CN107330228B - 一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法，选取河道横断面并沿河道宽度方向划分成流量相等的n条流带；确定流带的流速和水深之间的关系式；得到对应流带在整治实施前的流速、流量及水深；假定整治实施后各个建筑物的主尺寸参数，并由假定参数，模拟计算得到对应流带在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的流速变化值以及流速值；计算整治工程实施后各对应流带的水深；从而得到模拟整治工程实施后航槽水深的最小值；若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值，则假定的建筑物主尺寸参数成立；否则重复假定建筑物的主尺寸参数，直至小于等于设定阈值时为止。本发明普遍适用于正常浅滩、交错浅滩和分汊河段等河道治理。

Description

一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法

技术领域

本发明涉及一种河航道整治方法，特别涉及一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法。

背景技术

目前，内河航道整治建筑物的主尺寸主要通过整治参数进行确定，整治参数包括整治水位与整治线宽度，两者是相对应的，其综合作用的结果是航道满足通航条件要求。其中建筑物的高程取与整治水位齐平的高度，长度和高度等平面尺寸则通过整治线宽度确定。这种做法主要源于中小河流的理论体系。

具体来说，首先采用造床流量法、平滩水位法、临界水位法和经验取值法等计算整治水位，以确定整治建筑物的高程，然后采用经验分析法或优良河段模拟法、水力学公式法、河流动力学公式法三种方法确定整治线宽度。以往的确定整治参数的计算公式很多，其结构形式基本可归结为：

式中：B₁为整治前的河宽；B₂为整治后的河宽，即整治线宽度；H₁、H₂分别为整治前后的横断面平均水深；A为系数，x，y为指数。

从式中可以看出，右边的H₁/H₂要求H₂>H₁时，才能缩窄河宽，加大水流的流速冲深浅区，一般来说，这种表达式仅适用于正常过渡段浅滩，对于交错浅滩、弯道浅滩和分汊河段的分、汇流一侧有深潭的浅滩，因有倒套，深潭水域所取横断面平均水深H₁往往还要大于H₂，根据式(1)，不但不需缩窄河宽，反而还需加大河宽，这一结论显然不合理。对于交错浅滩、弯道浅滩和分汊河段的分、汇流一侧有深潭的浅滩，其内河航道整治建筑物的主尺寸无法通过上述方法确定。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法，包括如下步骤：

步骤一，选取待治理的河道浅区处的横断面，将选取的横断面沿河道宽度方向划分成流量相等的n条流带；确定各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式；取得各对应流带截面在整治工程实施前的平均流速、流量、宽度以及平均水深；

步骤二，假定整治工程实施后各个建筑物的主尺寸参数，并根据假定参数，模拟计算各对应流带截面在整治工程实施后由每个建筑物所产生的平均流速变化值并进行迭加，得到对应流带截面在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的平均流速变化值以及平均流速值；

步骤三，根据已确定的各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式，计算整治工程实施后各对应流带的平均水深；从而得到模拟整治工程实施后航槽水深的最小值；

步骤四，将航槽水深的最小值与设计航深比较，若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值，则假定的建筑物主尺寸参数成立；若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值大于设定阈值，则重复步骤二至步骤三，直至航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值时为止。

进一步地，所述步骤一中，各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系式采用如下表达式：

其中：

式(1)至式(5)中，各参数定义如下：

i＝1、2、3....n

q_i为第i个流带截面在某时段的流量，单位为m³/s；

V_i为第i个流带截面在该时段的平均流速，单位m/s；

H_i为第i个流带截面在该时段的平均水深，单位为m；

b_i为第i个流带截面的宽度，单位为m；

Q为整个选取的横断面在该时段的流量，单位为m³/s；

K为选取的横断面常数；

Q′为整个选取的横断面在该时段的条件流量，单位为m^8/3。

进一步地，所述内河航道整治建筑物为纵堤，计算纵堤整治实施后各对应流带流速值的具体实施步骤如下：

步骤a，将待整治的纵堤堤头所在的河道横断面为研究对象，将该横断面划分成流量相等的n条流带，实测该横断面在纵堤整治实施前的流量，并取得各对应流带截面在整治工程实施前的平均流速、流量、宽度及平均水深的参数值；计算该横断面在纵堤整治实施前的条件流量，以及纵堤整治实施后条件流量；求得纵堤整治实施后引起的条件流量变化值；

步骤b，计算该横断面在纵堤整治实施后的流量增加值ΔQ，计算公式为：

ΔQ′＝Q_b′-Q_a′ (6)

式(6)、式(7)中，各参数定义如下：

Q_a为该横断面在纵堤整治实施前的流量；

Q_a′为该横断面在纵堤整治实施前的条件流量；

Q_b′为该横断面在纵堤整治实施后的条件流量；

ΔQ′为该横断面整治实施后引起的条件流量变化值；

ΔQ为该横断面在纵堤整治实施后的流量增加值；

步骤c，按照经验法，将ΔQ按照第i个流带的截面面积与整体选取的横断面面积的比例进行分配并取整得到Δq_i，再迭加到各对应流带上，计算纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带的流量，计算公式为：

q_bi＝q_ai+Δq_i (9)

式(8)、式(9)中，各参数定义如下：

q_ai为纵堤整治实施前第i个流带的流量；

q_bi为纵堤整治实施后第i个流带的流量；

Δq_i为纵堤整治实施后第i个流带的流量增加值；

步骤d，根据各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式，计算纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带截面的流速值。

进一步地，当内河航道整治建筑物为丁坝时，求得丁坝整治实施后各对应流带平均流速变化值的具体步骤为：

步骤Ⅰ，设丁坝整治工程实施后流速的变化值与剩余河宽和水深的函数关系表达式如下：

步骤Ⅱ，通过试验法，确定关系表示式如下：

步骤Ⅲ，根据试验法，得到丁坝横断面垂线平均流速沿宽度方向的关系表达式如下：

步骤Ⅳ，求得丁坝整治实施后各对应流带平均流速变化值；

其中，式(10)、式(11)、式(12)中，各参数定义如下：

V_b为丁坝整治实施后丁坝对侧不受边壁影响处的流速，

V_a为丁坝整治实施前横断面的平均流速，

B_a为丁坝整治实施前的河宽，

B_b为丁坝的长度；

H为丁坝实施前的平均水深；

y为距丁坝一侧岸边处的距离；

V_by为丁坝整治实施后距丁坝一侧岸边处距离为y处的流速。

进一步地，所述步骤二中，设第i个流带在整治工程实施后由第k个建筑物所产生的流速变化值为ΔV_ki，设对应流带在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的流速变化值为ΔV_i；整治工程实施后第i个流带的流速值采用如下函数表达式计算：

ΔV_i＝∑ΔV_ki＝ΔV_1i+ΔV_2i+...+ΔV_ki (13)

V_bi＝V_ai+∑ΔV_ki； (14)

式(13)至式(14)中，各参数定义如下：

V_bi为整治工程实施后第i个流带的流速值；

V_ai为整治工程实施前第i个流带的流速值；

ΔV_1i为第一个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_2i为第二个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_ki为第k个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_i为第i个流带在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的流速变化值。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)本发明提出的航道整治建筑物主尺寸确定方法，普遍适用于正常浅滩、交错浅滩和分汊河段等河道治理，克服了以往航道整治参数更多适用于单一优良河段的不足。

(2)不同于以往建立宏观河道水深与河宽之间的关系，本发明基于浅滩横断面各流带水深和流速的关系确定航道建筑物主尺寸，有利于更精细地关注和把握航槽的变化。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法，包括如下步骤：

步骤一，选取待治理的河道浅区处的横断面，将选取的横断面沿河道宽度方向划分成流量相等的n条流带；确定各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式；取得各对应流带截面在整治工程实施前的平均流速、流量、宽度以及平均水深；本发明的流带截面是指沿河宽方向的横截面。

步骤二，假定整治工程实施后各个建筑物的主尺寸参数，并根据假定参数，模拟计算各对应流带截面在整治工程实施后由每个建筑物所产生的平均流速变化值并进行迭加，得到对应流带截面在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的平均流速变化值以及平均流速值；

步骤三，根据已确定的各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式，计算整治工程实施后各对应流带的平均水深；从而得到模拟整治工程实施后航槽水深的最小值；

步骤四，将航槽水深的最小值与设计航深比较，若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值，则假定的建筑物主尺寸参数成立；若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值大于设定阈值，则重复步骤二至步骤三，直至航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值时为止。

内河航道整治建筑物最常采用的有丁坝和纵堤，本发明的内河航道整治建筑物主尺寸，是指丁坝的长度、高度和宽度，纵堤的长度、高度、宽度和角度。

进一步地，所述步骤一中，各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系式可采用如下表达式：

其中：

式(2)为第i个流带截面在某时段的平均流速、流量、宽度及平均水深之间的关系式；

式(2-1)为第i个流带截面在治理前的平均流速、流量、宽度及平均水深之间的关系式；

式(2-2)为第i个流带截面在治理后的平均流速、流量、宽度及平均水深之间的关系式；

式(1)至式(5)中，各参数定义如下：

i＝1、2、3....n

q_i为第i个流带截面在某时段的流量，单位为m³/s；

V_i为第i个流带截面在该时段的平均流速，单位m/s；

H_i为第i个流带截面在该时段的平均水深，单位为m；

b_i为第i个流带截面的宽度，单位为m；

Q为整个选取的横断面在该时段的流量，单位为m³/s；

K为选取的横断面常数；

Q′为整个选取的横断面在该时段的条件流量，单位为m^8/3。

式(2-1)中，各参数定义如下：

i＝1、2、3....n

q_ai为第i个流带截面在治理前的流量，单位为m³/s；

V_ai为第i个流带截面在治理前的平均流速，单位m/s；

H_ai为第i个流带截面在治理前的平均水深，单位为m；

b_i为第i个流带截面的宽度，单位为m；

式(2-2)中，各参数定义如下：

i＝1、2、3....n

q_bi为第i个流带截面在治理后的流量，单位为m³/s；

V_bi为第i个流带截面在治理后的平均流速，单位m/s；

H_bi为第i个流带截面在治理后的平均水深，单位为m；

b_i为第i个流带截面的宽度，单位为m；

进一步地，所述内河航道整治建筑物可为纵堤，计算纵堤整治实施后各对应流带流速值的具体实施步骤可如下：

步骤a，可将待整治的纵堤堤头所在的河道横断面为研究对象，可将该横断面划分成流量相等的n条流带，实测该横断面在纵堤整治实施前的流量(Q_a)，整治前的河道横断面的相关参数可以通过实际测量取得，包括河宽、河道沿河宽方向的各采样点水深、流量等，并取得各对应流带截面在整治工程实施前的平均流速(V_ai)、流量(q_ai)、宽度(b_i)以及平均水深(H_ai)的参数值；计算该横断面在纵堤整治实施前的条件流量(Q_a′)，以及纵堤整治实施后条件流量(Q_b′)；求得纵堤整治实施后引起的条件流量变化值(ΔQ′)；

步骤b，计算该横断面在纵堤整治实施后的流量增加值ΔQ，计算公式为：

ΔQ′＝Q_b′-Q_a′ (6)

式(6)、式(7)中，各参数定义如下：

Q_a为该横断面在纵堤整治实施前的流量；

Q_a′为该横断面在纵堤整治实施前的条件流量；

Q_b′为该横断面在纵堤整治实施后的条件流量；

ΔQ′为该横断面整治实施后引起的条件流量变化值；

ΔQ为该横断面在纵堤整治实施后的流量增加值；

步骤c，可按照经验法，将ΔQ按照第i个流带的截面面积与整体横断面面积的比例进行分配并取整得到Δq_i，再迭加到各对应流带上，计算纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带的流量，计算公式可为：

q_bi＝q_ai+Δq_i (9)

式(8)、式(9)中，各参数定义如下：

q_ai为纵堤整治实施前第i个流带的流量；

q_bi为纵堤整治实施后第i个流带的流量；

Δq_i为纵堤整治实施后第i个流带的流量增加值；

步骤d，可根据各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式，计算纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带截面的流速值。

可将q_bi代入式(2-2)，可以计算纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带流速值V_bi。

式(2-2)中，根据长江航道局组织编写、周冠伦主编的《航道工程手册》，H_bi与H_ai值近似，H_bi可用H_ai代替。具体见第八篇航道整治工程水力计算——第四章丁坝与顺坝水力计算——第四节丁坝、顺坝束水后航槽流速分布及冲刷深度计算第1032页～1036页算例，该算例在(一)收缩断面流速分布计算第2步计算收缩断面的宽度与流速分布第(3)步(表8.4.4-1中Vi列)以及在(二)丁坝断面航槽内及坝头附近区域流速计算和航槽冲刷深度估算第3步航槽内流速计算Vh时均采用此方法。

步骤f，将步骤d得到的纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带流速值(V_bi)与各对应流带截面在整治工程实施前的平均流速(V_ai)相减，可求得各对应流带在纵堤整治实施后所产生的流速变化值。

进一步地，当内河航道整治建筑物为丁坝时，求得丁坝整治实施后各对应流带平均流速变化值的具体步骤可为：

步骤Ⅰ，可设丁坝整治工程实施后流速的变化值与剩余河宽和水深的函数关系表达式如下：

步骤Ⅱ，可通过试验法，确定关系表示式如下：

步骤Ⅲ，可根据试验法，得到丁坝横断面垂线平均流速沿宽度方向的关系表达式如下：

步骤Ⅳ，求得丁坝整治实施后各对应流带平均流速变化值；

其中，式(10)、式(11)、式(12)中，各参数定义如下：

V_b为丁坝整治实施后丁坝对侧不受边壁影响处的流速，

V_a为丁坝整治实施前横断面的平均流速，

B_a为丁坝整治实施前的河宽，

B_b为丁坝的长度；

H为丁坝实施前的平均水深；

y为距丁坝一侧岸边处的距离；

V_by为丁坝整治实施后距丁坝一侧岸边处距离为y处的流速。

式(12)中，

是关于B_b和y的函数；其中B_b可根据经验设定多个模拟值，则

成为一组关于y的连续函数。

进一步地，所述步骤二中，可设第i个流带在整治工程实施后由第k个建筑物所产生的流速变化值为ΔV_ki，设对应流带在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的流速变化值为ΔV_i；整治工程实施后第i个流带的流速值可采用如下函数表达式计算：

ΔV_i＝∑ΔV_ki＝ΔV_1i+ΔV_2i+...+ΔV_ki (13)

V_bi＝V_ai+∑ΔV_ki； (14)

式(13)至式(14)中，各参数定义如下：

V_bi为整治工程实施后第i个流带的流速值；

V_ai为整治工程实施前第i个流带的流速值；

ΔV_1i为第一个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_2i为第二个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_ki为第k个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_i为第i个流带在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的流速变化值。

假设在选取的横断面的整治工程包括丁坝和纵堤，则可通过上述方法分别求得丁坝所产生的流速变化值(设为ΔV_1i)，和纵堤所产生的流速变化值(设为ΔV_2i)，将两者的流速变化值相加，就得到总的流速变化值ΔV_i，这样就求出整治工程实施后第i个流带的流速值V_bi。

根据已确定的各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式，可计算丁坝和纵堤整治工程实施后各对应流带的平均水深；从而得到模拟整治工程实施后航槽水深的最小值；比如可根据公式(5)可求得H_bi，从中找到航槽水深的最小值。

将航槽水深的最小值与设计航深比较，若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值(H_T)，则假定的建筑物主尺寸参数成立；若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值大于设定阈值(H_T)，则重复模拟设定丁坝和纵堤的主尺寸，直至航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值时为止。

丁坝和纵堤的主尺寸，包括丁坝的长度、高度和宽度，纵堤的长度、高度、宽度和角度。

通过以上方法，可以规划内河航道整治建筑物的主尺寸，如丁坝的长度、高度和宽度，纵堤的长度、高度、宽度和角度。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种内河航道整治建筑物主尺寸确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，选取待治理的河道浅区处的横断面，将选取的横断面沿河道宽度方向划分成流量相等的n条流带；确定各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式；取得各对应流带截面在整治工程实施前的平均流速、流量、宽度以及平均水深；

步骤二，假定整治工程实施后各个建筑物的主尺寸参数，并根据假定参数，模拟计算各对应流带截面在整治工程实施后由每个建筑物所产生的平均流速变化值并进行迭加，得到对应流带截面在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的平均流速变化值以及平均流速值；

步骤三，根据已确定的各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式，计算整治工程实施后各对应流带的平均水深；从而得到模拟整治工程实施后航槽水深的最小值；

步骤四，将航槽水深的最小值与设计航深比较，若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值，则假定的建筑物主尺寸参数成立；若航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值大于设定阈值，则重复步骤二至步骤三，直至航槽水深的最小值与设计航深之差的绝对值小于等于设定阈值时为止；

所述步骤一中，各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系式采用如下表达式：

其中：

式(1)至式(5)中，各参数定义如下：

i＝1、2、3....n

q_i为第i个流带截面在某时段的流量，单位为m³/s；

V_i为第i个流带截面在该时段的平均流速，单位m/s；

H_i为第i个流带截面在该时段的平均水深，单位为m；

b_i为第i个流带截面的宽度，单位为m；

Q为整个选取的横断面在该时段的流量，单位为m³/s；

K为选取的横断面常数；

Q′为整个选取的横断面在该时段的条件流量，单位为m^8/3。

2.根据权利要求1所述的内河航道整治建筑物主尺寸确定方法，其特征在于：所述内河航道整治建筑物为纵堤，计算纵堤整治实施后各对应流带流速值的具体实施步骤如下：

步骤a，将待整治的纵堤堤头所在的河道横断面为研究对象，将该横断面划分成流量相等的n条流带，实测该横断面在纵堤整治实施前的流量，并取得各对应流带截面在整治工程实施前的平均流速、流量、宽度及平均水深的参数值；计算该横断面在纵堤整治实施前的条件流量，以及纵堤整治实施后条件流量；求得纵堤整治实施后引起的条件流量变化值；

步骤b，计算该横断面在纵堤整治实施后的流量增加值ΔQ，计算公式为：

ΔQ′＝Q_b′-Q_a′ (6)

式(6)、式(7)中，各参数定义如下：

Q_a为该横断面在纵堤整治实施前的流量；

Q_a′为该横断面在纵堤整治实施前的条件流量；

Q_b′为该横断面在纵堤整治实施后的条件流量；

ΔQ′为该横断面整治实施后引起的条件流量变化值；

ΔQ为该横断面在纵堤整治实施后的流量增加值；

步骤c，按照经验法，将ΔQ按照第i个流带的截面面积与整体选取的横断面面积的比例进行分配并取整得到Δq_i，再迭加到各对应流带上，计算纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带的流量，计算公式为：

q_bi＝q_ai+Δq_i (9)

式(8)、式(9)中，各参数定义如下：

q_ai为纵堤整治实施前第i个流带的流量；

q_bi为纵堤整治实施后第i个流带的流量；

Δq_i为纵堤整治实施后第i个流带的流量增加值；

步骤d，根据各流带截面的平均流速、流量、宽度以及平均水深之间的函数关系表达式，计算纵堤整治实施后浅区横断面各对应流带截面的流速值。

3.根据权利要求1所述的内河航道整治建筑物主尺寸确定方法，其特征在于：当内河航道整治建筑物为丁坝时，求得丁坝整治实施后各对应流带平均流速变化值的具体步骤为：

步骤Ⅰ，设丁坝整治工程实施后流速的变化值与剩余河宽和水深的函数关系表达式如下：

步骤Ⅱ，通过试验法，确定关系表示式如下：

步骤Ⅲ，根据试验法，得到丁坝横断面垂线平均流速沿宽度方向的关系表达式如下：

步骤Ⅳ，求得丁坝整治实施后各对应流带平均流速变化值；

其中，式(10)、式(11)、式(12)中，各参数定义如下：

V_b为丁坝整治实施后丁坝对侧不受边壁影响处的流速，

V_a为丁坝整治实施前横断面的平均流速，

B_a为丁坝整治实施前的河宽，

B_b为丁坝的长度；

H为丁坝实施前的平均水深；

y为距丁坝一侧岸边处的距离；

V_by为丁坝整治实施后距丁坝一侧岸边处距离为y处的流速。

4.根据权利要求1所述的内河航道整治建筑物主尺寸确定方法，其特征在于：所述步骤二中，设第i个流带在整治工程实施后由第k个建筑物所产生的流速变化值为ΔV_ki，设对应流带在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的流速变化值为ΔV_i；整治工程实施后第i个流带的流速值采用如下函数表达式计算：

ΔV_i＝∑ΔV_ki＝ΔV_1i+ΔV_2i+...+ΔV_ki (13)

V_bi＝V_ai+∑ΔV_ki； (14)

式(13)至式(14)中，各参数定义如下：

V_bi为整治工程实施后第i个流带的流速值；

V_ai为整治工程实施前第i个流带的流速值；

ΔV_1i为第一个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_2i为第二个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_ki为第k个建筑物所产生的流速变化值；

ΔV_i为第i个流带在整治工程实施后由所有建筑物产生的总的流速变化值。

Images