长江中下游整治线宽度确定方法研究_王秀英
2005年12月
泥沙研究
JournalofSedimentResearch
第6期
长江中下游整治线宽度确定方法研究
王秀英,李义天,孙昭华
(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072)
摘要:在总结分析现有整治线宽度确定模式的基础上,根据长江中下游碍航浅滩冲淤特点及不同类型浅滩整治前后断面输沙关系,提出了适应不同类型浅滩整治的局部输沙模式及平衡系数确定公式,建立了能够适用于束窄河宽和调整断面水沙分配等不同形式建筑物整治线宽度确定的统一公式。关键词:航道整治;整治线宽度;输沙平衡;长江中下游;浅滩
中图分类号:U61716 文献标识码:A 文章编号:0468-155X(2005)06-0013-08
1 前言
整治线宽度是浅滩整治工程设计中的重要参数,它决定了整治段的断面形态,直接影响到整治工程的质量和工程量。国内外许多学者和工程技术人员对此进行了专门研究,获得了一系列经验、半经验公[1-3]式,其中整治线宽度河流动力学公式可概括为三种模式。第一种是总输沙量不变模式,认为整治前后通过浅滩断面的流量不变,河道总输沙量不变。公式中的水力要素均应取年平均值,得出的整治线宽度公式中各量也应为平均值。某些中小型河流整治水位由第二造床流量法或平均流量法确定,整治水位时的水力要素与平均水力要素接近,总输沙量不变模式能够适用。但长江中下游浅滩河段为低水整治,整治水位低于多年平均流量对应水位及第二造床流量对应水位较多,整治水位时的水力要素与平均情况相距甚远。第二种是整治水位时输沙能力不变模式,认为浅滩段整治达到新的平衡后,水位下降到整治水位时已经塑造出较好的河床形态,由整治水位下降到设计水位过程中只要维持与整治前相同的
[4]
输沙能力即可。对于年际冲淤变化较小的中小型河流该模式效果较好。长江中下游河段水流在整治水位附近时冲刷浅滩的能力较强,水位下降过程为主要冲刷时段。整治前浅滩碍航的主要原因是整治水位到设计水位过程中的冲刷能力不足,该模式则忽略了这一时段的浅滩冲刷。第三种是整治水位时床沙起动模式,认为水位下降到整治水位时,床沙开始起动。这一模式类似于水力学方法,考虑河流动力学条件相对简单,且假定整治前后流量不变,多用于沙量较少的小型河流,而长江中下游输水输沙量大,冲淤关系复杂。以上三种模式均没有明确区分浅滩冲淤类型及整治工程作用,计算年际冲淤变化不大的正常过渡浅滩时,一般这种浅滩河槽断面呈抛物线型,主流过滩,确定的整治线宽度较为适合,当用于计算弯曲和分汊河段浅滩时,因河槽断面形态为三角形或W形,公式与浅滩特性结合不够紧密,效果较差,以至根据实测资料计算后出现河宽不仅无需缩窄,反而需要加宽的现象。长江中下游碍航浅滩又多为分汊、弯曲河段,冲淤幅度较大,主流摆动频繁,因此仅考虑整治工程束窄河宽的断面平均效果与实际情况差别较大。
本文结合整治工程束窄河宽和调整浅滩断面水流分配的不同作用,根据浅滩冲淤特性及浅滩类型
收稿日期:2005-06-13
基金项目:国家/9730项目,编号2003CB415200
作者简介:王秀英(1977-),女,天津人,博士生,主要从事河流模拟及水沙输移规律的研究。
[5]
差异分析了长江中下游浅滩整治前后断面输沙特点,建立了浅滩局部输沙模式,化简推得平衡系数确定公式,并将整治线宽度确定公式的不同形式进行了统一。
2 长江中下游碍航浅滩冲淤特性
为减小对防洪的影响,长江中下游浅滩河段整治均采用低水建筑物,洪水期的束水作用甚小,浅滩部位的淤积规律与整治前基本相同。对于洪淤枯冲的浅滩河段,整治前后汛期淤积在该段的泥沙总量变化不大,主要冲刷时段集中在退水期接近整治水位时到设计水位过程中的有效冲刷时段内。浅滩整治后整治水位以上泥沙仍然会淤积,输沙能力不可能与上游来沙相适应,整治水位以下冲刷能力必须大于整治前才能保证不碍航。对于洪冲枯淤的浅滩河段,整治水位以上输沙能力与上游来沙基本相适应而不产生浅滩淤积,只要整治水位以下浅滩断面输沙能力与上游来沙相等,上游来沙全部输送至下游,就不会形成碍航浅滩。但浅滩上游来沙并不与整治前浅滩断面输沙能力相同,正是由于整治前浅滩断面输沙能力不足,才产生淤积物碍航的局面,因此上游来沙量要大于整治前浅滩断面输沙量。211 顺直河段浅滩
顺直河段浅滩水流动力轴线基本过滩,浅滩部位断面形态比较对称,整治工程主要作用是保持边滩完整、缩窄河宽,整治前后过滩流量基本不变,平均含沙量变化能够反映断面的输沙特点,无需调整断面水沙分配。整治前后断面物理图案对应关系如图1(a、b)
。
图1 顺直河段浅滩形态
Fig.1 Crosssectionoftheshoalinthestraightriver
reach
图2 Ñ-Ñ断面整治前后断面形态Fig.2 Crosssectionsbeforeandaftertheregulation
浅滩整治前后断面形态如图2,洪淤枯冲的浅滩段经过整治重新达到平衡之后,河床较整治前冲深(或挖槽清除泥沙)$Hc,平衡后每年汛期碍航淤积厚度为Hc,由整治水位下降到设计水位的过程中必须将当年汛期淤积的Hc厚度泥沙冲走,才能达到要求航深t。由于平衡前的冲刷过程时间较短,且关系复杂,忽略这一过程,则河床达到新的冲淤平衡后有
Q(S
TZ1
TZ2
2
-S1)Qdt=HcBZSCS
式中S1、S2分别为整治前后断面平均含沙量;HcBZSCS为浅滩部位年泥沙碍航淤积量;TZ1为水位降落到整治水位的时间;TZ2为水位降落到设计水位的时间。
对于洪冲枯淤的浅滩河段,图2(a)中的年碍航淤积量HcBZSCS发生在枯水期,整治工程的作用是保证在由整治水位下降到设计水位的过程中浅滩不淤,相当于将每年枯期淤积的Hc厚度泥沙及时输送至下游。因此整治后整治水位时的水深保持整治前大小,即H2=H1,断面水深随水位下降而减小,不会因泥沙淤积水深减小。洪淤枯冲的浅滩河段整治后水深H2应大于整治前水深H1,随着水位下降河床逐渐冲深,水深减小是水位下降和河床冲深的综合作用。分汊河段、弯曲河段洪冲枯淤型浅滩和洪淤枯冲型浅滩冲淤规律的差别及整治前后断面形态差异与顺直河段相同,下文不再冗述。212 分汊河段浅滩
分汊河段进口处碍航浅滩的整治与汊道分流分沙比的调整关系密切。如图3所示,当在江心洲头修建工程增加通航汊道流量或封堵非通航汊道时,浅滩断面水沙分配结构发生了变化,整治前后通过浅滩部位的水沙量必然发生变化。整治工程一方面要将每年淤积在进口段的泥沙在碍航发生之前冲走,
另一方面还要保证将调整分沙比后增加的过滩沙量向下游输送。
图3 分汊河段浅滩形态
Fig.3 Crosssectionoftheshoalinthebifurcatedriverreach
若以纵向分流断面将汊道分成两部分,当河床达到新的平衡后,浅滩一汊有冲淤关系
Q
度有关。
213 弯曲河段浅滩
TZ2TZ1
(S2Q2-S1Q1)dt=HcBZSCS+
Q
TZ2TZ1
K2-K1
S1Q1dt1
式中KK后的分沙比,Q1、Q2为整治前后通航汊道断面平均流量,其他符号1、2分别为通航汊道整治前、与顺直河段浅滩一致。S2不仅与整治水位、整治线宽度有关,还与整治工程对断面水沙结构的调整程
弯曲河段碍航浅滩,一类是河宽过大造成分汊,进而泥沙淤积碍航。这种情况可以参考分汊河段浅滩特点分析;另外一类为弯曲河段边滩碍航,断面呈不对称的/V0型(如图4),河段汛期水流取值,枯水
期走弯,断面平均水深满足通航要求,但枯水期凸岸淤积,水流过于弯曲,边滩挤压航槽,不能满足航道弯曲半径要求,需要修建整治工程将水流稳定在满足要求的位置。第二类边滩碍航问题,无法沿用原有整治线宽度公式求解。
为便于分析,以纵向分流断面将水流分为过滩水流A和过槽水流B两部分,以浅滩一侧A为研究对象,边滩碍航问题即转化为浅滩碍航问题。浅滩一侧A部位河床达到新的冲淤平衡后有输沙关系
Q
TZ2TZ1
(S2Q2-S1Q1)dt=HcBZSCS+
Q
TZ2TZ1
Kcc2-K1
S1Q1dt1
其中整治前后的流量均为浅滩一侧的过滩流量,KcKc1、2为整治前后浅滩一侧过滩沙量占断面总沙量的百分比,其他符号与前文一致。整治前通过浅滩部位A(或通航汊道)的流量Q1、含沙量S1可以根据二维垂线平均糙率沿河宽分布公式及二维挟沙力公式估算。
深槽一侧可以采取相同方式或根据具体整治工程措施调整水流的能力确定工程尺度以满足过滩流量要求。
综上所述,整治工程作用可以分为两类:顺直河段等无需考虑断面水沙分配调整的整治工程和弯曲
及分汊河段需要考虑断面水沙分配调整的整治工程,二者的冲淤数量关系存在差别,整治线宽度确定时
[6]
图4 弯曲河段浅滩形态
Fig.4 Crosssectionoftheshoalinthemeanderingriverreach
应加以区分。
3 局部输沙模式
311 局部输沙关系
输沙平衡是河段总输沙量在多年平均条件下保持平衡,浅滩部位经过整个水文年后基本保持不变。针对长江中下游浅滩河段特点,若要将浅滩断面冲刷集中在碍航前整治水位到设计水位过程中的有效冲刷时段内,就必须增强浅滩断面输沙能力,浅滩段输沙量必然增加。这种输沙能力增强不会无限发展,因为随着水深增加,挟沙能力降低,整治后有效时段过后水深大于整治前,挟沙能力则小于整治前,枯水输沙小于整治前,最终年内仍然保持平衡。因此整治前后整治水位到设计水位过程中的有效冲刷时段内浅滩断面输沙是不相等的,即全过程输沙平衡
EG
在局部位置局部时段的平衡关系为
K0
S1
==
EG
S2
(1)(2)
EG
S1
EG
S2
式(2)中的求和表示整治水位到设计水位过程中主要冲刷时段内的浅滩断面输沙量求和。所谓有效冲刷时段是指浅滩碍航之前冲刷能力较强的时段。浅滩冲淤特性不同,有效冲刷时段存在差异,某些浅滩枯水位并不会下降到设计水位,水位较低时浅滩冲刷能力就已经很小,某些枯期淤积的浅滩,整个枯水期都需要增强冲刷。(2)式能够根据低水整治特点,选择浅滩有效冲刷时间及浅滩输沙能力增强程度,与河型特点结合更为密切。
另外,浅滩年际冲淤变化表现了每年不同来水来沙条件与河段边界条件相互作用的结果。来水来沙条件好,浅滩淤积少甚至冲刷,来水来沙条件差,浅滩淤积严重,年内冲淤变化的同时伴随有单向冲淤变化,整治后需要消除单向累积作用。因此来水来沙条件不好的年份,浅滩部位淤积严重,需要增强有效冲刷时段的输沙能力,冲刷时段局部输沙关系K0EGS1=EGS2中K0>1;来水来沙条件好的优良时期浅滩基本不碍航,整治水位到设计水位只需要维持该水沙条件下整治前的输沙能力即可,此时K0=1。如果以浅滩优良时期作为整治目标,其他时期始终有K0>1,即使取多年平均值,K0仍然大于1。312 不考虑水沙分配调整的输沙模式
不考虑水沙分配的浅滩河段包括顺直河段正常浅滩,整治后不改变汊道分流分沙比的汊道内浅滩等。以EGS1、EGS2分别表示浅滩段整治前后年内整治水位到设计水位过程中的输沙总量,由局部输沙关系(2)得
$G=
下标1、2分别表示整治前后,(3)式可写成
$G=
EG
T0
S2
-
EG
S1
(3)(4)
QQ$gdbdt
B
式中$g为浅滩段整治前后单宽输沙率的增量,即$g=g2-g1。对航道整治工程而言,如上文分析,汛期涨水时输沙量整治前后变化不大,可认为相等,因此T取整治工程发挥作用的时间,即整治水位时为时间起点至有效冲刷时段末为时间终点。以$GX表示整治水位以下浅滩整治前后输沙增量,参照(4)式,可得出
$GX=
QQ$gdbdt
TZ
[7]
TSB
(5)
认为,由于整治
式中TZ、TS分别为对应整治水位和有效冲刷时段末的时刻。借鉴张幸农的处理方法
水位至设计水位过程中的有效冲刷历时不长,水位随时间基本上呈线性变化关系,可假设dz=-,
kk即为水位随时间的变化率,将(5)式积分换元,若又近似地认为$g在此时段内也是线性变化的,可得
$GX=k
Z
ZB
Z
S
$gdbdzU$Z|02
Q
Z
B0
$gdb+
Q$gdb|
S
B
(6)
其中ZZ、ZS分别为整治水位和有效冲刷时段末的水位,BZ、BS分别为对应整治水位和有效冲刷时段末的河宽;$Z=ZZ-ZS为整治水位与有效冲刷时段末水位差值。由于有效冲刷时段末水流冲刷能力较弱,可认为此时输沙率与整治前相同,则(6)式右边第二项为0,假设GS1、GS2分别为整治水位时的断面输沙率,所以有
$GX=$Z2
B
Q
Z
B
$gdb=$Z(GS2-GS1)
2
(7)
式(7)中
Q$gdb为整治前后整治水位时的断面输沙率差。
Z
根据(2)式局部输沙关系,设整治水位时局部输沙模式为KGS1=GS2,则
2$GX
K=k$ZG+1
S1
(8)
局部输沙模式KGS1=GS2不考虑断面水沙分配时K可由式(8)给出。$G为浅滩年内碍航淤积量,若整治前浅滩河段年内冲淤保持平衡状态,浅滩处于优良时期,则$G=0,K=1;其他非优良时期,则有K>1。当水位下降到有效冲刷时段末时,断面维持输沙平衡。针对浅滩的不同特性,$G、k、$Z、GS1根据实测资料确定,这就使得浅滩冲淤特点与公式紧密结合。313 考虑水沙分配调整的输沙模式
考虑水沙分配的浅滩河段包括分汊河段、弯曲河段浅滩,顺直段交错浅滩、散乱浅滩及跨河建筑物附近航槽位置必须调整的河段。该类浅滩河段整治后河床达到冲淤平衡时断面冲淤关系式
TZ2TZ2
K2-K1
(S2Q2-S1Q1)dt=HcBZSCS1Q1dtS+TZ1TZ11
转化为修建整治建筑物后整治水位至设计水位过程中有效冲刷时段内需要增加的航槽年内输沙量公式
$G+
K2-K1
1
EG
S1
=
EG
1+
S2
-
EG
S1
(9)
仿照不调整水沙分配河段整治线宽度确定公式推导化简上式可得
$GX=
$ZGS2-2
K2-K1
GS1
1
(10)
将局部输沙模式KGS1=GS2带入上式,得考虑断面水沙分配的整治线宽度平衡系数
K=
K2$GXK2$GX2-K12
++1=+
k$ZGS1k$ZGS111
(11)
局部输沙模式KGS1=GS2考虑断面水沙分配时平衡系数K与整治水位和有效时段末水位的差、整治水位到设计水位过程中有效冲刷时段内断面需要冲刷的泥沙总量、分沙比的变化、冲刷时间等有关。平衡系数的引入有助于结合浅滩冲淤规律,充分考虑冲刷时段内的作用效果及整治工程对断面水沙分
配的调整。
平衡系数K是随每年冲淤情况变化的,间接反映了来水来沙条件的特点,因此对应每年的来水来沙条件,均有一个K值,由此确定的整治线宽度也会有所不同,但是不可能针对每种条件确定整治线宽度,因此需要按照一定原则取值。一般可以有三种处理方式:(1)取浅滩平均淤积程度下的数据计算平衡系数K;(2)将各种水沙条件与河床冲淤相互作用后对应的平衡系数由大到小排列,按照一定保证率确定最终的K值,如此,整治线宽度与设计水位一样,也具有保证率的概念,平衡系数K的引入使得这种保证率概念更加明确,具备了表达实体;(3)选择浅滩淤积碍航最严重年份的数据资料确定K值,相当于取保证率为100%时的整治线宽度。按照以上原则将K值及与K对应的整治前整治水位时的断面输沙关系代入公式即可确定整治线宽度。
4 整治线宽度计算统一公式
411 悬移质整治线宽度统一公式
倪晋仁采用具有广泛通用性的浓度分布及流速分布的一般表达式探讨了悬移质输沙率的计算模式,得出悬移质单宽输沙率简化计算公式
gs=B
gUb
式中
A1CSCB=ib#0S-CC
1+m-2#A0
U*
H
X
A-1
*
[8]
4
(12)
-H
m
(13)
其中C0为无量纲谢才系数;X0为泥沙在清水中的沉速。
从上式可以看出,影响悬移质输沙率的因素比较多,其中除了反映悬浮特性的悬浮指标
X02U*
外,还有反映浓度对流速分布影响的指数m,反映浓度分布自身变化的修正系数A,河床阻力系数及非均匀沙时,各组粒径的推移质在输移泥沙中所占的比例等。因此条件不同,输沙率会相差较大。
利用上述悬移质单宽输沙率简化计算公式,根据整治工程修建前后的局部输沙模式KGS1=GS2,可有如下结果
KgS1#B1=gS2#B2
U1U2
KB1gUB1=B2gUB2
1b12b2
其中重力加速度g1=g2,断面平均流速U=
B2=
1P3
4
4
(14)(15)
,化简后得BH
1B2Kc1
Q2Q1
4Ub1Ub2
1#B1
J1H2
4(16)
式中1、2分别代表整治前后,K=Kc。(16)式即为悬移质整治线宽度统一公式,采用不同的具体输沙率公式实际上是对统一公式中B2PB1及Ub1PUb2两项采取不同的简化方式。
由表1可以看出,现有悬移质输沙率公式都可以转换为统一形式,由此整治线宽度公式也就拥有统一的表达形式。其他各种已有河流动力学整治线宽度公式,如刘建民等的公式,均可以由统一公式忽略某些项得到。同一河段采用不同的公式计算,会得到不同的系数,但并不是每个公式都适用于该河段,对于输沙率关系,只有一个是最为适合的,由此仅有一组系数是最接近真实值的。在选用计算公式时要十分慎重,不可轻易套用,只有经过当地资料的验证后才能使用,采用不同输沙率公式的计算结果并不具备对比意义。
412 推移质整治线宽度统一公式
推移质整治线宽度公式是建立在以流速为主要参变数的推移质输沙率公式基础之上的,其推移质输沙率公式的基本思想是,认为影响推移质输沙率强度的主要水力因素是水流流速,流速愈大,推移质
表1 不同悬移质公式对统一公式系数的处理
Table1 Coefficientsforthedifferentsuspendedsedimentconcentrationformulas
公式名称
倪晋仁公式表达
U4gUH
系数B=01055Cs
AG
C0
1整治线宽度公式B21B21B21
窦国仁
gS=B
B2=
Q21
UH1H2
#B1
H12
维里堪诺夫
gS=B
U4gX
B=ACS
B2=
1
K
Q2Q1
X12
#B1
H1H2
武汉水利电力学院
gS=B
U4gX
B=K1
U3gHX
m-1
B2=
1K
11Q2Q1
X12
#B1
H1H2
杨志达
gS=B*
U4gU*
B*=
f
B*B2=
1K
B**
21
13
Q2Q1
43
U*U*
12
13
#B1
H1H2
43
表中各系数的说明见参考文献[8]
输沙率愈大。
推移质输沙率公式为
gb=UCSd(U-Uc)Uc
式中各符号含义参见文献[9]。
以(17)式为基础,推求整治线宽度公式。为计算公式导演方便,将式(17)变换为
-1gb=UCUSdc
UcUc
将式(18)中U-1项改写成指数形式
c
-1=aUcUc
上式中的a和z值的确定可给出一些列的
znn
h
m
(17)
h
m
(18)
(19)
UU值,在对数纸上绘出-1~的关系线。再将此曲线UcUcUc
分成若干段,每段近似视为直线关系,如此即可定出各段的a和z的数值。将(19)式带入(18)式,化简
后得
gb=UCSdUcaUc
1
n+z
h
m
(20)
1-7(n+z)-6m将式(20)带入整治前后断面输沙关系:KGS1=GS2,得整治线宽度公式
B2=
K
a2a1
1d2d1
4-(n+z)+3mQ2Q1
n+zH1
#B1H
2
-
(21)
表2 不同推移质公式对统一公式系数的处理Table2 Coefficientsforthedifferentbed-loadformulas
公式名称
推移质公式
UUcc
3
整治线宽度公式
d
沙莫夫公式
gb=0.95d(U-Ucc)
B2=
1
a21
1d12
4z-1Q21
3+z#B1
H12
43+14z冈恰洛夫早期公式
gb=2.08d(U-Uc)
Uc
3
dh
1B2=
1K
a2a1
d1d2
Q2Q1
#B1
H1H2
5 结论
(1)长江中下游航道整治为低水整治,浅滩冲刷时间集中在整治水位及其以下的有效冲刷时段内,必须增大这一时段的冲刷,因此浅滩局部位置、局部时段整治前后输沙是不平衡的。原有总输沙量平衡方程不能很好表现低水整治下的浅滩整治前后断面输沙关系。
(2)分汊河段、弯曲河段等复杂浅滩整治涉及到整治工程对于浅滩断面水沙量的调整,原有方法无法反映这一特性,且不能针对洪冲枯淤、洪淤枯冲不同浅滩特性加以区别,复杂情况下无法计算。采用本文由局部输沙模式建立的整治线宽度确定公式,通过划定分流断面、选择冲刷时段及碍航冲刷量等方式能够得到解决。
(3)浅滩整治主要有两种途径:河宽缩窄和流量分配调整。针对这两种整治途径整治线宽度也包括宽度束窄和流量分配调整两层含义,与此对应,获得了局部输沙模式及不同类型工程的平衡系数。(4)将输沙率公式带入局部输沙模式,分别推导出悬移质及推移质整治线宽度公式的统一表达式,其他各公式均可以由该统一形式转化得到。参考文献:
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StudyontheregulationwidthofthemiddleandlowerreaehesoftheYangtzeRiver
WANGXiu-ying,LIY-itian,SUNZhao_hua
(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,Wuhan430072,China)
Abstract:Basedonthesummarizationandanalysesoftheexistingmodesoftheregulationwidth,theshoal
evolutioncharacteristic,andtherelationshipofsedimenttransportbetweenthepre_andpost_rgeulationoftheshoalsinthemiddleandlowerreachesoftheYzngtzeRiver,thelocalsedimenttransportmodeforthedifferenttypesofshoalsandtheformulaoftheequilibriumcoefficientareestablished.Inaddition,theunifiedformulatocomputetheregulationwidthofdifferenttypesofchanneltrainingworkisdeveloped.
Keywords:waterwaytrainingworks;regulationwidth;sedimenttransportingbalance;middleandlowerreachesoftheYangtzeRiver;shoal