长沙理工大学2013年港航专业航道整治课程设计.dox

二、险滩成因及整治方案…………………………………………… 2

三、设计标准的确定和推算………………………………………… 2

附图1：床沙粒径级配曲线图……………………………………… 8

四、整治建筑物的布置……………………………………………… 9

附图2：整治线宽度和整治水位计算图…………………………… 10

五、水力计算及结论…………………………………………………11

附图3: 丁坝断面冲於条件计算图…………………………………13

附图4：丁坝断面图………………………………………………14

附图5丁坝断面图…………………………………………………15

附图6丁坝断面图…………………………………………………16

六、施工建议和要求…………………………………………………18

七、工程量计算………………………………………………………19

附图7：丁坝断面设计及工程量计算图…………………………20

参考文献资料…………………………………………………………21

一、滩险概况

该浅滩位于湘江湘钢附近，河床属于沙质，河宽为600～700m，一般枯水期水深较浅，妨碍航行。

该浅滩属正常浅滩，上边滩较高，下边滩较低，边滩与深槽相互对应分布，上、下深槽相互对峙而不交错，它的两侧具有较高的边滩。上、下深槽在平面上相互交错，下深槽的上端（倒套）窄而深，边滩较低，横向漫滩水流强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹斜窄，浅滩冲淤变化较大。

该浅滩右岸有一钢铁厂，需要取水，故要求整治时不封死右边滩，预留水道，设计水位时分流量不小于15m³/s。中枯水期，水流向上深槽漫越上沙咀流向下深槽，形成扇形水流，水流分散，水深不足，严重影响航行，需要整治。

二、险滩成因及整治方案    

该浅滩形成的原因是多方面的，但主要是水流分散，边滩较低，导致水流归槽时间迟，由于上边滩较高，水流到达过渡段后，下边滩较低，河面比上面宽，使水流流速减小，挟沙能力减弱，形成淤积。横向漫滩水流比较强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹不明显，浅滩冲於变化较大。

根据浅滩成因可知，滩险形成的主要原因是河面过宽，边滩低，故应针对这些因素采取相应的措施，制定整治方案如下：束窄河面，加高下边滩，使流速增大，形成对浅滩的冲刷。采取这些措施后，可使中枯水位时，水流归槽早，冲刷时间增加。

具体实施方案如下：左边沿整治线布置一顺坝，起到引导水流、束狭河床的作用。考虑到右岸有钢铁厂取水需要，故整治河段应设计成人工分汊河段，而且在设计水位时右汊分流量应不小于15m³/s，因此须在右岸岸边预留水道河面宽度；再在河中修筑丁坝，使水流集中，流速增大，达到冲刷目的，同时也满足了钢铁厂的取水要求。主航道整治线宽度可按总的整治线宽度减去预留水道河面宽度确定。

三、设计标准的确定和推算

（一）航道基本尺度确定：

航道水深：

航道标准水深包括船舶的标准吃水和富余水深，即H=T+ΔH   

式中：H——航道水深（m）    T——船舶吃水（m）     ΔH——富余水深（m）

取T=1.62m ，H=T+Δ+Δd按沙质河床浅滩考虑，触底安全富余量Δd=0.4m

船舶航行下沉量Δ=m v²   ==7.1428m/s 

查表采用内插法求得m=0.00158    v取20km/h ，即取5.56m/s

取0.877   Δ=0.00158=0.0457m

则航道水深H=2.07m

直线航道宽度：

     采用双向航道，B=2b2L++2  ①

     式中：B——航道宽度；  

           b—— 船队宽度；

           L——船队长度；

           α——漂角；

           ——船队间的富余宽度；

  ——船队与航道边缘间的富余宽度。

取b=9.8m   L=70m   由于湘江主要为Ⅲ级与Ⅳ级航道，按Ⅰ级至Ⅳ级航道的漂角选用3°

按平原、丘陵地区航道估算式得： =0.7b′+4    =0.2b+1.2

式中：b′——会船的两船队宽度的平均值，取9.8m

则： =0.7×9.8+4=10.86m   ②

    =0.2×9.8+1.2=3.16m  ③

将②③式代入①式得：B=2×9.8×+2×70×+10.86+2×3.16=44（m）

（二）浅滩设计水位确定及浅滩床沙分析：

浅滩设计水位确定

浅滩上游设有基本水文站，并收集到有浅滩基本水尺与基本水文站的同步水位观测资料，根据这些资料，采用水位相关法确定浅滩设计水位，过程如下：

===0.86                            ===0.66  

然后计算相关系数：

γ===0.99

显著水平检验：n=29，n-2=27；显著水平α取0.01，查《工程水文学》教材表4-8得=0.4687.

因为γ=0.99=0.4687，故γ是显著的，可以进行相关分析计算，关系是密切的。

建立回归方程，首先计算回归系数：

=γ=0.99

=γ=0.99

建立y倚x的回归方程：   y-=（x-    即y-31.92=0.76（x-30.80）

得到水位相关方程为：   y=0.76x+8.51   

根据回归方程插补延长y系列得到水位相关图如下图1：

图1   基本站与浅滩水位相关图

由于上游基本水文站设计水位为30.40m，以y=30.40代入④式得：

30.40=0.76x+8.51        解得 x=28.80m

即得到浅滩=28.80m

再由浅滩设计水位推求整治水位。

根据经验数值法，有整治水位超高值a=-

式中：——整治水位（与整治建筑物头部齐平的水位）

根据该河段整治航道经验有a：0.8m～1.5m   可取a=1.0，则有：

浅滩床沙分析

以下表2为筛分资料统计表：

表2   泥沙筛分资料统计表

由附图1知： =0.20mm          =0.15mm

（三）浅滩成因分析：

分析浅滩的组成、特性、成因

在地形图上找出水深小于通航水深的区域，并圈之。从地形图所圈区域看出，该浅滩为正常浅滩。

1组成情况：边滩与深槽相互对应分布，上、下深槽相互对峙而不交错，它的两侧具有较高的边滩。鞍凹明显，且宽度较小，顺直，鞍凹水深较大，航槽位置稳定，浅滩的冲淤变化不大。

2形态特征：上、下深槽在平面上相互交错，下深槽的上端（倒套）窄而深，边滩较低，横向漫滩水流强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹斜窄或无明显鞍凹，浅滩冲淤变化较大。

3水流特征：浅滩鞍凹轴线与各级水位下的水流方向夹角均较小，流路集中，过渡段长度适当，水流平顺。

4浅滩成因：主要是水流分散，边滩较低，导致水流归槽时间迟，由于上边滩较高，水流到达过         渡段后，下边滩较低，河面比上面宽，使水流流速减小，挟沙能力减弱，形成淤积。横向漫滩水流比较强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹不明显，浅滩冲於变化较大。

确定整治措施    

    根据浅滩成因，即是因为河面宽、边滩低而形成的，所以根据以上原因确定整治方案：束窄河面，加深下边滩，使水流流速增大，形成对浅滩的冲刷，这样整治可使中、枯水时水流归槽，冲刷时间增加。

    具体情况是：考虑左边用顺坝引导水流，束窄河面。右边考虑到钢铁厂取水，而且在设计水位时河面宽不小于50m，水流量不小于15m³/s，所以在河中间修筑丁坝，使水流集中，流速增大，达到冲刷目的，同时也满足钢铁厂的取水要求。

四、整治建筑物的布置

确定整治水位和整治线宽度

在地形图上选用Ⅱ-Ⅱ断面，绘得该断面断面图如附图2。

采用“流速控制法”确定整治水位和整治线宽度：

浅滩整治水位=29.80m  浅滩设计水位=28.80m

由相关方程y=0.76x+8.51可推求得：

基本站整治水位′=31.16m   基本站设计水位′=30.40m

根据上游基本水文站低水位时水位流量相关方程：Q=504Z-15060（m³/s）可求得：

=504 m³/s

=504 m³/s

综合考虑整治流量与设计流量，可假设一个整治线宽度=380m

通过划分流带，进行水流平面图的计算，并结合断面图可估算得：

(1)整治断面面积=1391㎡      

整治水位时各流带垂线平均流速===0.78m/s

整治断面平均水深==2.04m

整治断面起动流速=6=6=0.36m/s

则有：

满足

（2）设计断面面积=730㎡  

设计水位时的垂线平均流速===0.35m/s

设计水位水面宽度B=372m

设计断面平均水深=1.92m

根据当地情况，可求得：

起动流速=6=60.36m/s

止动流速=3.83=3.830.23m/s

则满足： 

设计水位下：

即取整治线宽度=380m合理，根据计算值可取整数，最终取=380m.

布置整治线

由于右岸有钢铁厂取水需要，预留大于50m的河宽，因此在布置整治线时要留取80m左右的河面宽度用于右岸取水，其余300m布置在左岸，如平面地形布置图所示。

在上深槽，整治线依托主导河岸（右岸），在下深槽，整治线依托左岸主导河岸。在上深槽段布置380m宽的整治线，在下深槽布置300m宽的整治线，中间以圆滑的整治线平滑连接。

整治建筑物布置

在上深槽以上区域有一支汊，为引导水流避免淤积，可在浅滩头部布置顺坝，坝长220m，在该坝下游340m处布置丁坝，即在-断面布置丁坝，坝长为110m，布置时丁坝间距约为1～2倍坝长；在距离丁坝330m的-断面上布置丁坝，长为70m，此时已接近下深槽，由于丁坝的收缩断面恰好在深槽上一点，能将浅滩较好地冲刷，因此左岸不必再加丁坝，只布置丁坝。

在整治线的右侧与钢铁厂之间，布置、丁坝。其中坝布置在鱼嘴头部，垂直水流方向，长为50m。在鱼嘴尾部处布置丁坝，坝长为90m。 

五、水力计算及结论

校核设计水位时右岸预留水道分流量

要求右汊分流量，点绘、坝断面的图形，其中坝断面为左汊控制面，、坝断面为右汊控制断面。

由于      （各汊落差）     

假设：      （各汊糙率）

     （各汊长度）

可推得：

式中：；

；

、---各控制断面河面宽和平均水深；

   m----控制断面个数，本设计取丁坝断面为控制断面；

、、----各汊流量和总流量。

(1)左汊控制断面：坝断面

设计水位时： =380m      =1.06m

则==380=418.76

同理=380m      =1.45m

则==380=705.88

所以=（）==562.32

(2)右汊控制断面：坝断面

设计水位时： =54m      =0.83m

则==54=39.58

同理=54m   =0.74m

则==54=32.69

所以=（）==36.14

则有==245.8m³/s

==15.8m³/s＞15m³/s

因此根据设计要求，右汊分流量符合要求。

计算整治水位时丁坝断面流场

选择断面进行计算，如果，则满足冲刷条件。其中：

，冲刷流速（沙莫夫公式）

式中， ---为第流带平均流速。

---为第流带床沙冲刷流速（或大量泥沙起动流速）。

      ---用浅滩床沙之。

      ---整治前流带平均水深。

整治水位时左汊航道=583.17m³/s

由流场计算表（见附图3）可得：

K===0.93

在航道范围（44m）以内，包含于5号流带。

=6=6

所以=1.44m/s＞

满足冲刷要求。

计算整治水位时丁坝断面平均流速

要求

整治水位时， =380m                    =778㎡

所以===2.05m                 而=583.17m³/s

所以==0.75m/s

又因为6=6=0.36m/s

所以==2.08>1.3

显然比值过大，冲刷比较强烈，说明整治线较窄，满足冲刷要求。

冲刷厚度估算（根据经验公式计算）

式中， ---冲刷厚度。

      ---床沙中不可冲走泥沙的百分数。

      ---系数，冲刷初期用0.25，冲刷后期用0.40。

对于丁坝断面： =    

所以d==1.3mm

由d查床沙粒径级配曲线得：P=17.5%

所以Δh’=0.25m

在冲刷Δh’后，A=+Δh’  

=

′=

所以d=

查床沙粒径级配曲线得：P′=12.2%

所以Δh′′=0.25m

Δh=

所以冲刷效果良好，满足航深的要求，说明整治线的布置很合理。

六、施工建议和要求

坝体与河岸的连接

坝体紧接河岸的一段丁坝结构应尽量设计成斜坡面连接，以引导水流流向河心，保护坝根。

坝根处理

由于该河段是沙质基床，颗粒松散容易冲刷，为了保护坝根，应把坝体嵌入河束内，岸边加护岸工程。

整治效果估计

 大部分上游来沙淤积于坝田内，下边滩会被冲深，初期冲刷强烈，可以使浅滩水位加深，达到设计要求，解决碍航问题。

七、工程量计算

丁坝断面设计

丁坝断面设计成梯形，顶宽2m，上游边坡比取1:1.5，下游边坡取1:2。

丁坝断面面积为A=

式中：h——坝高

   丁坝坝身设计

    为了防止丁坝在高水位时全部淹没于水中，而引起河床变化，将坝面设计成斜面，取1:100的坡比，但在接近岸的一端采用1:50的坡比。

   坝头设计

由于坝头处水流作用强烈，且有绕流作用，故坝头宜做成圆滑曲线，向河坡坡度取1:50.

   计算丁坝的工程量（见附图7）

由计算图可得：

总工程量=55.298+130.52+113.34+356.1+347.83+280.56+284.66+244.58=1812.90（m³）

参考文献

1.程昌华、刘晓平.《航道工程学》.北京交通人民出版社

2.胡旭跃.《航道整治》.人民交通出版社，2008年

3.高大钊、袁聚云.《土质学与土力学》.人民交通出版社，2007年

4.《JTJ312-2003航道整治工程技术规范》.北京交通部发布