航道工程學(xué)-第一章礙航淺灘

《航道工程學(xué)》航道整治通航建筑物礙航淺灘的成因及演變規(guī)律整治線布置及整治建筑物各種淺灘的整治措施航道疏浚船閘船閘結(jié)構(gòu)及閘、閥門(mén)船閘水力計(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算升船機(jī)第一篇航道整治第一章礙航淺灘武漢航道學(xué)校：董利瑾《航道工程學(xué)》第一節(jié)淺灘及其成因第一章礙航淺灘第二節(jié)淺灘上的水流和泥沙運(yùn)動(dòng)第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法主要講解內(nèi)容第一節(jié)淺灘及其成因第一章礙航淺灘1、淺灘的定義一般來(lái)講，河床突起之處為淺灘，凹低之處為深槽。但從通航的角度來(lái)說(shuō)，僅僅是將航道水深達(dá)不到現(xiàn)有航道維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（礙航）或確定整治目標(biāo)的局部河段，包括湖泊、運(yùn)河、水網(wǎng)和通航渠道中的淺段。河流縱剖面

第一節(jié)淺灘及其成因淺灘礙航主要分兩種情況：一是枯水期水淺，航深不足二是水流散亂或橫流很強(qiáng)，船舶航行困難2、淺灘的分類(lèi)（1）按巖石土質(zhì)組成分：石質(zhì)淺灘、卵石淺灘、砂卵石淺灘、砂質(zhì)淺灘、泥沙淺灘。第一節(jié)淺灘及其成因（2）按灘形特征和礙航情況分：正常淺灘、交錯(cuò)淺灘、復(fù)式淺灘、散亂淺灘。第一節(jié)淺灘及其成因（3）按淺灘成因和所在地區(qū)分：彎道淺灘、分汊河道淺灘、支流河口淺灘、回水變動(dòng)區(qū)段淺灘、湖泊水網(wǎng)區(qū)淺灘、潮汐河口淺灘。分汊河道淺灘第一節(jié)淺灘及其成因彎道淺灘第一節(jié)淺灘及其成因支流河口淺灘第一節(jié)淺灘及其成因3、淺灘的組成圖1-1淺灘的組成a)平面圖；b)沿深泓線縱斷面；c)A-B斷面第一節(jié)淺灘及其成因4、淺灘的成因

所謂淺灘整治，就是在分析淺灘形成原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)采取工程措施對(duì)不良淺灘進(jìn)行改善，使之達(dá)到相應(yīng)航道等級(jí)的航道尺度要求。是由于河段輸沙不平衡而產(chǎn)生的局部淤積。造成輸沙不平衡的原因？流速減小環(huán)流的減弱或消失洪枯水流向不一致局部地區(qū)來(lái)沙量的加大第一節(jié)淺灘及其成因（1）流速的減小S——水流挾沙能力U——斷面平均流速R——水力半徑K,m——系數(shù)和指數(shù)——泥沙沉降速度淺灘常出現(xiàn)在：比降突然減小的地方：如山區(qū)河流進(jìn)入平原的地區(qū)，支流河口處等單寬流量明顯減小的地方：如河床突然放寬處；局部壅水區(qū)：河床收縮段上游壅水區(qū)，汊道口門(mén)處的局部壅水區(qū)，干流對(duì)支流水位的頂托處，橋渡和攔河建筑物的壅水區(qū)；第一節(jié)淺灘及其成因（2）環(huán)流的減弱或消失（3）洪枯水流向不一致（4）局部地區(qū)來(lái)沙量的加大環(huán)流是泥沙橫向輸移的動(dòng)力，也是砂質(zhì)河床形成各種類(lèi)型淤積體的一個(gè)重要因素。一般河流有高水取直低水坐彎的規(guī)律，洪、枯水流向變化大的主槽部位常形成淺灘；另外，洪水流向轉(zhuǎn)向枯水流向時(shí)，由于流量減少使河槽沖刷能力降低，洪水時(shí)淤積下的泥沙枯水時(shí)不能全部沖刷掉，也常常形成淺灘。支流山洪爆發(fā)帶來(lái)的大量泥沙，上游大量塌岸，水庫(kù)大量排沙以及不適當(dāng)?shù)牟脧?。第一?jié)淺灘及其成因習(xí)題1-1、淺灘的組成有哪些？請(qǐng)用示意圖指示。1-2、簡(jiǎn)述淺灘的成因，及輸沙不平衡的原因？本節(jié)課作業(yè)第二節(jié)淺灘上的水流和泥沙運(yùn)動(dòng)1、淺灘上的縱向比降和流速圖2-17淺灘上的水面變化（1）縱向比降概化情況：洛西耶夫斯基試驗(yàn)上下游任意兩點(diǎn)的高程差與其相應(yīng)流程的水平距離的比值。表明：低水位時(shí)比降加大，淺灘沖刷；高水位時(shí)比降減小，淺灘淤積第二節(jié)淺灘上的水流和泥沙運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)江東流水道1963年水位-比降關(guān)系圖第二節(jié)淺灘上的水流和泥沙運(yùn)動(dòng)不同水位縱向流速沿程變化圖（2）流速

枯水期，從縱剖面看：深槽到淺灘河底逐漸升高，水流流線呈收斂狀態(tài)，灘脊流速最大。高水期，從平面看：深槽到淺灘水面逐漸放寬，水流流線呈擴(kuò)散狀態(tài)，灘脊流速最小。 高水期深槽流速大于淺灘流速，低水期淺灘流速大于深槽流速。第二節(jié)淺灘上的水流和泥沙運(yùn)動(dòng)2、環(huán)流(1)上、下深槽具有一個(gè)單向環(huán)流，過(guò)渡段環(huán)流復(fù)雜。(2)過(guò)渡段長(zhǎng)短對(duì)環(huán)流有著較大影響。 過(guò)長(zhǎng)：環(huán)流減弱或消失 過(guò)短：急劇轉(zhuǎn)變 適宜：平緩過(guò)渡第二節(jié)淺灘上的水流和泥沙運(yùn)動(dòng)3、泥沙運(yùn)動(dòng)（1）多數(shù)沖積性淺灘，推移質(zhì)主要以沙波形式運(yùn)動(dòng)。

淺灘可以看做一巨形沙波，在上面通常還有次級(jí)沙波。次級(jí)沙波沿大沙波向下游移動(dòng)，推移至淺灘脊，淺灘就淤高，并可能引起礙航。（2）一般情況下，淺灘洪淤枯沖。（3）淺灘汛期和來(lái)沙量大的年份可能有懸移質(zhì)泥沙淤積，退水一般沖刷。 第二節(jié)淺灘上的水流和泥沙運(yùn)動(dòng)習(xí)題1-2、淺灘的局部比降與什么因素有關(guān)？習(xí)題1-3、某河段灘槽水位～流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖1-3，分析說(shuō)明該河段的灘槽沖淤情況？本節(jié)課作業(yè)第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法淺灘演變是指淺灘隨水流運(yùn)動(dòng)和來(lái)水來(lái)沙條件而發(fā)生的變化。根本原因是：水流與河床相互作用產(chǎn)生輸沙不平衡而引起的河床沖刷或淤積。1、影響淺灘演變的主要因素來(lái)水來(lái)沙條件河床邊界條件上下游河段演變的影響第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法（1）來(lái)水來(lái)沙條件來(lái)水條件：來(lái)水總量、洪峰大小及洪峰過(guò)程線的形式、某一特定水位的持續(xù)時(shí)間。來(lái)沙條件：來(lái)沙總量、含沙量大小、粒徑級(jí)配及過(guò)程線的形式。如果來(lái)水、來(lái)沙量相近，洪峰、沙峰在數(shù)量和時(shí)間上也近似，而各級(jí)水位持續(xù)時(shí)間不同，則漲水持續(xù)時(shí)間短、退水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的年份，淺灘可能少淤、不淤，甚至沖刷；反之淤積較多。來(lái)水量相近，來(lái)沙量不同，則來(lái)沙量大的年份淺灘可能淤積；來(lái)沙量相近，來(lái)水量不同，則來(lái)水量大的年份淺灘可能沖刷；如果來(lái)水、來(lái)沙量相近，而洪峰、沙峰出現(xiàn)時(shí)間不同，則沙峰在前的年份，淺灘可能少淤、不淤，甚至沖刷；反之淤積較多。第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法（2）河床邊界條件河床平面形狀的束窄、放寬，河床縱向的局部升高、降低，邊灘的尺度、部位、形狀，河床組成顆粒的粗細(xì)，沙波的尺度等。比如，汛期過(guò)后：如果邊灘灘型完整高大，則水流歸槽早，流量集中，灘脊沖刷時(shí)間長(zhǎng)，水深較大，航道也穩(wěn)定；如果邊灘高程低，則水流歸槽遲，灘脊沖刷時(shí)間短，水深較??；如果邊灘灘型散亂，水流分散，流路曲折，則淺灘沖淤變化頻繁，航道極不穩(wěn)定，水深也必然很小。若在一個(gè)水文年內(nèi)，來(lái)水、來(lái)沙過(guò)程為單峰型，則淺灘演變可能為單向變形，即一次沖刷或淤積；若為多峰型，則淺灘會(huì)出現(xiàn)多次沖淤交替。第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法（3）上下游河段演變的影響淺灘上游水流動(dòng)力軸線的變動(dòng)，影響淺灘河段主流擺動(dòng)；下游河段的演變只在某種程度上加強(qiáng)、減弱演變強(qiáng)度，不會(huì)使淺灘發(fā)生根本性變化。2、淺灘演變的基本規(guī)律（1）.淺灘的穩(wěn)定性和活動(dòng)性（2）.淺灘演變的年周期性（3）.淺灘演變的多年周期性第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法（1）．淺灘的穩(wěn)定性與活動(dòng)性

穩(wěn)定性：河床形態(tài)沒(méi)有根本性變化，淺灘不會(huì)自行消失?；顒?dòng)性：體現(xiàn)在灘脊高程和位置的變化。

（2）．淺灘演變的年周期性

水文條件的變化，是引起淺灘變化的直接條件，水文條件有年周期的變化，淺灘也有汛期淤、枯期沖刷的年周期變化。相對(duì)的絕對(duì)的第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法淺灘年際周期性的表現(xiàn)型式：（1）邊灘反復(fù)消長(zhǎng)，深泓線上下擺動(dòng)（2）岸線不斷變化，過(guò)渡段時(shí)而延長(zhǎng)時(shí)而縮短（3）汊道興衰交替，通航汊道易位（3）．淺灘演變的多年周期性以多年水文周期性變化為依據(jù)。第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法3、淺灘演變的分析方法目前常用三種方法：一是實(shí)測(cè)資料法二是理論計(jì)算法三是模型試驗(yàn)法淺灘的演變分析是根據(jù)河床變形的結(jié)果，從水流、泥沙和河床形態(tài)上去找河床演變的原因，再由這些原因去預(yù)報(bào)淺灘的發(fā)展趨向。地形資料，水文資料（水位、流量、流速、比降、流向、含沙量和河床質(zhì)等）第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法（1）．淺灘的水深分析

淺灘上的水深變化直接關(guān)系到船舶能否通過(guò)淺灘，也是航道維護(hù)、疏浚和整治工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。常利用淺灘的水位與水深關(guān)系反映淺灘沖淤變化。

圖1-7淺灘水位-水深關(guān)系沖淤變化不大，比較穩(wěn)定有一定的沖淤幅度，不夠穩(wěn)定第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法b.歷年枯水期淺灘沖淤變化圖

（多年淺灘沖淤變化）某淺灘歷年枯水期水位與水深關(guān)系圖如圖，關(guān)系曲線逐年左移，說(shuō)明該淺灘水深逐年減小，淺灘惡化；若關(guān)系曲線逐年右移，說(shuō)明淺灘水深逐年增加，淺灘不斷改善。第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法c.淺灘逐日水位水深關(guān)系圖（漲水期、退水期沖淤變化）淺灘逐日水深關(guān)系圖

a)漲淤落沖；b)漲沖落淤關(guān)系曲線同橫軸的交角，漲水期，大于45度，說(shuō)明淺灘水位上升的數(shù)值大于水深增加的數(shù)值，淺灘淤積。退水期，水位下降的數(shù)值大于水深減小的數(shù)值，淺灘沖刷。一般沖積河流上的淺灘多屬這種情況。當(dāng)交角接近45度時(shí)，沖淤?gòu)?qiáng)度不大；交角偏離45度越多，沖淤?gòu)?qiáng)度越大。第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法圖1-17淺灘水位與相對(duì)水深關(guān)系圖圖1-18相對(duì)水深換算圖3．淺灘水位與相對(duì)水深關(guān)系相對(duì)水深:實(shí)測(cè)水位實(shí)測(cè)水位H－－水深ΔZ=實(shí)測(cè)水位－設(shè)計(jì)水位設(shè)計(jì)水位設(shè)計(jì)水位

退水時(shí)淺灘沖刷，退水時(shí)淺灘不沖不淤，退水時(shí)淺灘淤積第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法（2）．淺灘形態(tài)的演變分析一般包括：淺灘河段的河岸、上下深槽、沙埂、鞍槽及深泓線等在不同時(shí)段內(nèi)的變化。分析方法：根據(jù)各種平面圖、縱橫斷面圖進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比分析時(shí)主要采用套繪。平面地形圖一般采用同坐標(biāo)、同比例尺套繪比較圖進(jìn)行分析；橫斷面比較圖可根據(jù)淺灘平面圖選取固定斷面進(jìn)行套繪比較；縱斷面比較圖可根據(jù)淺灘平面圖循深泓線轉(zhuǎn)繪而成。第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法a.河段深泓線變化（課本圖1-12）b.淺灘平面變化（課本圖1-13）c.淺灘縱斷面變化（課本圖1-14）d.淺灘橫斷面變化河道處于不斷沖刷發(fā)展的過(guò)程中。第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法（3）．淺灘演變的綜合分析影響淺灘演變的主要因素是來(lái)水、來(lái)沙和河床形態(tài)條件。a.水力、泥沙和河床形態(tài)的沿程變化圖1-16水流、泥沙和形態(tài)因素沿程分布1-水面寬度沿程分布；2-水面比降沿程分布；3-流速沿程分布；4-含沙量沿程分布；5-底沙粒徑沿程分布；6-挾沙力沿程分布第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法b.水力、泥沙和河床形態(tài)的平面變化圖1-17水流、泥沙和形態(tài)因素平面分布

第三節(jié)淺灘演變及演變分析方法c.水力、泥沙和河床形態(tài)的過(guò)程變化圖1-18淺灘脊斷面水流、泥沙和形態(tài)因素過(guò)程線

1-水面比降過(guò)程線；2-水面寬度過(guò)程線；3-水位過(guò)程線；4-含沙量過(guò)程線；5-挾沙力沿程分布；