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长江上游卵石分汊河段众多,不同汊道的河势特征与碍航特点各异,部分汊道河段曾进行过多次整治,整治难度较大。近年来长江上游河道的水沙条件发生了明显的变化,主要体现在来流非恒定性及来沙量的显著减小;加之目前航道有升级的要求,原水沙条件下Ⅲ级航道的整治参数的确定方法的适用性及改进方法有待研究。
山区河流的整治参数研究多集中在整治水位与整治线宽度两个参数上,而对整治线线型的研究极少;此外,基建疏浚也是长江上游航道整治的重要措施。因此,本文采取原型资料分析、概化水槽试验、模型试验、理论分析相结合的方法,对新水沙条件下分汊河段的整治水位与整治线宽度、基建性挖槽的横断面尺度、整治线线型等参数的确定方法进行了较全面的研究。主要结论如下:
(1)本文从河道与碍航特征的角度,将复式河弯过渡段汊道分为凹岸型、凸岸一级分汊型、凸岸二级分汊型三类;单式河湾汊道分为弯顶放宽段心滩型或暗碛型分汊等类型;同时建立了不同亚类的河相关系。通过概化模型试验,模拟了过渡段汊道的形成演变过程,试验表明洲滩相对尺度、水沙条件是形成不同汊道亚类的主要影响因素。
(2)新水沙条件下,上游建库后枯期流量有所增加、汛期流量则稍有减小,但涨退水持续时间相当。来流非恒定性可由非恒定流引起的床面剪力增量与恒定流床面剪力的比值β反映,朱沱站中枯水期β最大值为0.5%。采用非恒定流影响下的水流功率与出现频率的乘积,可反映新来流条件下的造床作用大小。
新水沙条件下来沙量显著减小,导致坝下长河段年内冲淤幅度减小;分汊河道总体稳定,但需注意采砂对汊道河势演变的不利影响。
(3)长江上游分汊河段的主要碍航问题为浅、弯曲半径不足、斜流流态等,部分汊道还存在急的碍航问题。在分析不同汊道河型亚类的碍航特征及成因的基础上,针对航道升级的实际需求,提出了通航整治汊道的选择方法;若弯曲分汊的航道弯曲半径难以满足要求时,应考虑开辟直槽通航。
针对不同亚类汊道的通航汊道,提出了枯水整治为主、稳定或调整分汊格局、“疏浚为主、筑坝为辅”的整治思路。
(4)整治参数的计算需考虑床面粗化及非恒定流的影响;本文提出了整治流量输沙能力相同法、退水过程输沙能力平衡修正法、优良河段汊道洲滩河相关系法等整治断面参数的确定方法。
整治流量时整治前、后输沙能力相同法采用爱因斯坦推移质输沙率修正公式,提出输沙能力相同即要求水流强度相同;采用含隐蔽系数的水流强度函数,适用于新水沙条件下床面组成变化的情况。
退水过程输沙能力平衡修正法采用的原理不变,一是对计算的起止水位进行了修正,直槽处于第一造床流量下的水流动力轴线所在位置,计算起始水位宜取多年平均流量对应水位,而弯曲汊道可取低值;二是采取的输沙率公式反映了非恒定流的影响。
(5)通过不同挖槽型式的三维水流特性水槽试验,揭示了挖槽近底流速、相对脉动流速的分布规律,基于大量起动概率的临界水流条件,获得挖槽最佳水力断面的宽深比为17.8。
(6)通过理论计算分析,揭示了凸岸型分汊在弯道出口浅区处的近底水流强度随相对弯曲半径R/B2的变化规律,当R/B2≈2.5时浅区流速出现极大值,该结论同相对弯曲半径与浅区水深的河相关系、典型滩段的模型试验结论相吻合;为该类型的浅滩的整治线参数的选取提供了依据。
(7)针对不同汊道河型,总结归纳了整治线与控制工程的一般布置方法。凸岸一级型分汊的进口弯浅、斜流强而碍航;通过在凹岸与洲头长丁顺坝的整治线布置方式,可束窄和归顺水流,增强输沙强度。
凸岸二级型分汊河段枯水心滩的存在对航道条件有利时,可在低矮的心滩上筑顺坝及齿坝固定加高心滩,调整河势由枯水位下“隐形”分汊向心滩出露的“显型”分汊方向转化;若枯水两槽的通航条件均难以满足通航尺度的要求时,可采取“强化一级分汊、弱化二级分汊”的整治线布置方式。
山区河流的整治参数研究多集中在整治水位与整治线宽度两个参数上,而对整治线线型的研究极少;此外,基建疏浚也是长江上游航道整治的重要措施。因此,本文采取原型资料分析、概化水槽试验、模型试验、理论分析相结合的方法,对新水沙条件下分汊河段的整治水位与整治线宽度、基建性挖槽的横断面尺度、整治线线型等参数的确定方法进行了较全面的研究。主要结论如下:
(1)本文从河道与碍航特征的角度,将复式河弯过渡段汊道分为凹岸型、凸岸一级分汊型、凸岸二级分汊型三类;单式河湾汊道分为弯顶放宽段心滩型或暗碛型分汊等类型;同时建立了不同亚类的河相关系。通过概化模型试验,模拟了过渡段汊道的形成演变过程,试验表明洲滩相对尺度、水沙条件是形成不同汊道亚类的主要影响因素。
(2)新水沙条件下,上游建库后枯期流量有所增加、汛期流量则稍有减小,但涨退水持续时间相当。来流非恒定性可由非恒定流引起的床面剪力增量与恒定流床面剪力的比值β反映,朱沱站中枯水期β最大值为0.5%。采用非恒定流影响下的水流功率与出现频率的乘积,可反映新来流条件下的造床作用大小。
新水沙条件下来沙量显著减小,导致坝下长河段年内冲淤幅度减小;分汊河道总体稳定,但需注意采砂对汊道河势演变的不利影响。
(3)长江上游分汊河段的主要碍航问题为浅、弯曲半径不足、斜流流态等,部分汊道还存在急的碍航问题。在分析不同汊道河型亚类的碍航特征及成因的基础上,针对航道升级的实际需求,提出了通航整治汊道的选择方法;若弯曲分汊的航道弯曲半径难以满足要求时,应考虑开辟直槽通航。
针对不同亚类汊道的通航汊道,提出了枯水整治为主、稳定或调整分汊格局、“疏浚为主、筑坝为辅”的整治思路。
(4)整治参数的计算需考虑床面粗化及非恒定流的影响;本文提出了整治流量输沙能力相同法、退水过程输沙能力平衡修正法、优良河段汊道洲滩河相关系法等整治断面参数的确定方法。
整治流量时整治前、后输沙能力相同法采用爱因斯坦推移质输沙率修正公式,提出输沙能力相同即要求水流强度相同;采用含隐蔽系数的水流强度函数,适用于新水沙条件下床面组成变化的情况。
退水过程输沙能力平衡修正法采用的原理不变,一是对计算的起止水位进行了修正,直槽处于第一造床流量下的水流动力轴线所在位置,计算起始水位宜取多年平均流量对应水位,而弯曲汊道可取低值;二是采取的输沙率公式反映了非恒定流的影响。
(5)通过不同挖槽型式的三维水流特性水槽试验,揭示了挖槽近底流速、相对脉动流速的分布规律,基于大量起动概率的临界水流条件,获得挖槽最佳水力断面的宽深比为17.8。
(6)通过理论计算分析,揭示了凸岸型分汊在弯道出口浅区处的近底水流强度随相对弯曲半径R/B2的变化规律,当R/B2≈2.5时浅区流速出现极大值,该结论同相对弯曲半径与浅区水深的河相关系、典型滩段的模型试验结论相吻合;为该类型的浅滩的整治线参数的选取提供了依据。
(7)针对不同汊道河型,总结归纳了整治线与控制工程的一般布置方法。凸岸一级型分汊的进口弯浅、斜流强而碍航;通过在凹岸与洲头长丁顺坝的整治线布置方式,可束窄和归顺水流,增强输沙强度。
凸岸二级型分汊河段枯水心滩的存在对航道条件有利时,可在低矮的心滩上筑顺坝及齿坝固定加高心滩,调整河势由枯水位下“隐形”分汊向心滩出露的“显型”分汊方向转化;若枯水两槽的通航条件均难以满足通航尺度的要求时,可采取“强化一级分汊、弱化二级分汊”的整治线布置方式。