CN104264625B - 一种基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法，其发明点在于设置了整治滩险航道水流需满足的两个控制条件，即单宽流量控制条件和比降控制条件，并根据该控制条件通过水利模拟试验获取潜坝规格数据来进行施工治理。所述控制条件中，充分考虑了河床的联动情况和比降原理，大幅减少了模型试验组数及提高了整治滩险成功的概率，并使得最终获取的潜坝数据实施后能够更好地提高航道尺度，改善水流流态，防止航槽内泥沙淤积；同时，本发明的潜坝，具有结构简单，实施方便快捷，实施成本低廉，强度和抗冲击性好，使用寿命长的优点，非常适合山区河流使用。

Description

一种基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法

技术领域

本发明属于河流治理领域，具体涉及一种基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法。

背景技术

山区河流主要流经山区和多数丘陵地区，具有水位暴涨暴落，河道坡陡流急等特点。长江、黄河、珠江、岷江以及澜沧江等水系的干流上游和不少支流都是山区河流。在山区河流中，存在急、浅、险等碍航滩险，对航运产生较大维护，需通过整治来满足航运需要。到目前为止，水上运输任是最经济、最环保的交通运输方式。特别是在中国中西部地区，铁路公路运输成本大，又有长江黄金水道，所以对长江上游等山区河流的航运开发越来越受到政府的重视。

从总体的河型分析，对于山区河流卵石滩群类型的大部分河段大致由顺直或微弯的深槽河段与弯道卵石滩群构成，与之对应的河段比降缓陡相间。深槽河段的航道稳定，比降较缓，长度较长，可以起到对上下游连接的卵石滩群的缓冲调节作用，当整治与之相连的卵石滩群时，水流条件的改变和比降的调整可以通过该河段协调而不会传递到另一端的卵石滩群河段。而当深槽较短，整治某一卵石险滩后，其影响将传递到相邻的卵石险滩，如2006年长江上游斗笠子险滩整治后，由于其出口输沙路径的改变，致使下游东溪口的左边滩加快淤积，挤占航道。导致下游航道变窄，影响船舶通航。在做航道整治设计时，为扩大整治滩险航道尺度，改善船舶航行条件，传统的设计理念受到了冲击，如何设计一种新的考虑河床联动性的河流整治方法，以满足工程建设的需要，成为本领域人员努力的方向。

要开发山区河流航运潜力，必然会实施航道整治，航道整治需布置航道整治建筑物。而潜坝为较为常见的航道整治建筑物，坝顶位于设计最低通航水位以下，常年淹没于水中。建在急流滩中的潜坝，主要是用于抬高滩口下游水位，减缓滩上流速、比降。对于河床横断面极不规则，深槽吸流形成的浅滩，潜坝用于调整河床断面形态，增大浅区流速，冲刷深槽。在某些河床变动小的浅滩或浅滩下游修筑潜坝或潜坝群，也可以达到壅高浅滩或浅滩水位，增加枯水水深的目的。筑于分汊河段的非通航汊道，以增加通航汊道的流量。

另外，潜坝由于常年淹没于水下，所承受的水流冲击力较大，且山区河流泡多漩大，流态极其紊乱，潜坝易发生水毁。普通的潜坝存在强度不足，整体稳定性较差和使用寿命较短的缺陷。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种充分考虑联动性，能更好地提高航道尺度，改善水流流态，防止航槽内泥沙淤积的基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法；同时进一步使其能够提高航道整治建筑物的自身强度，能抵抗更强的水流冲击力，延长建筑物整体寿命。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法，包括以下步骤：

(1)先根据河床组成判断，如果河床以及滩段组成颗粒的中值粒径大于16mm，同时，上下游两滩之间深槽长度小于下游滩险整治线宽度的3倍，则判断河床属于卵石型河床，上下游滩段相互联动属于卵石型滩群，可以适用以下方法；

(2)确定需要整治的滩群后，然后先按照航道走势、规划线形并依据河流的水文特征、河床物质组成、冲淤演变特征确定航道整治水位及航道整治线宽度；根据航道整治水位及航道整治线宽度开挖航槽；

所述步骤(1)、步骤(2)为公知技术手段的集合，具体过程不在此详述；

本发明的特点在于，还包括以下步骤，

(3)整治滩险单宽流量调控：

卵石滩群航槽开挖后，河床会自动调整，形成新的稳定航槽，稳定航槽的床沙处于临界起动，即应满足：

$q=\mathrm{kH}\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}\mathrm{gd}}{\left(\frac{H}{d}\right)}^{1/6}$

式中：q为单宽流量，单位为m²/s；H为整治水位时水深，一般为航道设计水深+整治水位高度，单位为m；g为重力加速度，一般取9.8m/s²；d为河床床砂中值粒径，单位为m；γ_s为床沙重度，一般取2.65；γ为水重度，一般取1.0；

(4)整治滩险比降控制：

纵向调控关键在于滩群河段比降协同调整，可以通过布置整治建筑物，合理分配滩群河段的比降实现滩群河段纵向调控，即滩群整治后水面比降应满足以下两式

$J\≤\frac{0.8}{155+\frac{C^{2}H}{2g}}$

$J\≤\frac{\mathrm{\η}\sqrt{{\mathrm{gd}}^3}}{q}$

式中：J为滩段整治后比降；C为谢才系数，H为整治水位时水深，单位为m；g为重力加速度，一般取9.8m/s²；d为河床床砂中值粒径，单位为m；η为平整床面与沙垄临界参数，一般取0.3；q为单宽流量，m²/s；

(5)根据待整治滩险的水文、地形等实测资料，采用物理模型或数值模拟的方法进行研究试验，试验时在上下游滩险之间的河床上设置模拟潜坝和其他整治建筑物，试验过程中，根据步骤(3)和步骤(4)中的控制条件，对潜坝进行调节试验，根据试验确定出潜坝规格(主要指潜坝的位置以及长度规格和高度规格)，使其试验过程中的滩险单宽流量和滩险比降能够满足步骤(3)和步骤(4)的公式要求；

(6)根据步骤(5)获取的潜坝数据，设置实体潜坝。

上述方案中，对现有技术做出重要贡献的核心地方，在于从河流塑造原理出发，提出了基于比降协调原理的卵石滩险联动整治方法，设置了步骤(3)和(4)中的两个控制条件，并根据该控制条件通过模拟试验获取潜坝规格。避免了整治下游滩险而导致上游滩险航道条件恶化。由于步骤(3)和(4)的控制条件中，充分考虑了河床的联动情况和比降原理，大幅减少了模型试验组数及提高了整治滩险成功的概率，并使得最终获取的潜坝实施后能够更好地提高航道尺度，改善水流流态，防止航槽内泥沙淤积，提高山区河流航运效益。

作为优化，所述步骤(6)中，实体潜坝设置具体包括以下步骤：

a、先获取若干边长为1.2-1.4m的正四面体，正四面体一般采用水泥砼结构预制得到，正四面体的一个单面中部或者一个尖端上方向外固定设置有用于起吊的钢筋支耳；

b、在潜坝设置位置，将正四面体按照层状分布吊抛入河床内，最底层的正四面体尖端向上相邻排布抛设，从下到上每层正四面体尖端方向依次相反，使其堆积形成横截面整体呈梯形的坝体；

c、坝体背水坡铺设一层预制的扭王字块；

d、所述坝体高度超过4m时，坝体背水坡底部向外延伸形成有背水坡镇脚，背水坡镇脚宽度为5m左右，背水坡镇脚采用500kg左右的石块堆积得到，背水坡镇脚的表面和背水侧均铺设有一层扭王字块。

这样优化后，针对山区水流条件，采用了边长为1.2-1.4m的预制正四面体堆积得到坝体，该正四面体为统一规格的体积重量，采用钢筋支耳方便吊设实施，吊设时采用正反颠倒顺序叠加，提高与河床的结合效果，且堆积后具有足够的强度和稳固性，能够更好地抵制较强水流的冲击，提高潜坝抗冲性，既延长了使用寿命，又节省了制造成本和养护时间。同时，坝体背水坡铺设有一层扭王字块。扭王字块为一种常用于海堤中预防海浪冲击的现有构件，用于此处，能够很好地避免坝体背水坡受跌水冲击而损坏，延长坝体整体寿命。坝体高度超过4m时，背水坡底部设置的镇脚，一来可以更好地提高坝体整体抗冲击力，避免坝体被冲垮；二来可以形成二次跌水，降低背水坡的跌水冲击高度，降低跌水冲击效果。同时镇脚外表面也铺设了一层扭王字块，以更好地抵抗跌水冲击，提高对坝体的保护效果，延长坝体寿命。

作为优化，所述坝体坝顶宽5m左右，迎水坡坡度为1：2左右，背水坡坡度为1：3左右。

该数据为根据经验值以及水力试验得到，具有山区河流针对性，能够更好地提高坝体稳定性并延长坝体寿命。

作为优化，所述正四面体，每条边长长度为1.2-1.4m，钢筋支耳由直径为22mm的钢筋得到。

该数据为根据经验值以及试验得到，能够更好地保证正四面体稳定性，同时确保钢筋的强度能够满足正常施工吊设使用。

相对于现有技术，本发明具有以下显著优点：

1、从河流塑造原理出发，基于比降协调原理，提出的基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法更加符合水流运动特性，因势利导；

2、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，设置了滩险航槽内的水流控制条件，大幅减小了模型试验组成；

3、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，能节约工程投资，增加工程效益。

4、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，能改善航道条件，增加船舶通过能力。

5、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，能减小整治后维护工程量及维护几率。

6、通过采用潜坝结构，对重点水毁部位进行了加强，能避免高速的水流将坝体底部掏空，抗冲性增大，使用寿命延长。

附图说明

图1为本发明实施时采用潜坝的坝体横截面结构示意图。

图2为本发明实施时，潜坝中采用的一种正四面体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：一种基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法，包括以下步骤：

(1)先根据河床组成判断，如果河床以及滩段组成颗粒的中值粒径大于16mm，同时，上下游两滩之间深槽长度小于下游滩险整治线宽度的3倍，则判断河床属于卵石型河床，上下游滩段相互联动属于卵石型滩群，可以适用以下方法；

(2)确定需要整治的滩群后，然后先按照航道走势、规划线形并依据河流的水文特征、河床物质组成、冲淤演变特征确定航道整治水位及航道整治线宽度；根据航道整治水位及航道整治线宽度开挖航槽；

还包括以下步骤，

(3)整治滩险单宽流量调控：

卵石滩群航槽开挖后，河床会自动调整，形成新的稳定航槽，稳定航槽的床沙处于临界起动，即应满足：

$q=\mathrm{kH}\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}\mathrm{gd}}{\left(\frac{H}{d}\right)}^{1/6}$

式中：q为单宽流量，单位为m²/s；H为整治水位时水深，一般为航道设计水深+整治水位高度，单位为m；g为重力加速度，一般取9.8m/s²；d为河床床砂中值粒径，单位为m；γ_s为床沙重度，一般取2.65；γ为水重度，一般取1.0；

(4)整治滩险比降控制：

纵向调控关键在于滩群河段比降协同调整，可以通过布置整治建筑物，合理分配滩群河段的比降实现滩群河段纵向调控，即滩群整治后水面比降应满足以下两式

$J\≤\frac{0.8}{155+\frac{C^{2}H}{2g}}$

$J\≤\frac{\mathrm{\η}\sqrt{{\mathrm{gd}}^3}}{q}$

式中：J为滩段整治后比降；C为谢才系数，H为整治水位时水深，单位为m；g为重力加速度，一般取9.8m/s²；d为河床床砂中值粒径，单位为m；η为平整床面与沙垄临界参数，一般取0.3；q为单宽流量，m²/s；

(5)根据待整治滩险的水文、地形等实测资料，采用物理模型或数值模拟的方法进行研究试验，试验时在上下游滩险之间的河床上设置模拟潜坝和其他整治建筑物，试验过程中，根据步骤(3)和步骤(4)中的控制条件，对潜坝进行调节试验，根据试验确定潜坝规格(主要指潜坝的位置以及长度规格和高度规格)，使其试验过程中航槽内的单宽流量和比降能满足步骤(3)和步骤(4)的公式要求；具体的调节试验过程为本领域公知常识，不在此详述，本发明对现有技术重要贡献的地方在于提供了独特的控制条件进行调节，确保了采用的潜坝规格具有良好的整治效果。

(6)根据步骤6获取的潜坝数据，设置如图1所示的实体潜坝。

其中所述步骤7中，实体潜坝设置具体包括以下步骤：

a、先获取若干边长为1.2-1.4m的正四面体2(如图2)，正四面体2一般采用水泥砼结构预制得到，正四面体2的一个单面中部或者一个尖端上方向外固定设置有用于起吊的钢筋支耳6；所述正四面体，每条边长长度为1.3m，钢筋支耳由直径为22mm的钢筋得到。

b、在潜坝设置位置，将正四面体2按照层状分布吊抛入河床5内，最底层的正四面体尖端向上相邻排布抛设，从下到上每层正四面体尖端方向依次相反，使其堆积形成横截面整体呈梯形的坝体1；所述坝体1坝顶宽5m左右，迎水坡坡度为1：2左右，背水坡坡度为1：3左右。

c、坝体背水坡铺设一层预制的扭王字块3；

d、所述坝体高度超过4m时，坝体背水坡底部向外延伸形成有背水坡镇脚4，背水坡镇脚4宽度为5m左右，背水坡镇脚4采用500kg左右的石块堆积得到，背水坡镇脚4的表面和背水侧均铺设有一层扭王字块3。

相对于现有技术，本发明具有以下显著优点：

1、从河流塑造原理出发，基于比降协调原理，提出的基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法更加符合水流运动特性，因势利导；

2、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，设置了滩险航槽内的水流控制条件，大幅减小了模型试验组成；

3、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，能节约工程投资，增加工程效益。

4、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，能改善航道条件，增加船舶通过能力。

5、通过采用基于比降协调原理的卵石滩群联动整治方法，能减小整治后维护工程量及维护几率。

6、通过采用潜坝结构，对重点水毁部位进行了加强，能避免高速的水流将坝体底部掏空，抗冲性增大，使用寿命延长。

同时，本发明获得的潜坝，具有结构简单，实施方便快捷，实施成本低廉，强度和抗冲击性好，使用寿命长的优点，非常适合山区河流使用。

Claims (4)

1.一种基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法，包括以下步骤：

(1)先根据河床组成判断，如果河床以及滩段组成颗粒的中值粒径大于16mm，同时，上下游两滩之间深槽长度小于下游滩险整治线宽度的3倍，则判断河床属于卵石型河床，上下游滩段相互联动属于卵石型滩群，可以适用以下方法；

(2)确定需要整治的滩群后，先按照航道走势、规划线形并依据河流的水文特征、河床物质组成、冲淤演变特征确定航道整治水位及航道整治线宽度；根据航道整治水位及航道整治线宽度开挖航槽；

其特征在于，还包括以下步骤，

(3)整治滩险单宽流量调控：

卵石滩群航槽开挖后，河床会自动调整，形成新的稳定航槽，稳定航槽的床沙处于临界起动，即应满足：

$q=kH\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}gd}{\left(\frac{H}{d}\right)}^{1/6}$

式中：q为单宽流量，单位为m²/s；H为整治水位时水深，为航道设计水深+整治水位高度，单位为m；g为重力加速度，取9.8m/s²；d为河床床砂中值粒径，单位为m；γ_s为床沙重度，取2.65；γ为水重度，取1.0；

(4)整治滩险比降控制：

纵向调控关键在于滩群河段比降协同调整，可以通过布置整治建筑物，合理分配滩群河段的比降实现滩群河段纵向调控，即滩群整治后水面比降应满足以下两式

$J\≤\frac{0.8}{155+\frac{C^{2}H}{2g}}$

$J\≤\frac{\mathrm{\η}\sqrt{{\mathrm{gd}}^3}}{q}$

式中：J为滩段整治后比降；C为谢才系数，H为整治水位时水深，单位为m；g为重力加速度，取9.8m/s²；d为河床床砂中值粒径，单位为m；η为平整床面与沙垄临界参数，取0.3；q为单宽流量，m²/s；

(5)根据待整治滩险的水文、地形等实测资料，采用物理模型或数值模拟的方法进行研究试验，试验时在上下游滩险之间的河床上设置模拟潜坝和其他整治建筑物，试验过程中，根据步骤(3)和步骤(4)中的控制条件，对潜坝进行调节试验，根据试验确定出潜坝规格，使其试验过程中的滩险单宽流量和滩险比降能够满足步骤(3)和步骤(4)的公式要求；

(6)根据步骤(5)获取的潜坝数据，设置实体潜坝。

2.如权利要求1所述的基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法，其特征在于，所述步骤(6)中，实体潜坝设置具体包括以下步骤：

a、先获取若干边长为1.2-1.4m的正四面体，正四面体采用水泥砼结构预制得到，正四面体的一个单面中部或者一个尖端处向外固定设置有用于起吊的钢筋支耳；

b、在潜坝设置位置，将正四面体按照层状分布吊抛入河床内，最底层的正四面体尖端向上相邻排布抛设，从下到上每层正四面体尖端方向依次相反，使其堆积形成横截面整体呈梯形的坝体；

c、坝体背水坡铺设一层预制的扭王字块；

d、所述坝体高度超过4m时，坝体背水坡底部向外延伸形成有背水坡镇脚，背水坡镇脚宽度为5m，背水坡镇脚采用500kg的石块堆积得到，背水坡镇脚的表面和背水侧均铺设有一层扭王字块。

3.如权利要求2所述的基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法，其特征在于，所述坝体坝顶宽5m，迎水坡坡度为1：2，背水坡坡度为1：3。

4.如权利要求2所述的基于比降原理的山区河流卵石滩群联动整治方法，其特征在于，所述正四面体，每条边长长度为1.2-1.4m，钢筋支耳由直径为22mm的钢筋得到。