_i}})=2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \frac{1000D_{50}}{H_i}\×\ln \frac{B_i}{H_i}---\left(10\right)$

$\frac{\∂f}{\∂a_3}=0\⇒2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \frac{V_i}{\sqrt{g{H}_i}}\×(\ln a_0+a_1\ln J_i+a_2\ln \frac{1000D_{50}}{H_i}+a_3\ln \frac{V_i}{\sqrt{g{H}_i}})=2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \frac{V_i}{\sqrt{g{H}_i}}\×\ln \frac{B_i}{H_i}---\left(11\right)$

式中n代表用来拟合的点数。矩阵求解，便可得出a₀、a₁、a₂和a₃。

这些实测资料各项水力因素的范围见表1：

根据各国实测资料应用线性回归分析来确定上式中的系数。实测资料包括中国资科700项，印度资料42项，美国、加拿大资料350项，新西兰、英国、意大利资料210项，澳大利亚98项，共计1400项。这些资料覆盖了亚洲、北美洲、欧洲和大洋洲的各类河道。在所有实测资料中随机抽取1000项数据用于公式的线性回归计算，另外400项用于公式的验证。

表1实测资料影响因素的范围

基于最小二乘法原理对国内外1000场实测资料进行线性回归分析，可得：

a₀＝155.163，a₁＝-0.434，a₂＝-0.175，a₃＝1.069

因此，河相关系的回归方程为：

复相关系数R＝0.712，若取信度α＝0.05，F＝2.60,则R_α＝0.062。由此可知，R>R_α，表明上述回归方程与各项实测资料关系是密切的。

为方便工程中估算方便，可将上式进行化简：

H＝0.003B^1.563J^0.6781(1000D₅₀)^0.273V^-1.67(2)

式中：H为平均水深(m)；J为河道坡度(‰)；D₅₀为河床床面中值粒径(mm)；B为河道宽度(m)；V为河道平均流速(m/s)。

公式(2)即为航道整治水位的计算公式。

本发明的优点为：本发明对现有技术做出最大贡献的地方，在于提供了一种整治水位和整治线宽度的确定方式，该方法根据科学计算，考虑了河道坡度，平均水深、砂粒粒径，河道宽度和比降等物理参数的影响。进而保证了整治后航道通航性能更好，航道的稳定性和持久性更好。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：一种河流浅滩航道整治方法，包括以下步骤：

a、确定要整治的河段，即先获取航道各河段枯水期水位以及航道所要求的航道等级，确定枯水期碍航的浅滩段为待整治河段；

b、整治线设计与布置：整治线是指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；具体实施时，b步骤可以采用现有技术进行确定，或者采用以下具体步骤，

b1整治线布置：整治线的起点和终点应以稳定深槽的主导河为依托，这里的稳定深槽是指符合航行要求和历年来变化不大的深槽，靠近凹岸。整治线自上深槽过渡到下深槽，其上游过度起点在枯水期水流动力轴线开始偏向河的位置，作为整治线的过度起点，其下游过度终点，应位于下深槽往下1.0m～1.5m，再与上下深槽平顺连接。整治线与枯水河槽相适应，分三种情况，其一，洪枯水流向基本一致，即交角较小整治线易于满足洪枯水流向要求；其二，洪枯水流向偏差较大，交角较大则整治线应靠右岸位置(距离右岸0.3m～0.5m)，在左岸布置整治建筑物；其三，洪枯水流向偏差相当大，交角很大浅滩比较恶劣，整治线布置宜从上游深槽伸向凸岸(右岸)后再与下深槽凹岸连接，将整治线设计成反弯，增加环流。

b2确定整治线轮廓：整治线设计中极为重要的还有整治线轮廓的确定，主要是确定整治线的轴线，冲积河流长段顺直河道形状往往不稳定，将整治线的轴线做成曲线，曲线与曲线之间有短的平直段，与河道各方面条件相适应，形成稳定的河型，也能满足航行方面的要求。因此，在进行整治线设计时，应当选择适当弯曲半径和直线(平直段L)长度。当浅滩河段的来沙量较多可采用R＝4B,反之采用R＝5B。当切除凸嘴，改善航行条件时，可采用R＝(2～3)B，B为整治线宽度，直线段长度一般取L＝(1～3)B。

b3整治线控制：整治线型规划设计完毕，必须通过整治建筑物来实现整治线的平面控制。在此采用的整治建筑物为丁坝，本发明是针对浅滩整治，布置多条丁坝组成丁坝群，形成较长范围的的束水区域。两岸丁坝交错布置形式，第一座丁坝布置在水流扩散点上方，两坝间距D与其上一条丁坝在过水断面上的有效长度L有关，顺直河段取D＝(1.2～2.5)L；凸岸侧丁坝间距取D＝(1.5～3.0)L；凹岸侧间距取D＝(1.0～2.0)L。坝头位于整治线上，坝顶高程与下面计算的整治水位值相等，坝顶宽根据河流大小在1m～4m间取值，迎水坡度为1:1～1:1.5，背水坡度为1:1～1:2.5，坝顶纵坡为1：100～1:300。对坝根进行护坡，上游护坡长5m～15m，下游护坡长10m～25m，护坡高度不低于坝根顶部以上1.0m，且坝根处的土质岸坡不宜陡于1:1.5。为节省工程投资，丁坝群采用袋装土填芯结构，外层加抛块石干砌护面。

c、整治断面设计：整治断面的设计包括设计水位、整治线宽度和整治水位的确定，其中

c1设计水位的确定：本发明采用瞬时水位法确定设计水位，即选择枯水期水位稳定时，在浅滩上设立水尺，观测一段时间的水位，算出浅滩与基本站同瞬时的落差关系，按照下式求出浅滩设计水位：

式中：Z_s——浅滩水尺设计水位；

Z_s1——基本站设计水位；

Z_1i——基本站第i次观测的瞬时水位；

Z_i——浅滩水尺第i次观测的瞬时水位；

n——同步观读瞬时水位次数。

c2整治水位和整治线宽度的确定：先根据上下游河流的平均宽度，拟定为整治线宽度B，然后代入以下公式

H＝0.003B^1.563J^0.6781(1000D₅₀)^0.273V^-1.67(2)

式中：H为平均水深(m)；J为河道坡度(‰)；D₅₀为河床床面中值粒径(mm)；B为河道宽度(m)；V为河道平均流速(m/s)；

计算出整治水位(即平均水深H)的大小，将整治水位和设计水位比较，如果高出0.8m～1.8m，则确定拟定的B和计算出的H为所求整治水位和整治线宽度；如果整治水位和设计水位比较，超出值大于或小于0.8m～1.8m，则调整拟定的B值，调整方式为每次增加或减少0.1m，重新带入公式(2)计算H值，直到计算的整治水位高出设计水位在0.8m～1.8m范围内，确定调整的B值和对应的H值为所求的整治水位和整治线宽度。

d、根据上述步骤获取的数值，进行航道整治施工，具体施工过程为现有技术，不在此详述。

本发明中，考虑了来水来沙条件中泥沙粒径的影响，引入中值粒径，结合平滩河宽、平均水深、平均流速以及河床比降等因素提出了坝下河段航道整治线宽度确定的改进方法，并采用国内外多条河流的野外实测资料，确定了该整治线宽度公式的参数，验证了其精度高于流量-比降公式及水力学公式。

同时，申请人经具体工程验证，以白石窑枢纽坝下河段的航道整治工程为依据，采用本发明的方法确定了该研究河段的整治参数。在此基础上拟定了整治方案，建立了枢纽坝下河段平面二维水沙数学模型，对工程前后航道的稳定性进行了对比分析，结果表明研究河段枯水期水位降落明显，流速略有增加，有利于减少泥沙淤积，维持挖槽稳定；故验证了本发明的有益效果。

同时，申请人采用少水年、中水年及丰水年三个典型年的水沙资料对此河段的泥沙冲淤变化规律进行研究，结果表明该河段总体输沙能力有限，枢纽坝下～观音岩河段冲刷较为严重，观音岩以下河段受飞来峡水库回水影响，流速减缓，输沙能力减弱，河床以淤积为主，且呈累积性淤积态势。最后，通过数学模型与物理模型试验结果的对比分析，发现各浅滩的淤积量、浅滩长度及最小航宽相差不大，进一步说明了本文的方法具有较好的可行性，能为工程提供参考。

Claims (1)

1.一种河流浅滩航道整治方法，包括以下步骤：

a、确定要整治的河段，即先获取航道各河段枯水期水位以及航道所要求的航道等级，确定枯水期碍航的浅滩段为待整治河段；

b、整治线设计与布置；

c、整治断面设计；

d、根据上述步骤确定的数值，进行航道整治施工；

其特征在于，

c步骤中，整治断面的设计包括设计水位、整治线宽度和整治水位的确定，其中

c1设计水位的确定：本发明采用瞬时水位法确定设计水位，即选择枯水期水位稳定时，在浅滩上设立水尺，观测一段时间的水位，算出浅滩与基本站同瞬时的落差关系，按照下式求出浅滩设计水位：

式中：Z_s——浅滩水尺设计水位；

Z_s1——基本站设计水位；

Z_1i——基本站第i次观测的瞬时水位；

Z_i——浅滩水尺第i次观测的瞬时水位；

n——同步观读瞬时水位次数；

c2整治水位和整治线宽度的确定：先根据上下游河流的平均宽度，拟定为整治线宽度B，然后代入以下公式

H＝0.003B^1.563J^0.6781(1000D₅₀)^0.273V^-1.67(2)

式中：H为平均水深(m)；J为河道坡度(‰)；D₅₀为河床床面中值粒径(mm)；B为河道宽度(m)；V为河道平均流速(m/s)；

计算出整治水位(即平均水深H)的大小，将整治水位和设计水位比较，如果前者高出0.8m～1.8m，则确定拟定的B和计算出的H为所求整治水位和整治线宽度；如果整治水位和设计水位比较，超出值大于或小于0.8m～1.8m，则调整拟定的B值，调整方式为每次增加或减少0.1m，重新带入公式(2)计算H值，直到计算的整治水位高出设计水位在0.8m～1.8m范围内，确定调整的B值和对应的H值为所求的整治水位和整治线宽度。