长沙理工大学2013年港航专业航道整治课程设计.dox.docx

目 录一、滩险概况 1二、险滩成因及整治方案 2三、设计标准的确定和推算 2附图1：床沙粒径级配曲线图 8四、整治建筑物的布置 9附图2：整治线宽度和整治水位计算图 10五、水力计算及结论11附图3:3#丁坝断面冲於条件计算图13附图4：5#丁坝断面图14附图5:2#丁坝断面图15附图6:4#丁坝断面图16六、施工建议和要求18七、工程量计算19附图7：3#丁坝断面设计及工程量计算图20参考文献资料21一、滩险概况该浅滩位于湘江湘钢附近，河床属于沙质，河宽为600700m，一般枯水期水深较浅，妨碍航行。该浅滩属正常浅滩，上边滩较高，下边滩较低，边滩与深槽相互对应分布，上、下深槽相互对峙而不交错，它的两侧具有较高的边滩。上、下深槽在平面上相互交错，下深槽的上端（倒套）窄而深，边滩较低，横向漫滩水流强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹斜窄，浅滩冲淤变化较大。该浅滩右岸有一钢铁厂，需要取水，故要求整治时不封死右边滩，预留水道，设计水位时分流量不小于15m/s。中枯水期，水流向上深槽漫越上沙咀流向下深槽，形成扇形水流，水流分散，水深不足，严重影响航行，需要整治。二、险滩成因及整治方案该浅滩形成的原因是多方面的，但主要是水流分散，边滩较低，导致水流归槽时间迟，由于上边滩较高，水流到达过渡段后，下边滩较低，河面比上面宽，使水流流速减小，挟沙能力减弱，形成淤积。横向漫滩水流比较强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹不明显，浅滩冲於变化较大。根据浅滩成因可知，滩险形成的主要原因是河面过宽，边滩低，故应针对这些因素采取相应的措施，制定整治方案如下：束窄河面，加高下边滩，使流速增大，形成对浅滩的冲刷。采取这些措施后，可使中枯水位时，水流归槽早，冲刷时间增加。具体实施方案如下：左边沿整治线布置一顺坝，起到引导水流、束狭河床的作用。考虑到右岸有钢铁厂取水需要，故整治河段应设计成人工分汊河段，而且在设计水位时右汊分流量应不小于15m/s，因此须在右岸岸边预留水道河面宽度；再在河中修筑丁坝，使水流集中，流速增大，达到冲刷目的，同时也满足了钢铁厂的取水要求。主航道整治线宽度可按总的整治线宽度减去预留水道河面宽度确定。三、 设计标准的确定和推算（一）航道基本尺度确定：I航道水深：航道标准水深包括船舶的标准吃水和富余水深，即H=T+H 式中：H航道水深（m） T船舶吃水（m） H富余水深（m）取T=1.62m ，H=T+H1+d按沙质河床浅滩考虑，触底安全富余量d=0.4m船舶航行下沉量H1=mTH v 船长船宽=709.8=7.1428m/s 查表采用内插法求得m=0.00158 v取20km/h ，即取5.56m/sTH取0.877 H1=0.001580.8775.56=0.0457mH=T+H1+d=1.62+0.046+0.4=2.07m则航道水深H=2.07mII直线航道宽度： 采用双向航道，B=2bcos+2Lsin+C1+2C2 式中：B航道宽度； b 船队宽度； L船队长度； 漂角； C1船队间的富余宽度； C2船队与航道边缘间的富余宽度。取b=9.8m L=70m 由于湘江主要为级与级航道，按级至级航道的漂角选用3按平原、丘陵地区航道估算式得：C1=0.7b+4 C2=0.2b+1.2式中：b会船的两船队宽度的平均值，取9.8m则：C1=0.79.8+4=10.86m C2=0.29.8+1.2=3.16m 将式代入式得：B=29.8cos3+270sin3+10.86+23.16=44（m）（二） 浅滩设计水位确定及浅滩床沙分析：I浅滩设计水位确定浅滩上游设有基本水文站，并收集到有浅滩基本水尺与基本水文站的同步水位观测资料，根据这些资料，采用水位相关法确定浅滩设计水位，过程如下：表1 某年枯水期浅滩基本水位与基本水文站水位相关计算表项次浅滩（xi）基站（yi）（xi- x-)（yi- y-)(xi- x-)（yi- y-)(xi- x-)（y- y-)131.35 32.28 0.550.360.30 0.13 0.20 231.61 32.67 0.810.750.66 0.56 0.61 332.28 33.12 1.881.23.53 1.44 2.26 432.61 33.22 1.811.33.28 1.69 2.35 532.27 33.05 1.471.132.16 1.28 1.66 631.84 32.81 1.040.891.08 0.79 0.93 731.75 32.58 0.950.660.90 0.44 0.63 831.29 32.38 0.490.460.24 0.21 0.23 931.15 32.21 0.350.290.12 0.08 0.10 1030.92 32.11 0.120.190.01 0.04 0.02 1130.85 32.00 0.050.080.00 0.01 0.00 1230.82 31.95 0.020.030.00 0.00 0.00 1330.78 31.88 -0.02-0.040.00 0.00 0.00 1430.70 31.84 -0.1-0.080.01 0.01 0.01 1530.64 31.81 -0.16-0.110.03 0.01 0.02 1630.55 31.80 -0.25-0.120.06 0.01 0.03 1730.53 31.76 -0.27-0.160.07 0.03 0.04 1830.44 31.70 -0.36-0.220.13 0.05 0.08 1930.37 31.58 -0.43-0.340.18 0.12 0.15 2030.32 31.56 -0.48-0.360.23 0.13 0.17 2130.30 31.54 -0.5-0.380.25 0.14 0.19 2230.27 31.50 -0.53-0.420.28 0.18 0.22 2330.20 31.44 -0.6-0.480.36 0.23 0.29 2430.18 31.40 -0.62-0.520.38 0.27 0.32 2530.10 31.34 -0.7-0.580.49 0.34 0.41 2629.42 30.82 -1.38-1.11.90 1.21 1.52 2729.39 30.80 -1.41-1.121.99 1.25 1.58 2829.35 30.76 -1.45-1.162.10 1.35 1.68 2930.42 31.63 -0.38-0.290.14 0.08 0.11 总计893.10 925.54 -0.1-0.1420.92 12.07 15.80 平均30.80 31.92 相关系数0.99 根据上表计算相关系数并检验，首先计算均方差： x =（xi- x-)n-1=20.9229-1=0.86 y =（yi- y-)n-1=12.0729-1=0.66 然后计算相关系数：=（xi- x-)（yi- y-)（xi- x-)（yi- y-)=15.8020.9212.07=0.99显著水平检验：n=29，n-2=27；显著水平取0.01，查工程水文学教材表4-8得0.01=0.4687.因为=0.990.01=0.4687，故是显著的，可以进行相关分析计算，关系是密切的。建立回归方程，首先计算回归系数： Ry/x= y x =0.990.660.86=0.76 Rx/y= x y =0.990.860.66=1.29建立y倚x的回归方程： y- y-= Ry/x（x-x-） 即y-31.92=0.76（x-30.80）得到水位相关方程为： y=0.76x+8.51 根据回归方程插补延长y系列得到水位相关图如下图1：图1 基本站与浅滩水位相关图由于上游基本水文站设计水位为30.40m，以y=30.40代入式得：30.40=0.76x+8.51 解得 x=28.80m即得到浅滩 Z设=28.80m再由浅滩设计水位推求整治水位。根据经验数值法，有整治水位超高值a= Z整- Z设式中： Z整整治水位（与整治建筑物头部齐平的水位）根据该河段整治航道经验有a：0.8m1.5m 可取a=1.0，则有： Z整= Z设+a=28.80+1.0=29.80（m）II浅滩床沙分析以下表2为筛分资料统计表：表2 泥沙筛分资料统计表筛孔直径（mm）筛内泥沙重量（g）通过累积百分率（%）700.00%545.048.00%322.5212.00%211.2614.00%139.4121.00%0.533.7827.00%0.25101.3445.00%0.1197.0580.00%0.05112.6100.00%总重563由浅滩沙样筛分资料可绘得浅滩泥沙级配曲线如附图1。由附图1知：d50=0.20mm d65=0.15mm（三） 浅滩成因分析：I分析浅滩的组成、特性、成因在地形图上找出水深小于通航水深的区域，并圈之。从地形图所圈区域看出，该浅滩为正常浅滩。 组成情况：边滩与深槽相互对应分布，上、下深槽相互对峙而不交错，它的两侧具有较高的边滩。鞍凹明显，且宽度较小，顺直，鞍凹水深较大，航槽位置稳定，浅滩的冲淤变化不大。 形态特征：上、下深槽在平面上相互交错，下深槽的上端（倒套）窄而深，边滩较低，横向漫滩水流强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹斜窄或无明显鞍凹，浅滩冲淤变化较大。 水流特征：浅滩鞍凹轴线与各级水位下的水流方向夹角均较小，流路集中，过渡段长度适当，水流平顺。 浅滩成因：主要是水流分散，边滩较低，导致水流归槽时间迟，由于上边滩较高，水流到达过 渡段后，下边滩较低，河面比上面宽，使水流流速减小，挟沙能力减弱，形成淤积。横向漫滩水流比较强烈，浅滩脊宽浅，鞍凹不明显，浅滩冲於变化较大。II确定整治措施 根据浅滩成因，即是因为河面宽、边滩低而形成的，所以根据以上原因确定整治方案：束窄河面，加深下边滩，使水流流速增大，形成对浅滩的冲刷，这样整治可使中、枯水时水流归槽，冲刷时间增加。 具体情况是：考虑左边用顺坝引导水流，束窄河面。右边考虑到钢铁厂取水，而且在设计水位时河面宽不小于50m，水流量不小于15m/s，所以在河中间修筑丁坝，使水流集中，流速增大，达到冲刷目的，同时也满足钢铁厂的取水要求。四、 整治建筑物的布置I确定整治水位和整治线宽度在地形图上选用-断面，绘得该断面断面图如附图2。采用“流速控制法”确定整治水位和整治线宽度：浅滩整治水位 Z2=29.80m 浅滩设计水位 Z3=28.80m由相关方程y=0.76x+8.51可推求得：基本站整治水位 Z2=31.16m 基本站设计水位 Z3=30.40m根据上游基本水文站低水位时水位流量相关方程：Q=504Z-15060（m/s）可求得：整治流量Q2=50431.16-15060=644.64 m/s设计流量Q3=50430.40-15060=261.60 m/s综合考虑整治流量与设计流量，可假设一个整治线宽度B2=380m通过划分流带，进行水流平面图的计算，并结合断面图可估算得：(1)整治断面面积A整=Ai=1391 整治水位时各流带垂线平均流速V2cp=Q2A整=644.64831=0.78m/s整治断面平均水深H整=A整B=1391680=2.04m整治断面起动流速VC=6d6513H16=6（0.1510-3）132.0416=0.36m/s则有：满足V2cpVC（2）设计断面面积A设=Ai=730 设计水位时的垂线平均流速V3cp=Q3A设=261.60730=0.35m/s设计水位水面宽度B=372m设计断面平均水深H设=A设B=730380=1.92m根据当地情况，可求得：起动流速VC=6d6513H16=6（0.1510-3）131.9216=0.36m/s止动流速VH=3.83d6513H16=3.83（0.1510-3）131.9216=0.23m/s则满足： 设计水位下：VHV3cpVC即取整治线宽度B2=380m合理，根据计算值可取整数，最终取B2=380m.II布置整治线由于右岸有钢铁厂取水需要，预留大于50m的河宽，因此在布置整治线时要留取80m左右的河面宽度用于右岸取水，其余300m布置在左岸，如平面地形布置图所示。在上深槽，整治线依托主导河岸（右岸），在下深槽，整治线依托左岸主导河岸。在上深槽段布置380m宽的整治线，在下深槽布置300m宽的整治线，中间以圆滑的整治线平滑连接。III整治建筑物布置在上深槽以上区域有一支汊，为引导水流避免淤积，可在浅滩头部布置1#顺坝，坝长220m，在该坝下游340m处布置3#丁坝，即在II-II断面布置3#丁坝，坝长为110m，布置时丁坝间距约为12倍坝长；在距离3#丁坝330m的III-III断面上布置5#丁坝，长为70m，此时已接近下深槽，由于丁坝的收缩断面恰好在深槽上一点，能将浅滩较好地冲刷，因此左岸不必再加丁坝，只布置1#、3#、5#丁坝。在整治线的右侧与钢铁厂之间，布置2#、4#丁坝。其中2#坝布置在鱼嘴头部，垂直水流方向，长为50m。在鱼嘴尾部处布置4#丁坝，坝长为90m。 五、 水力计算及结论I校核设计水位时右岸预留水道分流量要求右汊分流量Q右设15m/s，点绘3#、5#、2#、4#坝断面的图形，其中3#、5#坝断面为左汊控制面，2#、4#坝断面为右汊控制断面。由于 （各汊落差） 假设： （各汊糙率） （各汊长度）可推得： 式中：；、-各控制断面河面宽和平均水深； m-控制断面个数，本设计取丁坝断面为控制断面；、-各汊流量和总流量。(1)左汊控制断面：3#坝断面设计水位时：B3=380m H3=1.06m则K3=3801.0653=418.76同理B5=380m H5=1.45m则K5=3801.4553=705.88所以K左=12（K3+K5）= 418.76+705.882=562.32(2)右汊控制断面：2#坝断面设计水位时：B2=54m H2=0.83m则K2=540.8353=39.58同理B4=54m H4=0.74m则K4=540.7453=32.69所以K右=12（K2+K4）=39.58+32.692=36.14则有=562.32261.6562.32+36.14=245.8m/s=36.14261.6562.32+36.14=15.8m/s15m/s因此根据设计要求，右汊分流量符合要求。II计算整治水位时丁坝断面流场选择3#坝断面进行计算，如果，则满足冲刷条件。其中：，冲刷流速（沙莫夫公式）式中，-为第流带平均流速。-为第流带床沙冲刷流速（或大量泥沙起动流速）。 -用浅滩床沙之。 -整治前流带平均水深。整治水位时左汊航道Q整左=583.17m/s由流场计算表（见附图3）可得：K=Q整左bihi53=583.17628.69=0.93在航道范围（44m）以内，包含于5号流带。 Vp5=6d6513Hcp516=6（0.1510-3）131.9316=0.36 m/s所以V5=1.44m/sVp5满足冲刷要求。III计算整治水位时3#丁坝断面平均流速Vp整要求整治水位时，B3=380m A3=778所以H3=A3B3=778380=2.05m 而Q整左=583.17m/s所以Vcp整=Q整左A3=583.17778=0.75m/s又因为Vp整=6d6513H316=6（0.1510-3）132.0516=0.36m/s所以Vcp整Vp整=0.750.36=2.081.3显然比值过大，冲刷比较强烈，说明整治线较窄，满足冲刷要求。IV冲刷厚度估算（根据经验公式计算）式中，-冲刷厚度。 -床沙中不可冲走泥沙的百分数。 -系数，冲刷初期用0.25，冲刷后期用0.40。对于3#丁坝断面：Vcp整=0.75m/s Hcp整=2.05m所以d=（0.7562.0516）3=1.364mm由d查床沙粒径级配曲线得：P=17.5%所以h=0.25100-17.517.5=1.179m在冲刷h后，A=A3+h B3=778+1.179380=1226.06Vcp整= Q整左A=583.171226.06=0.48m/sHcp=AB3=1226.06380=3.23m所以d=（0.4863.2316）3=2.849mm查床沙粒径级配曲线得：P=12.2%所以h=0.25100-12.212.2=1.799mh=12h+h=121.179+1.799=1.489m所以冲刷效果良好，满足航深的要求，说明整治线的布置很合理。六、施工建议和要求I坝体与河岸的连接坝体紧接河岸的一段丁坝结构应尽量设计成斜坡面连接，以引导水流流向河心，保护坝根。II坝根处理由于该河段是沙质基床，颗粒松散容易冲刷，为了保护坝根，应把坝体嵌入河束内，岸边加护岸工程。III整治效果估计 大部分上游来沙淤积于坝田内，下边滩会被冲深，初期冲刷强烈，可以使浅滩水位加深，达到设计要求，解决碍航问题。七、工程量计算I丁坝断面设计丁坝断面设计成梯形，顶宽2m，上游边坡比取1:1.5，下游边坡取1:2。丁坝断面面积为A=12h（4+3.5h）式中：h坝高 II丁坝坝身设计 为了防止丁坝在高水位时全部淹没于水中，而引起河床变化，将坝面设计成斜面，取1:100的坡比，但在接近岸的一端采用1:50的坡比。 III坝头设计由于坝头处水流作用强烈，且有绕流作用，故坝头宜做成圆滑曲线，向河坡坡度取1:50. IV计算3#丁坝的工程量（见附图7）由计算图可得：总工程量=55.298+130.52+113.34+356.1+347.83+280.56+284.66+244.58=1812.90（m）参考文献1. 程昌华、刘晓平.航道工程学.北京交通人民出版社2. 胡旭跃.航道整治.人民交通出版社，2008年3. 高大钊、袁聚云.土质学与土力学.人民交通出版社，2007年4. JTJ312-2003航道整治工程技术规范.北京交通部发布