CN107630435A - 一种冲击河流整治线宽度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲击河流整治线宽度确定方法，包括：根据泥沙冲刷总量相同原则，推导冲积河流整治水位与整治线宽度的关系式；初步确定整治水位及整治线宽度；按照河道防洪控制要求调整得到新的整治水位；根据所述关系式及新的整治水位求得新的整治线宽度。本发明推导出了冲积河流整治水位与整治线宽度的关系式，具有普遍适用性；同时考虑了防洪要求和通航要求，对整治工程中整治参数的确定具有实践指导意义；本发明适用范围广泛，特别适用于有防洪要求河段的整治工程中整治参数的确定。
Description
技术领域
本发明涉及一种冲击河流整治线宽度确定方法，属于航道整治技术领域。
背景技术
在进行冲积河流航道整治设计时，整治水位和整治线宽度是十分重要的两个基本参数，对整治效果和工程造价起决定性作用。尽管航道整治通常都是基于低水整治理念，不过整治水位一般位于设计最低通航水位之上，具有一定的超高值，可能与河道防洪控制产生一定程度的矛盾。必要时，需要对整治水位进行适当调整，以便同时满足防洪与通航的需求。因此，合理确定整治水位与整治线宽度，并根据需要加以调整一直以来都是人们关注的焦点。
在航道整治设计时，整治水位通常是独立确定的。整治水位的确定方法主要有超高设计水位法、平边滩水位法和临界水位法等，实质都是经验方法；整治线宽度的确定方法主要有经验方法、水力学计算方法和河流动力学方法等，但均是在整治水位给定的基础上再行确定。至于整治水位与整治线宽度之间的关系研究则成果相对较少，其主要适应于特定河段，普遍适用性不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种冲击河流整治线宽度确定方法，解决现有技术中整治线宽度的确定方法普遍适用性不足的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种冲击河流整治线宽度确定方法，包括如下步骤：
根据泥沙冲刷总量相同原则，推导冲积河流整治水位与整治线宽度的关系式；
初步确定整治水位及整治线宽度；
按照河道防洪控制要求调整得到新的整治水位；
根据所述关系式及新的整治水位求得新的整治线宽度。
所述泥沙冲刷总量相同原则是指：对于同一浅滩的不同整治水位，在整治水位降至设计水位期间上游来沙量与洪水期浅滩上泥沙淤积量之和相同。
推导冲积河流整治水位与整治线宽度关系式的具体方法如下：
以∑GS表示水流输沙能力，以表示两种不同整治参数组合下水流输沙能力，基于拟整治浅滩“泥沙冲刷总量相同”原则，则有
∑GS1＝∑GS2 (1)
水流输沙能力∑GS的计算公式如下：
式中：g为浅滩整治后的单宽输沙率；B为采取整治工程措施后的河宽；T为浅滩的冲刷时间；
取T为整治水位降至设计水位的历时时长，则式(2)可写为：
式中：TZ、TS分别为整治水位和设计水位对应的时刻；
假设β即为水位随时间的变化率，将式(3)积分换元，可得：
式中：ZZ、ZS分别为整治水位和设计水位高程；
近似认为g在整治水位降至设计水位期间也是线性变化的，那么，式(4)可写为：
式中：BZ、BS分别为整治水位和设计水位对应的河面宽度；ΔZ＝ZZ-ZS为整治水位超高值；
由于设计水位时浅滩无需冲刷，此时的断面输沙率则有：
式中：为整治水位对应的断面输沙率；
用沙莫夫的底沙断面输沙率公式代替式(6)中的并代入等式(1)中得到：
式中：K为常系数；D为泥沙平均粒径；U为断面平均流速，U＝Q/BH；H为断面的平均水深，H＝H(ΔZ)；Q为整治水位对应的断面流量，Q＝Q(ΔZ)；B为河面宽度；UH为止动流速，UH＝3.83D1/3H1/6；n为指数；
D1、D2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后河床推移质的平均泥沙粒径，d1＝d2；
U1、U2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的断面平均流速；
H1、H2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的断面平均水深；
UH1、UH2分别为不同整治水位对应的止动流速；
ΔZ1、ΔZ1分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的水位超高值；
BZ1、BZ2分别为不同整治水位对应的河面宽度；
将式(7)中改写为则式(7)可以化简为：
化简后可得：
整理式(9)最后得：
m为经验参数，Q1、Q2分别为不同整治水位对应的水位流量。
经验参数m根据断面平均流速与止动流速的比值进行选取。
将拟整治浅滩的水位与水文站相关，根据水位流量关系曲线确定水位流量Q。
利用经验法、水力学方法或河流动力学方法确定初步确定整治水位及整治线宽度。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：推导出了冲积河流整治水位与整治线宽度的关系式，具有普遍适用性；同时考虑了防洪要求和通航要求，对整治工程中整治参数的确定具有实践指导意义；本发明适用范围广泛，特别适用于有防洪要求河段的整治工程中整治参数的确定。
附图说明
图1为浅滩冲刷示意图；
图2为BZ2/BZ1理论计算值与试验值的对比图；
图3为公式理论值BZ2/BZ1～ΔZ2/ΔZ1关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种冲击河流整治线宽度确定方法，包括如下步骤：
根据泥沙冲刷总量相同原则，推导冲积河流整治水位与整治线宽度的关系式；
在冲积河流中，浅滩是普遍存在的河床形态，也是碍航的主要原因。为改善航行条件，在整治碍航浅滩时，一般通过丁坝、顺坝等束水整治建筑物，束窄河面宽度，引导水流尽早归槽，增大浅滩的冲刷强度和冲刷时间，使得洪水期淤积的泥沙冲刷至下游，保证最低通航水位时的设计航深要求。
整治水位决定浅滩的冲刷时间，整治线宽度决定浅滩的冲刷强度，两者综合决定浅滩的整治效果。对于同一河段的同一浅滩，在整治效果相同的前提下，若整治水位定得较高，则整治线宽度可取得大一些，反之则可取得相对小一些。
水位高于整治水位时，整治建筑物的束水作用甚小，水流的输沙能力与整治前基本相同，因此可以忽略整治水位以上的冲刷时段，而认为冲刷时间主要集中在整治水位降至设计水位的时段。在此段时段内，洪水期淤积在浅滩上的泥沙与上游来沙需要输送至下游，两者数量之和用∑GS表示，简称为需要冲刷总量，或者冲刷总量。其中，洪水期淤积的泥沙对于不同的整治水位而言是相同的，只是在此期间上游来沙有所不同。考虑到水位降至整治水位以后，水流输沙最剧烈时期已经过去，不同整治水位所对应的上游来沙虽有不同，但相差不大。因此可以假定：对于同一浅滩的不同整治水位，在降至设计水位期间的上游来沙相同。也就是说，对于不同整治水位，其所需冲刷泥沙总量相同。实际上，如果以较高的整治水位为基准，这样的假定是偏于安全的。浅滩冲刷示意图详见图1。
推导整治水位与整治线宽度之间关系式的具体方法如下：
以表示两种不同整治参数组合下，水位由整治水位下降至设计水位期间水流所具有的泥沙输移能力，其量值等于在此期间上游来沙量以及洪水期浅滩上的泥沙淤积量之和。基于拟整治浅滩“冲刷总量相同”原则，则有
∑GS1＝∑GS2 (1)
由于式(1)等号左右的公式结构一样，为了推导过程更加简洁，先研究没有下标的水流输沙能力∑GS，有：
式中：g为浅滩整治后的单宽输沙率；B为采取整治工程措施后的河面宽度；T为浅滩的冲刷时间。
取T为整治水位降至设计水位的历时时长，则式(2)可写为：
式中：TZ、TS分别为整治水位和设计水位对应的时刻。
借用张幸农，孙波在《冲积河流航道整治线宽度的研究》(泥沙研究,2002,(05):48-53.)的论文中的处理方法，认为：由于整治水位至设计水位的历时不长，水位随时间基本上呈线性变化关系，可假设β即为水位随时间的变化率，将式(3)积分换元，可得：
式中：ZZ、ZS分别为整治水位和设计水位高程。若又近似地认为g在此时段内也是线性变化的。那么，式(4)可写为：
式中：BZ、BS分别为对应整治水位和设计水位的河宽；ΔZ＝ZZ-ZS为整治水位超高值。
由于设计水位时浅滩无需冲刷，此时的断面输沙率则有：
式中：为整治水位对应的断面输沙率。
用沙莫夫的底沙断面输沙率公式代替式(6)中的并代入等式(1)中得到：
式中：K为常系数；D为泥沙平均粒径；U为断面平均流速，U＝Q/BH；H为断面的平均水深；BZ为整治水位对应的河面宽度；n为指数，一般为1/6～1/4；UH为止动流速，可采用沙莫夫公式UH＝3.83D1/3H1/6；下标1,2分别代表不同整治参数组合对应的物理量。
为方便计算，将式(7)中改写为则式(7)可以化简为：
化简后可得：
整理式(9)最后得：
m为经验参数，应根据断面平均流速与止动流速的比值进行选取，根据以往的经验取值范围为1.26～5.36。
公式中相关物理量的确定：
式(10)中，D1、D2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后河床推移质的平均泥沙粒径，可以近似地认为两者相同，也就是D1＝D2；
Q1、Q2分别为不同整治水位时的流量，其为整治水位的函数Q＝Q(Z)，也就是整治水位超高的函数Q＝Q(ΔZ)。在具体确定时，可将拟整治浅滩的水位与水文站相关，然后根据水位流量关系曲线加以确定；
H1、H2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的断面平均水深，其也是整治水位的函数H＝H(Z)，也就是整治水位超高的函数H＝H(ΔZ)。
综上，则式(10)可以化简为：
也就是，整治线宽度缩窄率是整治水位超高值ΔZ1、ΔZ2的函数。
初步确定整治水位及整治线宽度，具体如下：
按照传统方法确定整治参数，对于整治水位，可以运用经验取值法、平滩水位法或者临界水位法等加以确定，在此基础上，进一步利用经验法、水力学方法或河流动力学方法确定整治线宽度，获得第一组整治参数组合(ΔZ1,BZ1)。
按照河道防洪控制要求调整得到新的整治水位，根据所述关系式及新的整治水位求得新的整治线宽度：
运用公式(10)确定同时满足防洪与通航需求的整治参数。按照河道防洪控制要求调整整治水位得到新的整治水位超高值ΔZ2，确定相关物理量Q2、H2和经验参数m并代入到公式(10)中，求得新的整治线宽度BZ2，整治参数组合(ΔZ2,BZ2)将同时满足防洪与通航的需求。
验证整治水位与整治线宽度之间关系公式的正确性
(一)数学模型试验
肖立敏在《顺直微弯河段整治水位与整治线宽度对航道整治效果影响研究》(南京水利科学研究院，2007.)的硕士论文中通过建立顺直微弯河段平面二维水流泥沙数学模型，在取得模型相似验证的基础上，设计了3种整治水位和3种整治线宽度共9组整治参数组合的试验方案，其中整治水位分别为设计水位以上1m、2m以及3m，整治线宽度分别为1100m、1000m以及900m。研究了不同整治水位下整治线宽度变化对浅滩整治效果的影响，并绘制了不同整治水位下整治线宽度与浅滩平均冲刷深度之间的关系曲线。
基于浅滩“整治效果相同”原则，对肖立敏硕士论文中9组方案的试验数据进行处理选用，获取不同浅滩冲刷深度对应的不同整治参数组合(ΔZ1,BZ1)和(ΔZ2,BZ2)，最后得到多组试验值
(二)物理模型试验
曹民雄、蔡国正等人在《长江中游弯道段浅滩整治参数及方法研究》(南京水利科学研究院，2008.)的报告中通过对右汊为主年份的监利河段地形进行滩槽综合概化，在概化模型验证的基础上，设计了5种整治参数组合的动床试验方案，5种整治参数组合(Z,BZ)分别为(24.60m,1000m)，(24.65m,800m)，(24.70m,600m)，(23.65m,800m)，(22.70m,600m)，试验得到了不同整治参数组合下工程区浅滩断面的平均冲刷深度。
同样的，基于浅滩“整治效果相同”原则，对该物理模型的试验数据进行处理选用，获取不同浅滩冲刷深度对应的不同整治参数组合(ΔZ1,BZ1)和(ΔZ2,BZ2)，最后也得到多组试验值
(三)公式验证
在肖立敏《顺直微弯河段整治水位与整治线宽度对航道整治效果影响研究》(南京水利科学研究院，2007.)的硕士论文中，试验取的整治流量较小，整治断面的平均流速与止动流速的比值U/UH也就较小，对应取m值为5.36，确定相关物理量并代入到公式(10)中，求出理论计算值BZ2/BZ1；而在曹民雄、蔡国正等人《长江中游弯道段浅滩整治参数及方法研究》(南京水利科学研究院，2008.)的报告中，试验中的流量为中水流量，整治断面的平均流速与止动流速的比值U/UH适中，对应取m值为2.22，确定相关物理量并代入到公式(10)中，求出理论计算值BZ2/BZ1。
将上述BZ2/BZ1的理论计算值与试验值进行比较，比较结果详见图2。由图2可知，公式的理论计算值与试验值吻合较好。
关于整治线宽度与整治水位关系：
针对肖立敏《顺直微弯河段整治水位与整治线宽度对航道整治效果影响研究》(南京水利科学研究院，2007.)硕士论文中的工况，可分别求出不同整治线宽度与整治水位之间的关系，结果详见图3。图3中横坐标ΔZ2/ΔZ1为整治水位差之比，纵坐标BZ2/BZ1为整治线宽度比。由图3可知：若ΔZ2/ΔZ1减小，BZ2/BZ1也会减小，也就是在降低整治水位时，通过缩窄整治线宽度可以达到相同的浅滩整治效果；反之，若ΔZ2/ΔZ1增大，BZ2/BZ1也会增大，也就是在提高整治水位的同时，可以适当放宽整治线宽度。因此，在浅滩整治效果相同的前提下，可以选取多种不同整治参数组合。
以上具体实施方式是对本发明提出的一种冲击河流整治线宽度确定方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
本发明的具体实施方式中凡为涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
Claims (6)
1.一种冲击河流整治线宽度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据泥沙冲刷总量相同原则，推导冲积河流整治水位与整治线宽度的关系式；
初步确定整治水位及整治线宽度；
按照河道防洪控制要求调整得到新的整治水位；
根据所述关系式及新的整治水位求得新的整治线宽度。
2.根据权利要求1所述的冲击河流整治线宽度确定方法，其特征在于，所述泥沙冲刷总量相同原则是指：对于同一浅滩的不同整治水位，在整治水位降至设计水位期间上游来沙量与洪水期浅滩上泥沙淤积量之和相同。
3.根据权利要求2所述的冲击河流整治线宽度确定方法，其特征在于，推导冲积河流整治水位与整治线宽度关系式的具体方法如下：
以∑GS表示水流输沙能力，以表示两种不同整治参数组合下水流输沙能力，基于拟整治浅滩“泥沙冲刷总量相同”原则，则有
∑GS1＝∑GS2 (1)
水流输沙能力∑GS的计算公式如下：
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</mrow>
式中：g为浅滩整治后的单宽输沙率；B为采取整治工程措施后的河宽；T为浅滩的冲刷时间；
取T为整治水位降至设计水位的历时时长，则式(2)可写为：
<mrow>
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<mi>&Sigma;G</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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式中：TZ、TS分别为整治水位和设计水位对应的时刻；
假设β即为水位随时间的变化率，将式(3)积分换元，可得：
<mrow>
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式中：ZZ、ZS分别为整治水位和设计水位高程；
近似认为g在整治水位降至设计水位期间也是线性变化的，那么，式(4)可写为：
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式中：BZ、BS分别为整治水位和设计水位对应的河面宽度；ΔZ＝ZZ-ZS为整治水位超高值；
由于设计水位时浅滩无需冲刷，此时的断面输沙率则有：
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式中：为整治水位对应的断面输沙率；
用沙莫夫的底沙断面输沙率公式代替式(6)中的并代入等式(1)中得到：
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式中：K为常系数；D为泥沙平均粒径；U为断面平均流速，U＝Q/BH；H为断面的平均水深，H＝H(ΔZ)；Q为整治水位对应的断面流量，Q＝Q(ΔZ)；B为河面宽度；UH为止动流速，UH＝3.83D13H16；n为指数；
D1、D2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后河床推移质的平均泥沙粒径，D1＝D2；
U1、U2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的断面平均流速；
H1、H2分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的断面平均水深；
UH1、UH2分别为不同整治水位对应的止动流速；
ΔZ1、ΔZ1分别为不同整治水位对应的浅滩整治后的水位超高值；
BZ1、BZ2分别为不同整治水位对应的河面宽度；
将式(7)中改写为则式(7)可以化简为：
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化简后可得：
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整理式(9)最后得：
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m为经验参数，Q1、Q2分别为不同整治水位对应的水位流量。
4.根据权利要求3所述的冲击河流整治线宽度确定方法，其特征在于，经验参数m根据断面平均流速与止动流速的比值进行选取。
5.根据权利要求3所述的冲击河流整治线宽度确定方法，其特征在于，将拟整治浅滩的水位与水文站相关，根据水位流量关系曲线确定水位流量Q。
6.根据权利要求3所述的冲击河流整治线宽度确定方法，其特征在于，利用经验法、水力学方法或河流动力学方法确定初步确定整治水位及整治线宽度。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109811713A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-05-28 | 中国水利水电科学研究院 | 一种中小流域生态防洪堤的构建方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2334841C2 (ru) * | 2006-07-19 | 2008-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС) | Способ регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале |
| CN104294792A (zh) * | 2014-10-15 | 2015-01-21 | 重庆交通大学 | 一种河流浅滩航道整治方法 |
| CN104631392A (zh) * | 2015-01-19 | 2015-05-20 | 河海大学 | 一种基于河相关系的航道整治设计方法 |
-
2017
- 2017-10-31 CN CN201711040880.5A patent/CN107630435A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| RU2334841C2 (ru) * | 2006-07-19 | 2008-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС) | Способ регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале |
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| Title |
|---|
| 王秀英等: "长江中下游整治线宽度确定方法研究", 《泥沙研究》 * |
Cited By (1)
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| CN109811713A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-05-28 | 中国水利水电科学研究院 | 一种中小流域生态防洪堤的构建方法 |
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