一种适用于分汊河段航道整治的丁坝尺寸确定方法

摘要

本发明公开了一种适用于分汊河段航道整治的丁坝尺寸确定方法，其步骤依次如下：一、建立丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型，分析航道整治前汊道分流比及航道条件发展趋势，确定航道整治目标；二、根据航道整治目标确定整治后通航主汊道可承受的分流比减小的极限值，从而确定整治后丁坝的最大阻水面积；三、设计多组符合最大阻水面积条件的不同长度和高度尺寸组合的丁坝；四、利用丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型，模拟计算在航道整治实施后每组丁坝产生的航道深度增加的幅度和范围；五、对比航道整治目标，优选出最接近航道整治目标的一组丁坝设计尺寸。本发明可事先估算丁坝对汊道分流比等的影响，合理确定航道整治丁坝尺寸。

说明书

技术领域

本发明涉及一种丁坝尺寸确定方法，特别涉及一种适用于分汊河段航道整治的丁坝尺寸确定方法。

背景技术

目前，丁坝是一种应用广泛的调整型工程，在航道整治中发挥着重要的作用。丁坝坝根与河岸或洲滩边缘联接，坝头伸向河心，坝轴线与水流的方向正交或斜交，在平面上与河岸构成丁字形，形成横向阻水的整治建筑物。其功能主要是固定整治线、调整河道宽度，控制水流并增加航槽的流速，使河床产生适量的冲刷，以达到增深航道的目的。当浅区位于汊内，一般在江心洲低滩或岸边上修建齿坝束窄汊道断面，增大汊内浅区流速。

丁坝一方面通过束水攻沙作用冲刷浅区、增加航深，但另一方面，由于丁坝修建后，局部阻力增大，会引起丁坝所在断面过流能力下降，一定程度上减小通航主汊的分流比。丁坝对汊道分流比的调整的原因在于所在汊道因局部阻力增大而引起的过流能力减小，丁坝长度越大，高度越高，引起的通航主汊一侧分流比的减小值就越大。该现象在长江中下游分汊河段的航道整治工程中普遍存在，但是目前对于这一现象仅限于基于原型观测和试验模拟的现象分析，仍缺乏理论上的定量研究。

在航道整治工程实践中，对于主汊和支汊分流比接近、各汊主导地位不明显，甚至通航主汊道选在分流比略小一汊的情况下，丁坝实施引起的汊道分流比的改变对航道条件有着显著影响，有必要根据丁坝尺寸事先估算所在汊道分流比的减小值，在满足整治要求和主支汊水流利用的前提下，以确定合理的丁坝尺寸。

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适用于分汊河段航道整治的丁坝尺寸确定方法。

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：一种适用于分汊河段航道整治的丁坝尺寸确定方法，包括如下步骤：

步骤一，建立丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型或物理模型，分析航道整治前汊道分流比及航道条件发展趋势，确定航道整治目标；

步骤二，根据航道整治目标，确定航道整治后通航主汊道可承受的分流比减小的极限值，从而确定航道整治后丁坝的最大阻水面积；

步骤三，设计多组符合最大阻水面积条件的不同长度和高度尺寸组合的丁坝；

步骤四，利用丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型，模拟计算在航道整治实施后每组丁坝产生的航道深度增加的幅度和范围；

步骤五，对比航道整治目标，优选出最接近航道整治目标的一组丁坝设计尺寸。

进一步地，所述步骤二中，航道整治后丁坝的最大阻水面积的计算方法采用如下公式计算：

式(1)中和式(2)，各参数定义如下：

ΔQ为航道整治后丁坝所在通航主汊道分流流量减小值；

A为航道整治后丁坝所在断面的过水总面积；

A′为航道整治后丁坝的阻水面积；

ζ为航道整治后丁坝局部阻力系数；

l为航道整治后丁坝所在汊道的长度；

H为航道整治前断面水深平均值；

V_a为航道整治前断面平均流速；

n为糙率；

g为重力加速度。

进一步地，根据概化模型试验法，点绘得到ζ＝f(A',A)的函数关系表达式。

进一步地，所述步骤三中，丁坝的宽度、迎水坡和背水坡的坡度以及钩头形式结构设计，按照《航道工程手册》规范进行设计。

本发明具有的优点和积极效果是：根据本发明提供的方法，可事先估算丁坝对汊道分流比的影响，合理确定航道整治工程的丁坝尺寸，预防在主支汊分流比接近的河段，出现丁坝实施后通航主汊分流比减少过多甚至主支汊易位的不利情况，使工程作用后的 河势稳定性和航道改善效果更好。

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1，一种适用于分汊河段航道整治的丁坝尺寸确定方法，包括如下步骤：

步骤一，建立丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型或物理模型，分析航道整治前汊道分流比及航道条件发展趋势，确定航道整治目标；

步骤二，根据航道整治目标，确定航道整治后通航主汊道可承受的分流比减小的极限值，从而确定航道整治后丁坝的最大阻水面积；

首先根据航道整治拟达到的目标，给出通航主汊道整治流量下分流比可承受的极限减小值，若通航主汊道分流比的减小值小于该极限值，则不会影响航道整治预期效果；此外，对于涉及多汊水深资源利用的河段，在满足该航道整治预期效果的前提下，还需兼顾主支汊水深利用，给出丁坝所在通航主汊道分流比可承受的极限减小值。

步骤三，设计多组符合最大阻水面积条件的不同长度和高度尺寸组合的丁坝；设计多组由不同长度、不同高度的单个丁坝组成丁坝组，每组丁坝数量可依据航道整治要求和航道特点而定，每组中每个丁坝迎水侧总面积应小于上述计算得到的丁坝最大阻水面积。

步骤四，利用丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型，模拟计算在航道整治实施后每组丁坝产生的航道深度增加的幅度和范围；计算每组不同尺寸组合下的丁坝组实施后航道深度提升的幅度和范围，

步骤五，对比航道整治目标，优选出最接近航道整治目标的一组丁坝设计尺寸。通过对比工程效果与目标航道尺度的关系，确定丁坝尺寸。

进一步地，所述步骤二中，航道整治后丁坝的最大阻水面积的计算方法可采用如下公式计算：

式(1)中和式(2)，各参数定义如下：

ΔQ为航道整治后丁坝所在通航主汊道分流流量减小值；

A为航道整治后丁坝所在断面的过水总面积；

A′为航道整治后丁坝的阻水面积；

ζ为航道整治后丁坝局部阻力系数；

l为航道整治后丁坝所在汊道的长度；

H为航道整治前断面水深平均值；

V_a为航道整治前断面平均流速；

n为糙率；

g为重力加速度。

将确定的分流流量减小值ΔQ，代入公式(1)中，并结合公式(2)，可计算出丁坝的阻水面积A′，该面积为整治流量下航道整治工程可采用的丁坝的最大阻水面积，将ΔQ与航道整治前主汊道分流流量Q相比，求得通航主汊道分流比，若丁坝阻水面积大于此面积，则可判断所在通航主汊道分流比减小的幅度将超出其可承受的极限减小值，无法满足设计。

上述的公式(1)的推导步骤如下：

根据明渠流水力计算公式，流量计算公式为：

式(3)中：Q为流量；A为过水面积；C为谢才系数；R为水力半径，可用平均水深H代替；J为能坡。

根据曼宁公式：

式(4)中C为谢才系数；n为糙率；R为水力半径，可用平均水深H代替；

将式(4)代入式(3)，得到公式(5)：

令

则式(5)可表示为：

式(5)、式(6)以及式(7)中：T为流量模数，单位为m³/s，它综合反映了明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。

水头损失h_w包括沿程水头损失h_f，和局部水头损失h_j，即：

h_w＝h_f+h_j>

能坡可表示为：

航道整治工程实施后流量变化产生的分流流量减小值ΔQ为：

由于丁坝所在断面水流急剧收缩，为典型的非均匀流，此时，局部水头损失h_j不可忽略，沿程水头损失为零，即：

h_f＝0>

将式(11)代入式(10)，得到航道整治后丁坝所在通航主汊道分流流量减小值ΔQ为：

式(12)中：h_j为丁坝引起的局部水头损失，取l为丁坝所在汊道的长度，J_j为丁坝局部阻力增大引起的虚拟能坡；

式中：ζ为丁坝局部阻力系数，V_a为丁坝实施前断面平均流速；

将式(6)、式(13)代入式(12)，推导可得公式(1)。

进一步地，可根据概化模型试验法，点绘得到ζ＝f(A',A)的函数关系表达式。

进一步地，所述步骤三中，丁坝的宽度、迎水坡和背水坡的坡度以及钩头形式结构设计，可按照《航道工程手册》规范进行设计。

下面结合长江中游戴家洲河段航道整治工程，进一步详细说明本发明的具体实施步骤。

步骤一，建立丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型或物理模型，分析航道整治前汊道分流比及航道条件发展趋势，确定航道整治目标；

戴家洲河段位于长江中游，上起鄂城，与沙洲水道相连，下迄迴风矶，与黄石水道相接，全长约34km，是长江中游重点碍航水道。戴家洲水道分为左汊和右汊两汊，通航主汊道在右汊，对于6m航深目标，右汊浅区6.0m航深不足。

以戴家洲河段为研究河段，在2014年2月河床地形的基础上，建立了长江中游戴家洲河段二维水沙数学模型，并分析工程前汊道分流比及航道条件发展趋势。

数学模型计算范围上游起自沙洲水道，下游至武穴水位站处，模拟河段全长约123km，详见图1。通过验证计算，模型与原型枯水期、中水期和中洪水期的水面线、断面流速分布、汊道分流比基本相似，2014年年内冲淤计算结果与实际吻合较好，可用于航道治理措施的研究。

步骤二，根据航道整治目标，确定航道整治后通航主汊道可承受的分流比减小的极限值，从而确定航道整治后丁坝的最大阻水面积；

首先，综合考虑航道整治效果和多汊水深利用的要求，确定通航主汊道整治流量下分流比可承受的极限减小值。

根据二维数学模型计算结果，戴家洲河段在整治流量11900m3/s时，左汊的分流比为46％，右汊(通航主汊道)的分流比为54％，认为当整治流量下右汊分流比减小值大于5％时通航主支汊有易位的风险，对航道条件不利，因此，考虑航道整治效果，右汊分流比减小量应控制在4％以内。此外，戴家洲河段右汊汊内有取水口和码头等设施，采用数学模型模拟了丁坝工程对取水口和码头等设施的影响，试验结果表明，整治流量下，当 戴家洲右汊分流比减小4％时，不影响取水口和码头等设施的正常使用。综上分析，综合考虑航道整治效果和多汊水深利用的要求后，确定戴家洲通航主汊道(右汊)整治流量下分流比可承受的极限减小值为4％。

其次，根据整治流量下分流比可承受的极限减小值ΔQ＝4％，采用公式(1)和公式(2)，计算得到11900m3/s下整治流量对应丁坝的最大阻水面积约为1800m2。

步骤三，设计多组符合最大阻水面积条件的不同长度和高度尺寸组合的丁坝；在戴家洲右汊右岸中段及下段布置8条丁坝，丁坝布置位置相同的条件下，组合不同丁坝的长度和高度，设计两组丁坝，每组有8条丁坝，形成第一组丁坝和第二组丁坝，两组丁坝中的每个丁坝阻水面积均满足小于步骤二计算的最大阻水面积1800m2。第一组丁坝和第二组丁坝的特征尺寸见表1。

表1 戴家洲河段右汊方案1和方案2中各整治建筑物特征值表

步骤四，利用丁坝尺寸与汊道深度及分流比之间的数学模型，模拟计算在航道整治实施后每组丁坝产生的航道深度增加的幅度和范围；利用步骤一建立的数学模型，模拟计算第一组丁坝和第二组丁坝分别实施后产生的航道深度的变化和分流比的变化，计算结果表明，第一组丁坝或第二组丁坝整治工程实施后，6m航深均贯通，均可达到航道规划目标要求。

步骤五，对比航道整治目标，优选出最接近航道整治目标的一组丁坝设计尺寸。两个方案的分流比变化见表2。经代表水文年后，整治流量11900m3/s时，第一组丁坝整治工程实施后，戴家洲右汊枯水分流比将比工程前减小了约2.4％；第二组丁坝整治工程实施后，整治流量时右汊流比将比工程前减小了约1.8％。综合考虑两个方案效果，推荐第二组丁坝的尺寸设计作为优选方案。

表2 丁坝整治工程实施前后各级流量下戴家洲右汊分流比变化情况表

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。