航道整治課程設(shè)計(jì)

1、某淺灘航道整治課程設(shè)計(jì)學(xué)校：學(xué)院：專業(yè)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：時(shí)間：2014年6月航道整治課程設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)目的：消化和鞏固航道整治課程的基本理論和知識(shí)，并加以綜合應(yīng)用。培養(yǎng)理論與實(shí)際相結(jié)合、分析和解決問(wèn)題的能力，初步掌握航道整治設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容、步驟和方法。二、設(shè)計(jì)任務(wù)：本課題系采用順直治段上的過(guò)渡段沙質(zhì)淺灘。淺灘的基本特點(diǎn)為：能滿足航深要求的上、下深槽寬而淺，且水深相差不大，曲率甚小，但經(jīng)多年觀察，深槽仍然變化不大，基本穩(wěn)定；上、下邊灘低坦，過(guò)渡段河面寬闊，水流分散。擬統(tǒng)一采取整治（筑壩）和疏浚相結(jié)合的工程措施進(jìn)行整治。其具體整治措施為：沿溪線布置挖槽，吸引水流，增加航深；兩岸用對(duì)口丁壩束窄

2、過(guò)渡段河面寬度，抬高邊灘，穩(wěn)固中、枯水河槽及其主流方向，加大流速，提高水流輸沙能力，確保挖槽穩(wěn)定。這個(gè)方案是根據(jù)課程設(shè)計(jì)的需要擬定的，不一定是最好的方案。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟：3.1基本參數(shù)的確定3.1.1設(shè)計(jì)水位、最低通航水位的計(jì)算（1）計(jì)算1963年保證率為95%的水位值保證率為95%的水位，即在一年中出現(xiàn)大于該水位值的水位的概率為95%，則可知一年中出現(xiàn)小于該水位值的水位的概率為5%,那么一年中水位低于該水位值的天數(shù)為：天。由航道整治課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)中的1963年長(zhǎng)江上游某基站日平均水位表，根據(jù)所給資料按水位從42.19米到31.00米按20厘米分級(jí)，從30.99米到30.00米按10厘米分

3、級(jí)的方法，統(tǒng)計(jì)出1963年長(zhǎng)江上游某基站日平均水位的各區(qū)間水位出現(xiàn)的次數(shù)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表年水位保證率曲線計(jì)算表水位平均值出現(xiàn)次數(shù)累計(jì)次數(shù)保證率(%)36.61-36.6736.6400036.41-36.6036.505110.00273972636.21-36.4036.305120.00547945236.01-36.2036.105130.00821917835.81-36.0035.905140.01095890435.61-35.8035.705040.01095890435.41-35.6035.505040.01095890435.21-35.4035.305150.01369

4、86335.01-35.2035.105270.01917808234.81-35.0034.905180.02191780834.61-34.8034.705190.02465753434.41-34.6034.5053120.03287671234.21-34.4034.3054160.04383561634.01-34.2034.1051170.04657534233.81-34.0033.9052190.05205479533.61-33.8033.7055240.06575342533.41-33.6033.5053270.07397260333.21-33.4033.3054310

5、.08493150733.01-33.2033.1057380.10410958932.81-33.0032.9056440.12054794532.61-32.8032.7051155041-32.6032.50515700.19178082232.21-32.4032.3058780.2136986332.01-32.2032.10511890.24383561631.81-32.0031.905111000.27397260331.61-31.8031.705181180.32328767131.41-31.6031.505191370.37534246631.

6、21-31.4031.305161530.41917808231.01-31.2031.105261790.49041095930.91-31.0030.955181970.53972602730.81-30.9030.855162130.58356164430.71-30.8030.755192320.63561643830.61-30.7030.655212530.69315068530.51-30.6030.555132660.72876712330.41-30.5030.455242900.79452054830.31-30.4030.355503400.93150684930.21-

7、30.3030.255133430.93972602730.11-30.2030.155123651然后繪制保證率水位曲線，如圖由此可知1963年保證率為95%的水位值為30.29m.上游基站最枯水位和保證率95%水位 年 份最枯水位P=95%水位零點(diǎn)水位對(duì)應(yīng)95%水位年 份最枯水位P=95%水位零點(diǎn)水位對(duì)應(yīng)95%水位195530.39 30.40 0.58 196530.17 30.26 0.44 195630.19 30.26 0.44 196629.82 29.84 0.02 195730.25 30.26 0.44 196730.36 30.38 0.56 195830.16 30.1

8、7 0.35 196830.58 30.67 0.85 195930.20 30.38 0.56 196930.63 30.66 0.84 196030.55 30.60 0.78 197030.55 31.05 1.23 196130.68 30.74 0.92 197130.11 30.14 0.32 196230.75 30.78 0.96 197230.08 30.23 0.41 196330.15 30.29 0.48 197330.73 30.90 1.08 196430.30 30.46 0.64 197430.33 30.35 0.53 上游基站保證率為95%的水位累計(jì)頻率計(jì)算

9、 計(jì)算經(jīng)驗(yàn)累積頻率。使用Excel得到上游基站保證率為95%的水位累計(jì)頻率計(jì)算表，如下表所示。 矩法求樣本統(tǒng)計(jì)參數(shù)。變差系數(shù)計(jì)算如下： 理論累積頻率曲線計(jì)算與繪制。根據(jù)已計(jì)算出的參數(shù)試定，由工程水文學(xué)中查得，代入式及，算得，列入表理論累積頻率曲線計(jì)算表。并以點(diǎn)（）繪出三條理論累積頻率曲線。 保證率為95%的水位累計(jì)頻率計(jì)算表序號(hào)年號(hào)P=95%的水位最枯水位起y模比系數(shù)kiki-1(ki-1)2p=m/(n+1)*100%1197031.05 1.231.98 0.98 0.97 4.76 2197330.90 1.081.74 0.74 0.55 9.52 3196230.78 0.961.5

10、5 0.55 0.30 14.29 4196130.74 0.921.48 0.48 0.23 19.05 5196830.67 0.851.37 0.37 0.14 23.81 6196930.66 0.841.35 0.35 0.13 28.57 7196030.60 0.781.26 0.26 0.07 33.33 8196430.46 0.641.03 0.03 0.00 38.10 9195530.40 0.580.94 -0.06 0.00 42.86 10195930.38 0.560.90 -0.10 0.01 47.62 11196730.38 0.560.90 -0.10

11、0.01 52.38 12197430.35 0.530.85 -0.15 0.02 57.14 13196330.29 0.480.77 -0.23 0.05 61.90 14195630.26 0.440.71 -0.29 0.08 66.67 15195730.26 0.440.71 -0.29 0.08 71.43 16196530.26 0.440.71 -0.29 0.08 76.19 17197230.23 0.410.66 -0.34 0.11 80.95 18195830.17 0.350.56 -0.44 0.19 85.71 19197130.14 0.320.52 -0

12、.48 0.23 90.48 20196629.84 0.020.03 -0.97 0.94 95.24 平均30.44 0.62合計(jì)20.05 0.05 4.21 理論累積頻率曲線計(jì)算表P0.010.1151050759095992Cvp5.82 4.45 2.98 1.87 1.34 -0.35 -0.73 -1.14 -1.34 -1.63 kp3.74 3.09 2.40 1.88 1.63 0.83 0.66 0.46 0.37 0.23 Zp32.14 31.74 31.31 30.99 30.83 30.33 30.23 30.11 30.05 29.96 3Cvp6.87 5.

13、09 3.27 1.94 1.33 -0.22 -0.73 -1.04 -1.17 -1.32 kp4.23 3.39 2.54 1.91 1.63 0.90 0.66 0.51 0.45 0.38 Zp32.44 31.92 31.39 31.01 30.83 30.38 30.23 30.14 30.10 30.06 4Cvp7.98 5.77 3.55 1.99 1.31 -0.29 -0.72 -0.92 -0.98 -1.04 kp4.75 3.71 2.67 1.94 1.62 0.86 0.66 0.57 0.54 0.51 Zp32.77 32.12 31.47 31.02 3

14、0.82 30.36 30.23 30.17 30.15 30.14 適線情況分析。由下圖可看出時(shí)線頭部的點(diǎn)據(jù)配合較好，尾部也較好，且可查得此時(shí)保證率為95%的水位為30.23米。（2）淺灘的設(shè)計(jì)水位計(jì)算（水文站與淺灘基本站間的水位相關(guān)關(guān)系）1.利用EXCEL 得到上游基站保證率為95%的水位累積頻率計(jì)算表，將補(bǔ)齊的95%保證率的水位從小到大排列，分級(jí)計(jì)算頻率并繪制95%保證率水位的累積頻率曲線，如下圖所示。在曲線上取頻率為20%對(duì)應(yīng)的水位作為設(shè)計(jì)水位為30.24m。2.利用1962年的水位情況表繪制成圖形如下：1962年淺灘基本水尺與上游基本水文站同步觀測(cè)水位 單位：米日期1.11.21.3

15、1.41.5基站32.2832.6733.1233.2233.05淺灘31.3531.6132.2832.6132.27日期1.61.71.81.91.10基站32.8132.5832.3332.2132.11淺灘31.8431.7531.2931.1530.92日期1.111.121.131.141.15基站32.0031.9531.8831.8431.81淺灘30.8530.8230.7830.7030.64日期1.161.171.181.191.20基站31.8031.7630.7031.5831.56淺灘30.5530.5330.4430.3730.32日期1.211.221.231.

16、241.25基站31.5431.5031.4431.4031.34淺灘30.3030.2730.2030.1830.10日期2.102.112.243.6基站30.8230.8030.7631.63淺灘29.4229.3929.3530.42數(shù)據(jù)繪制成圖形如下：由此可得水文站與淺灘基本站間的水位相關(guān)關(guān)系為：式中：y-基站水位， x-淺灘水位已推得基本站的設(shè)計(jì)水位為30.23m, 則淺灘設(shè)計(jì)水位3.1.2整治水位及流量的計(jì)算：(1)淺灘整治水位在設(shè)計(jì)水位以上超高值1米，由此得整治水位=淺灘設(shè)計(jì)水位+超高值=28.72+1=29.72(m)(2)根據(jù)淺灘整治水位，采用淺灘和水文站二者間的相關(guān)關(guān)系確

17、定水文站的整治水位 得水文站的整治水位=(3)根據(jù)水文站低水期水位流量關(guān)系求出整治水位對(duì)應(yīng)的流量上游水文站低水時(shí)水位流量相關(guān)方程： Q=504Z15060 (m3/s)式中： Z基站水位(米)。 由此可得Q=50431.03-15060=581.41(m3/s)綜上所述，已獲得淺灘基本水尺（4#）的設(shè)計(jì)水位28.72m、整治水位29.72m和整治流量581.41 (m3/s)3.1.3淺灘其他水尺及各斷面水位的計(jì)算 淺灘枯水期比降計(jì)算：由某灘地形圖量得1，3水尺間的距離為693.6874米，2，4水尺間的距離為1224.00米，由此再根據(jù)任務(wù)書(shū)中的淺灘其他水尺與基本水尺同步觀測(cè)水位表及比降公式

18、即可算得各水尺間的比降。比降公式如下：J=(Hi+1-Hi)/L （4） 其中，Hi為地i個(gè)水尺的水位，L為兩水尺間的距離。計(jì)算1，3水尺及2，4水尺間的比降結(jié)果如下表所示： 個(gè)水尺間比降計(jì)算表日期1,3水尺水位差1,3水尺比降2,4水尺水位差2,4水尺比降3.210.11 0.00016 0.250.00020 3.240.10 0.00014 0.230.00019 3.270.12 0.00017 0.220.00018 確定淺灘1，2，3號(hào)斷面的設(shè)計(jì)水位及整治水位：已知基本水尺（即4號(hào)水尺）的設(shè)計(jì)水位為 28.86米 ，整治水位為 29.86米 。由于4號(hào)水尺的整治水位趨近于3.21號(hào)

19、的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所以采用這一天的平均比降來(lái)計(jì)算其他水尺的設(shè)計(jì)水位及整治水位。由某灘地形圖中量得1，4水尺間距離為1005.66米，2，4水尺間距離為1229.00米3，4水尺間距離為358.85米。又3.21號(hào)這一天的平均比降為： (5) (6) （7） 其中，Hi為第i個(gè)水尺的設(shè)計(jì)水位，i=1，2，3； Hj為第i個(gè)水尺的整治水位 J為比降，L兩水尺間的距離。于是可計(jì)算得各水尺的整治水位及設(shè)計(jì)水位，結(jié)果見(jiàn)表各水尺整治水位及設(shè)計(jì)水位水尺1234設(shè)計(jì)水位29.0429.0828.9228.86整治水位30.0430.0829.9229.86 確定、號(hào)斷面的設(shè)計(jì)水位及整治水位： (8) (9)式中，為

20、第個(gè)斷面的設(shè)計(jì)水位，I=、； 為基本水尺的設(shè)計(jì)水位； 為第個(gè)斷面與基本水尺間的距離； 為第個(gè)斷面的整治水位。從地形圖中量得、號(hào)斷面與基本站間的水平距離（米）分別為：1113.89，611.71，296.65，270.03。再利用（8）和（9）兩式即可算得四個(gè)斷面的設(shè)計(jì)水位與整治水位。所得結(jié)果見(jiàn)表各水尺整治水位及設(shè)計(jì)水位斷面設(shè)計(jì)水位29.0628.9728.9128.91整治水位30.06529.9729.9129.91各水尺整治水位及設(shè)計(jì)水位3.1.4淺灘河床特征粒徑的計(jì)算 確定河床中值粒徑：根據(jù)任務(wù)書(shū)中所給的淺灘槽沙篩分資料得到床沙粒徑級(jí)配曲線計(jì)算表，如下表 床沙粒徑級(jí)配曲線計(jì)算表篩孔直徑(

21、毫米)753210.50.250.10.05篩內(nèi)泥沙重量(克)045.0422.5211.2639.4133.78101.34197.05112.7小于某粒徑的沙重(克)563.05518.01495.49484.23444.82411.04309.7112.650小于某粒徑的沙重占總重的重量百分比(%)10092888679735520.010Excel繪制粒徑級(jí)配曲線如下圖：由此圖可查得床沙中值粒徑=0.3mm。 計(jì)算河床平均粒徑：由任務(wù)書(shū)可知，加權(quán)平均粒徑計(jì)算方法如下： （10）于是由此公式和下表即可求得=0.99mm。加權(quán)平均粒徑計(jì)算表篩孔直徑(毫米)753210.50.250.10.

22、05平均粒徑di(毫米)642.51.50.750.380.180.08各組沙重(克)45.0422.5211.2639.4133.78101.34197.05112.65各組泥沙重量84276183520.01百分比pi(%)pidI0.480.160.050.110.040.070.060.023.1.5淺灘河段枯水糙率計(jì)算在CAD中畫(huà)出斷面I 、II 、III、 IV的斷面圖如下：量得斷面的面積和周長(zhǎng)如下表，結(jié)合 面積A和濕周（由CAD可以量得），Q=659.76(m3/s) ，J=0.000173，水力半徑R=，V=Q/A,流速求得以下數(shù)據(jù)。 斷面斷面斷面 斷面斷面面積1320.24

23、1380.56 1352.231464.36河寬660.42 680.28681.36 661.68 濕周662.42 672.36 676.21668.54 水力半徑R2.1442.053 2.000 2.190流速V0.464 0.4780.4880.451 糙率n0.0471 0.0445 0.04280.0492 3.2 整治參數(shù)的確定輸沙平衡法計(jì)算整治線寬度：由沙莫夫推移質(zhì)輸沙率公式： (14)為止動(dòng)流速，為計(jì)算方便，將式中改寫(xiě)為： = （15）又,于是，（14）式可變?yōu)椋?(16) (17) 式中指數(shù)m的值可由對(duì)數(shù)紙上的相關(guān)線確定，上述各式代入（14）式，且 ，于是可推得： （18

24、） 其中系數(shù) 已知：,由表查得再由，可得。 水力學(xué)方法計(jì)算整治線寬度： (19) (20)假定整治前后不變，則,故可得： (21)而，故已知：，可得，故整治線寬度為：。3.3整治線的平面布置3.3.1整治線的基本走向-兩個(gè)原則走向應(yīng)與凹岸穩(wěn)定深槽的河岸相吻合,利用河岸自身的控制點(diǎn)，同整治建筑物共同構(gòu)造穩(wěn)定的整治線。過(guò)渡段應(yīng)以枯水水流動(dòng)力軸線偏離河心位置為起點(diǎn)，終點(diǎn)在下深槽沱口稍下一點(diǎn)保證過(guò)渡段與下深槽平順銜接。3.3.2整治線的平面形態(tài)及設(shè)計(jì) 通常情況下，沖積性河道總是彎曲的。整治線適宜的形式是由兩反向河彎并在中間內(nèi)插一個(gè)長(zhǎng)度適中的直線段構(gòu)成，規(guī)劃布置時(shí)參照優(yōu)良河段選擇彎曲半徑R和直線段長(zhǎng)度L

25、。 彎曲半徑R：一般取R=(46)B2，本圖中取R=2800m，切除凸角時(shí)取R=(23)B2，此處取R=1400m直線段長(zhǎng)度L：一般取L=(13)B2，此處取L=600m整治線與航槽間的距離 : L=(35)h+ch整治建筑物頭部高度；c安全距離，大中型河流取10m整治線的平面設(shè)計(jì)：在上、下深槽確定主導(dǎo)河岸， 繪枯水水流動(dòng)力軸線；越過(guò)轉(zhuǎn)向的起訖點(diǎn)，沿主導(dǎo)河岸做圓弧線，根據(jù)B2平行繪出對(duì)岸的圓弧線，在過(guò)渡段以直線聯(lián)接上、下圓弧線。 常采用平面控制整治線的整治建筑物: 丁壩、順壩、鎖壩、洲頭分流壩、洲尾導(dǎo)流壩及護(hù)岸等。本例中采用丁壩。按從上至下的順序布置兩岸丁壩。第一座丁壩宜在水深稍淺或適航的斷面

26、上，壩間距按前壩投影長(zhǎng)度的12倍確定，各壩按從上至下、左單右雙（面向下游分左右）的習(xí)慣編號(hào)。丁壩布置詳見(jiàn)CAD圖 表17壩1壩2壩3壩4與4號(hào)水尺距離1060.16624.25815.75478.84比降0.0001730.0001730.0001730.0001734號(hào)水尺設(shè)計(jì)水位28.7228.7228.7228.724號(hào)水尺整治水位29.7229.7229.7229.72設(shè)計(jì)水位28.9028.8328.8628.80整治水位29.9029.8329.8629.803.4挖槽的布置根據(jù)保證航深1.50米，設(shè)計(jì)航寬60米，航道最小半徑300米，繪出航槽及挖槽斷面，詳見(jiàn)圖二挖槽的方向挖槽的方

27、向，通常以挖槽和流向的交角來(lái)表示。挖槽軸線與主流流向應(yīng)盡可能保持一致，有困難時(shí)，其夾角一般不因超過(guò)15°。挖槽的最佳尺寸取進(jìn)出口兩個(gè)斷面分別計(jì)算挖槽水深，取其平均值作為挖槽后的水深。、指挖泥前淺灘斷面水平寬度、平均水深；、指挖泥后相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。令為相對(duì)挖泥深度；為相對(duì)挖泥寬度；則上式可簡(jiǎn)化為取斷面3計(jì)算，由此可得挖槽后的流速將大于挖槽前淺灘上得平均流速，易產(chǎn)生沖刷挖槽橫斷面形狀挖槽橫斷面的形狀，一般設(shè)計(jì)成對(duì)稱梯形，兩側(cè)邊坡系數(shù)的大小，取決于土壤在水流作用下的休止角，沙質(zhì)土壤的邊坡為，卵石淺灘可取得邊坡為，泥質(zhì)淺灘的邊坡為。挖槽縱斷面底坡宜與挖槽后的水面線一致，做到與上下深槽平順銜接，

28、避免進(jìn)、出口出現(xiàn)橫流、急流。3.5整治工程的校核計(jì)算按“累積流量法”繪制水流平面圖，校核在整治水位時(shí)設(shè)計(jì)航道范圍內(nèi)河床是否沖刷。累積流量圖圖比：橫（河寬）1:4000，縱（水深）1:20，以橫斷面圖的起伏點(diǎn)劃分“流帶”七等分累積虛流量。調(diào)整后的各“流束”（也稱流帶）虛流量不等值應(yīng)不大于±5. 調(diào)整前累計(jì)流量計(jì)算表點(diǎn)號(hào)圖上面積實(shí)際面積biHibi*Hi(5/3)累積bi*Hi(5/3)累積bi114104.58 176.31 82.96 2.13 291.43 291.43 82.96 28245.92 103.07 82.96 1.24 119.12 410.56 165.92 31

29、1625.51 145.32 82.96 1.75 211.17 621.72 248.88 412418.18 155.23 82.96 1.87 235.70 857.42 331.84 511748.07 146.85 82.96 1.77 214.89 1072.31 414.80 613183.10 164.79 82.96 1.99 260.39 1332.71 497.76 713183.10 164.79 82.96 1.99 260.39 1593.10 580.72 第一次調(diào)整后累計(jì)流量計(jì)算表點(diǎn)號(hào)圖上面積實(shí)際面積biHibi*Hi(5/3)累積bi*Hi(5/3)累積bi1

30、11355.37 141.94 64.79 2.19 239.44 239.44 64.79 212308.95 153.86 118.66 1.30 182.96 422.40 183.45 314513.38 181.42 86.92 2.09 296.30 718.69 270.37 410914.54 136.43 81.91 1.67 191.71 910.40 352.27 512342.25 154.28 83.43 1.85 232.42 1142.82 435.71 611500.37 143.75 72.51 1.98 226.87 1369.70 508.22 71037

31、7.07 129.71 72.51 1.79 191.15 1560.85 580.72 第二次調(diào)整后累計(jì)流量計(jì)算表點(diǎn)號(hào)圖上面積實(shí)際面積biHibi*Hi(5/3)累積bi*Hi(5/3)誤差值累積biVc111195.94 139.95 63.80 2.19 236.26 236.26 1.04 63.80 0.522 214654.75 183.18 143.04 1.28 216.03 452.29 0.95 206.84 0.477 310400.33 130.00 53.03 2.45 236.38 688.67 1.04 259.87 0.532 412841.23 160.52

32、91.91 1.75 232.79 921.46 1.02 351.77 0.503 511542.68 144.28 78.43 1.84 216.62 1138.07 0.95 430.21 0.507 611070.14 138.38 69.51 1.99 218.99 1357.06 0.96 499.72 0.514 711605.60 145.07 80.51 1.80 214.82 1571.87 0.94 580.22 0.505 大致滿足調(diào)整后的各“流束”（也稱流帶）虛流量不等值應(yīng)不大于±5的要求。由，得得下表表13點(diǎn)號(hào)1234567Vi/Vc1.030.941.0

33、50.991.001.021.00分析可得各流帶均不滿足VV01.11.3要求，比值太小，表示沖刷較弱，宜縮窄整治線。校核挖槽的穩(wěn)定性：由上述計(jì)算可知，流量為604.32，再由下式即可求得挖槽范圍內(nèi)平均流速： （22）其中，：施挖前航槽范圍內(nèi)平均水深開(kāi)挖后挖槽內(nèi)平均流速為： （23） 式中，為平均開(kāi)挖深度 為開(kāi)挖斷面面積 令開(kāi)挖后挖槽斷面范圍內(nèi)平均流速增大倍數(shù)為，則： （24）開(kāi)挖前挖槽范圍內(nèi)平均流速：斷面B(m)A(m2)h0(m)B1/2(m2)A3/2h01/2v0-370.47680.921.6519.2417768.231.280.97開(kāi)挖后挖槽范圍內(nèi)的平均流速：斷面Anh0An/A(1+h)/h0Kmv-501.10.0731.271.51.455由上述結(jié)果可以看出，挖槽范圍內(nèi)開(kāi)挖后的流速均大于開(kāi)挖前的流速，基本滿足穩(wěn)定校核中提出的流速要求。3.6工程設(shè)計(jì)及工程量的計(jì)算 3.6.1壩的縱橫斷面的設(shè)計(jì)和工程量計(jì)算（拋石丁壩）（1）材料選用及粒徑確定 拋石壩的石