CN109098143A - 一种增强涌潮的人工河道设计方法 - Google Patents

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潘存鸿
潘冬子
曾剑
郑君
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02B3/02—Stream regulation, e.g. breaking up subaqueous rock, cleaning the beds of waterways, directing the water flow
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B1/00—Equipment or apparatus for, or methods of, general hydraulic engineering, e.g. protection of constructions against ice-strains

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Abstract

本发明一种增强涌潮的人工河道设计方法，属于治河工程领域。包括：确定涌潮特征量，确定涌潮入口断面和涌潮欣赏区断面的几何特征关系；确定河道沿潮流方向收缩率三个步骤。本发明提供了一种增强涌潮的人工河道设计方法；利用本发明的方法对感潮河段的河道体型进行设计，河道中的涌潮现象能够得到明显加强，该方法节省了设计成本，降低了施工难度。

Description

一种增强涌潮的人工河道设计方法
技术领域
本发明涉及一种河道型式的设计方法，尤其是一种用于增强涌潮的人工河道设计方法，属于治河工程领域。
背景技术
涌潮是一定条件下存在于河口的特殊水动力现象，涌潮前后存在水位、流速 (流量)的突变。涌潮过后，水位急剧抬升，同时流速从落潮流转变为涨潮流，并在数分钟至数十分钟内流速达到极值。世界上大约有450个河口存在涌潮，但有欣赏价值的涌潮则只有10余条河口，其中钱塘江与巴西的亚马逊河涌潮最为壮观。
有涌潮的河口一般有两个条件，一是在平面上大多为喇叭形，使潮波能量集中，潮差增大；二是河口区要有适当的水深条件，既不能太深，也不能太浅。
至今看到的涌潮景观大多为天然形成，或者因其它目的建造的涉水工程被动的人为造成。随着社会经济的发展，人们对涌潮保护意识的加强，如何通过主动设计，局部调控涌潮景观，使得涌潮既不是太大，有利于防灾；也不能太小，欣赏价值不高。因此，保留现有合适的涌潮景观，调控太大或太小(甚至没有)的涌潮景观，对于涌潮保护和涌潮防灾均具有重要意义。
现有技术中对如何通过河道设计来人为制造涌潮没有有效的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：基于涌潮成因机理和影响因素，设计河道的宽度、水深，人为地产生强度适当的涌潮。
具体而言本发明一种增强涌潮的人工河道设计方法，包括如下步骤：
1)确定涌潮特征量，所述特征量包括：涌潮高度，潮前水深，涌潮流速；
根据长期的观测结果，对于有欣赏价值的涌潮高度大于2m，潮前水深不超过2m，涌潮流速3.5～4.5m；
涌潮高度与潮前水深的比值为0.96及以上。
涌潮流速的设计方法为：
对于旋滚涌潮
式中，下标1表示潮前，h为水深，C为涌潮传播速度，Fr为相对佛汝德数。
人工河道中潮前流速忽略，即v1＝0，则
式中，下标2表示潮后，ΔH为涌潮高度。代入上式，则有
即
涌潮高度的设计方法为：
根据公式
式中h1和h2分别为涌潮前、后水深。
将Fr＝1.7代入上式，则有
设涌潮高度△H
ΔH＝h2-h1
即
2)确定涌潮入口断面，即河道与海边相接断面和涌潮欣赏区断面，即河道上游欣赏涌潮的断面的几何特征关系；
涌潮欣赏区断面面积与涌潮入口断面面积比为：1/3到1/4之间；
涌潮欣赏区水深与涌潮入口断面水深比为：1/1.2到1/2.4之间；
涌潮欣赏区河宽与涌潮入口断面河宽比为：1/2到1/4之间。
对于入口断面，根据一维恒定流估算，则有
式中下标“in”表示涌潮入口断面，下标“end”表示河道末端的涌潮欣赏区，V 表示流速，A表示断面面积，h表示水深，B表示河宽。
设计时要求涌潮入口断面的涌潮高度为0.5m左右。
设则要求Ain＝2.5Aend，考虑到势能的增加、流量沿程减少以及沿程损失，要求
Ain＝(3～4)Aend(公式6)
3)河道沿潮流方向收缩率设计；
设河宽沿潮流方向变化为
Bx＝Bineαx
式中Bx为x处河宽；α为河宽收缩率。则
设断面积潮流方向变化为
Ax＝Aineβx
式中Ax为x处断面积；β为面积收缩率。则
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种增强涌潮的人工河道设计方法；
2、利用本发明的方法对感潮河段的河道体型进行设计，河道中的涌潮现象能够得到明显加强，该方法节省了设计成本，降低了施工难度。
附图说明
图1是本发明河道涌潮入口断面和涌潮欣赏区断面水深比、河宽比及面积比关系示意图；其中下标in表示涌潮入口断面、end表示涌潮欣赏区断面；A为断面面积；B为河宽；h为水深；
图2是本发明沿程河宽和面积变化示意图；其中距离0m表示涌潮入口断面，距离200m表示涌潮欣赏区断面；Bin/Bend＝2.5,Ain/Aend＝4；
图3是本发明河道沿程水深变化示意图；其中距离0m表示涌潮入口断面，距离200m表示涌潮欣赏区断面；Bin/Bend＝2.5,Ain/Aend＝4；
图4是本发明河道体型设计结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一
对于河长为200m的一段感潮河道：
1)确定涌潮特征量，所述特征量包括：涌潮高度，潮前水深，涌潮流速；
根据长期的观测结果，对于有欣赏价值的涌潮高度大于2m，潮前水深不超过2m，涌潮流速3.5～4.5m；
涌潮高度与潮前水深的比值为0.96。
2)确定入口断面和涌潮欣赏区的几何特征关系；
涌潮欣赏区断面面积与涌潮入口断面面积比为：1/3到1/4之间；
涌潮欣赏区水深与涌潮入口断面水深比为：1/1.2到1/2.4之间；
涌潮欣赏区河宽与涌潮入口断面河宽比为：1/2到1/4之间。
河长200m，涌潮入口处宽度为100m，即Bin＝100m；
涌潮入口断面河宽为Bin；
Bx＝Bineαx
设Bin＝100m，则Bend＝100e-0.0046*200＝100*0.399＝39.9≈40(m)
设
Ax＝Aineβx
设Ain＝300m2，则Aend＝300e-0.0069*200＝300*0.2516＝75.47≈75(m2)
根据上述河宽、断面积收缩率公式，可得到沿程河宽和面积。
涌潮欣赏河段为直立式海堤，断面为矩形，即水深h＝断面积A/河宽B。其设计的河宽、面积和水深见图2和图3；其中涌潮入口断面1面积为300m2，涌潮入口断面1水深为3.0m；河道左岸3和河道右岸4为直立海堤，其长度为200m，河道中任何断面的宽度为Bx＝100e-0.0046x，其中x是从涌潮入口断面1到任何断面的距离，河道中任何断面的面积为Ax＝300e-0.0069x。
得到的河道形状图如图4所示。
实施例二
根据图4的河道形状，制作了全钢板衬砌，具体而言钢板衬砌包括以下部分：
钢板支撑桩，用于打入河床底部将钢板固定；
钢板底部龙骨，用于维持钢板底部形状；
钢板底面，作为河床面；
钢板左岸边和钢板右岸边，作为两岸河床；
施工时按照方程Bx＝100e-0.0046x，x每米为单位，宽度根据方程计算值Bx裁切钢板底面和钢板底部龙骨；
钢板左岸边和钢板右岸边最小高度按照下式计算
钢左岸边和钢板右岸边也是x以每米为单位，高度根据上式hx计算值，裁切钢板左岸边和钢板右岸边。
裁切后的形式为三块钢板，尺寸分别为：
钢板底面为等腰梯形：长边宽Bx＝100e-0.0046x米，短边宽Bx+1＝ 100e-0.0046(x+1)米；
钢板左岸边和钢板右岸边均为直角梯形：长边高hx＝3e-0.0023x米，短边高 hx+1＝3e-0.0023(x+1)米；直角边长与钢板底面等腰梯形的腰长相等；
施工时首先将钢板底面与钢板龙骨焊接，将钢板支撑桩焊接在钢板龙骨上，然后将这1m长的等腰梯形钢板底面焊接在钢板龙骨上，最后将组合好的一节河道底面吊装在河道中；
然后将钢板左岸边和钢板右岸边的直角边与钢板底面的两腰焊，完成一节河道的制作安装；
然后将其他节一米一米地安装在原河道中。
对河道进行施工，得到了2.5m高，流速为4m/s的涌潮，取得了经济和景观效益。

Claims (1)

1.一种增强涌潮的人工河道设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)确定涌潮特征量，所述特征量包括：涌潮高度，潮前水深，涌潮流速；
涌潮高度大于2m，潮前水深不超过2m，涌潮流速3.5～4.5m；
涌潮高度与潮前水深的比值为0.96及以上；
2)确定涌潮入口断面和涌潮欣赏区断面的几何特征关系；
涌潮欣赏区断面面积与涌潮入口断面面积比为：1/3到1/4之间；
涌潮欣赏区水深与涌潮入口断面水深比为：1/1.2到1/2.4之间；
涌潮欣赏区河宽与涌潮入口断面河宽比为：1/2到1/4之间；
3)河道沿潮流方向收缩率设计；
河宽沿潮流方向变化为
Bx＝Bineαx
式中Bx为x处河宽；α为河宽收缩率，则
断面积沿潮流方向变化为
Ax＝Aineβx
式中Ax为x处断面积；β为面积收缩率；则
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