过渡段沙卵石分汊浅滩直槽整治方法

摘要

本发明公开了一种过渡段沙卵石分汊浅滩直槽整治方法，该过渡段沙卵石分汊浅滩直槽整治方法是采用在过渡段枯水分汊河道开辟宽浅横截面型长直槽通航，同时利用整治建筑物调整水流结构，增强航槽内的输沙能力。该过渡段沙卵石分汊浅滩航槽稳定性判别方法，为保证挖槽的稳定性应保证挖槽前后进入直槽的推移质底沙具有相同的起动条件，在实际应用时，采用在整治流量下的推移质起动条件进行控制。本发明应用于长江神背嘴航道整治和长江铜鼓滩航道整治工程，其动床模型试验结果表明，整治后满足航深要求，直槽挖槽的稳定性较好。

说明书

技术领域

本发明属于航道整治研究领域，尤其涉及一种过渡段沙卵石分汊浅滩直 槽整治方法及航槽稳定性判别方法。

背景技术

长江叙渝段分汊河段多出现在弯曲狭窄河段下游的放宽段，多为两汊形 态，铜鼓滩、神背嘴、风簸碛滩段均具有弯曲放宽、枯水分汊的河势特征。 铜鼓滩、神背嘴河段枯水河槽江心又有心滩或暗碛存在，将枯水河槽进一步 分为左右两槽。其中靠近河岸的一汊往往弯曲且窄深，进口弯、浅、斜流较 强；中下段弯曲半径小，碛翅边缘开挖的航槽易回淤。碛槽宽浅，航深不足； 出口受弯槽所在的凹岸深槽吸流影响流速比降较大，水流较为紊乱。由于弯 槽往往为整治前的枯期通航汊道，若开辟直槽通航，不仅疏浚工程量大；此 外，为增加挖槽稳定性须增加直槽流速，整治前直槽出口流速比降就较大， 直槽疏挖后可能出现航行阻力大船舶上行困难的不利局面，因此在上世纪90 年代进行此类型滩险整治时，均选择弯槽进行整治。山区河流的沙卵石浅滩 的航道整治多采取疏浚与整治相结合的措施，但疏浚的挖槽长度往往较短。 以往没有开辟长直挖槽通航的经验，直槽河床组成相对较粗，基建性挖槽长 度大、工程量较大，整治工程对枯水河势的改变较大，航槽的稳定性存在一 定的风险。在弯曲汊道通航条件难以进一步改善的情况下，能否可以开辟长 直槽通航需要进行慎重研究。

在满足航道尺度的基础上，在冲积或半冲积河流，开挖航槽的主要问题 是汛后推移质回淤问题。上世纪50年代H.A.列亚尼兹提出了水流与挖槽轴线 交角的理论计算方法，认为挖槽与水流方向成一交角时形成的螺旋流有利于 挖槽内泥沙的输运。但事实表明由于经水流作用后挖槽边坡较为平坦，螺旋 流并不明显。规范规定挖槽轴线宜与中枯水主流方向或底流方向尽量一致。 因此，在卵石分汊浅滩的直槽整治时，挖槽的横断面型式的选择成为了滩险 整治设计重点考虑的问题。

长江航道局编制的航道手册认为，在满足航道尺度要求的前提下，挖槽 宜采取较为窄深的断面，但该结论没有理论依据，也没有沙卵石挖槽工程实 践证明依据。长直挖槽的横断面断面形态与挖槽稳定性的关系还需进一步明 确。挖槽的稳定性实际上主要取决于挖槽前后的输沙能力，一般要求挖槽后 与挖槽前挖槽内流速比值大于1，但应大于多少没有明确指标，如何采取直 观明确的水沙特性指标反映挖槽的稳定性，是工程设计亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡段沙卵石分汊浅滩直槽整治方法及航槽 稳定性判别方法，旨在过渡段沙卵石分汊浅滩取得良好的整治效果，在直槽 挖槽满足航深要求的同时到达良好的挖槽稳定性。

本发明是这样实现的，一种过渡段沙卵石分汊浅滩直槽整治方法是采用 在过渡段枯水分汊河道开辟宽浅型长直槽通航，同时利用整治建筑物调整水 流结构，束窄枯水航槽，增强新开航槽的输沙能力。

一种过渡段沙卵石分汊浅滩航槽稳定性判别方法，为增强挖槽的稳定性， 开辟直槽通航时宜采取宽浅型挖槽横断面型式。

一种过渡段沙卵石分汊浅滩航槽稳定性判别方法，为满足挖槽的稳定性 要求，应保证挖槽前后进入直槽的推移质底沙具有相同的起动条件。在实际 应用时，可采用在整治流量下的推移质起动条件进行控制。

具体计算方法为，选取整治前整治流量下航槽内能起动的推移质最大粒 径为计算特征粒径D_max，挖槽后航槽内水深增加，适当增加航槽内流速以满 足特征粒径D_max具有相同的起动条件，起动条件采用长江寸滩站实测卵石起 动流速经验公式进行计算：

$V_0=1.08\sqrt{\frac{{\gamma }_s-\gamma }{\gamma }\mathrm{gd}}{\left(\frac{h}{d}\right)}^{1/7}$

式中K＝1.08，d为泥沙粒径，h为水深。

本发明对长江神背嘴航道整治推荐方案，其动床模型试验结果表明，丰 水年右槽进口淤高0.5m，出口淤积0.3m；中水+丰水+中水3年水沙组合放水 后右槽冲淤基本平衡，进口最大淤积高度为0.34m，满足航深要求，直槽挖 槽的稳定性较好。

对长江铜鼓滩航道整治推荐方案，其动床模型试验表明，经过一个水文 年后，铜鼓滩左槽疏浚区基本无泥沙回淤，挖槽中、下段还略有冲刷，经过 2～3个水文年，挖槽已基本达到冲淤平衡，航槽稳定，航道尺度满足设计要 求，直槽挖槽的稳定性较好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的概化水槽横断面示意图；

图2为本发明实施例提供的挖槽宽深比与摩阻流速关系曲线；

图3为本发明实施例提供的神背嘴滩直槽推荐方案平面布置图.

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种过渡段沙卵石分汊浅滩直槽整治方法是采用在过渡段枯水分汊河道 开辟宽浅横截面型长直槽通航，同时利用整治建筑物调整水流结构，束窄枯 水航槽，增强河段的输沙能力。

神背嘴右槽整治方案试验考虑了3.0m×80m(设计水位下水深×底宽)、 4.2m×60m两种挖槽试验对比方案，槽底纵坡均为0.58‰。铜鼓滩枯水左槽进 行了3.5×80m与4.0m×60m两种挖槽对比方案。

以神背嘴右汊长直挖槽为原型，进行了不同挖槽横断面型式下的水沙特 性的概化水槽试验研究。神背嘴直槽横断面开挖面积约为140m²，假设疏浚 工程量不变的情况下，将疏浚断面布置为不同的宽深比的矩形断面型式，按 比尺1:50将航槽开挖断面简化为矩形，布置于水槽中心线，进行了不同挖槽 横断面型式下的水力特性与推移质输沙率关系的概化水槽试验。水槽长度为 25m、宽2m，试验段布置在水槽中部（见图1）。概化局部模型按1:50正态 比尺设计，概化挖槽形断面尺度型式见表1，槽底纵坡为0.4‰。

表1为本发明实施例提供的概化水槽挖槽断面参数

考虑挖槽的汛后的输沙效率，主要选择整治流量作为特征流量，并采取 多年平均流量进行校核。参考神背嘴整治流量4500m³/s、多年平均流量 7800m³/s情况下的原型右槽的水深、流速、比降情况，近似按照1:50的模型 比尺确定概化试验水槽的水流边界条件（见表2）。

表2为本发明实施例提供的概化试验水流条件

Q=82L/s、40L/s时两级流量相同断面位置处的挖槽内摩阻流速对比表明， 在相同的挖槽宽深比开挖方案情况下，多年平均流量时的摩阻流速较大（见 图2）；在相同试验流量下，挖槽宽深比大于17.8时挖槽内摩阻流速随着挖 槽宽深比的增大而增大。

考虑到叙渝段碛槽的整治多采取疏浚与筑坝整治相结合的整治措施，沙 卵石输移量相对不是很大，采用Meyer-Peter公式进行挖槽的推移质输沙率计 算：

$\frac{Q_b}{Q}\left(\frac{K_b}{K_b^{\prime }}\right)\mathrm{\gamma hJ}=0.047({\gamma }_s-\gamma )D+0.25{\left(\frac{\gamma }{g}\right)}^{1/3}{\left(\frac{{\gamma }_s-\gamma }{{\gamma }_s}\right)}^{2/3}{g_b}^{2/3}$

朱沱站推移质中值粒径d₅₀=57mm，则计算得到概化挖槽相应的原型推移 质输沙率如表3。

表3为本发明实施例提供的不同断面开挖型式的直槽输沙强度

计算结果表明，在挖槽断面面积一定时，随着挖槽区宽深比B/h的减小， 输沙强度也相应减小，在B/H＝17.8时输沙强度值最小，之后又略有增大。 总体来看在挖槽的面积相同的情况下，为获得挖槽内较大的输沙能力，宽浅 型挖槽断面挖槽稳定性优于窄深型。

川江铜鼓滩进行了80×3.5m与60m×40m、神背嘴进行了80×3.5m与 60×4.2m挖槽的模型试验对比方案，经综合分析比较，均选择了80×3.5m的 相对宽浅型挖槽断面方案。

一种过渡段沙卵石分汊浅滩航槽稳定性判别方法，为保证挖槽的稳定性， 挖槽前后进入直槽的推移质底沙应具有相同的起动条件。在实际应用时，可 采用在整治流量下的推移质起动条件进行控制。

具体计算方法为，选取整治前整治流量下航槽内能起动的推移质最大粒 径为计算特征粒径D_max，挖槽后航槽内水深增加，应适当增加航槽内流速以 满足特征粒径D_max具有相同的起动条件，起动条件可采用长江寸滩站实测卵 石起动流速经验公式进行计算：

$V_0=1.08\sqrt{\frac{{\gamma }_s-\gamma }{\gamma }\mathrm{gd}}{\left(\frac{h}{d}\right)}^{1/7}$

式中K＝1.08，d为泥沙粒径，h为水深。

根据铜鼓滩、神背嘴滩段整治前在整治流量下直槽水深、流速（见表4）， 推求得整治前能起动的粒径D_max=15mm，推荐整治方案挖槽内流速均为 1.1V_cDmax。

表4为本发明实施例提供的整治流量下卵石浅滩推移质特征流速

神背嘴推荐方案平面布置见图3，其动床模型试验结果表明，丰水年右 槽进口淤高0.5m，出口淤积0.3m；中水+丰水+中水3年水沙组合放水后右槽 基本平衡，进口最大淤积高度为0.34m，满足航深要求。满足航深要求。

通过铜鼓滩推荐方案动床模型试验表明，经过一个水文年后，铜鼓滩左 槽疏浚区基本无泥沙回淤，挖槽中、下段还略有冲刷，经过2～3个水文年， 挖槽已基本达到冲淤平衡，航槽稳定，航道尺度满足设计要求。

神背嘴、铜鼓滩整治方案实施后，均取得了良好的整治效果。实践表明， 方案实施后各挖槽满足航深要求，直槽挖槽的稳定性较好。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明 保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础 上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍 在本发明的保护范围之内。