冲积河流航道整治设计参数确定方法研究

论文摘要

欧美国家航道治理的经验教训表明,强制性的整治并不能从根本上改变河床固有的演变特性,对河流的自然属性干预过大必然会带来更为严重的问题。充分考虑水沙条件与河床演变规律,利用河流自身特点,通过较少的工程措施,引导其向有利于通航条件改善的方向发展是更为科学的航道整治思路。这就要求作为浅滩整治工程基础的参数设计能够反映河段演变特性、浅滩冲淤规律及航道条件要求,并方便使用。而且水库下游河床处于非平衡调整过程中,浅滩演变规律会发生一定变化,航道条件也会随之出现许多新问题,部分河段甚至可能恶化。因此,水库下游非平衡条件下的整治参数更需要以能够准确反映工程作用的方法为基础,结合水库修建前后的差异分析确定。保证航道整治工程符合河床演变的一般规律,同时又能解决具体河段的特殊问题一直是整治参数确定的重点和要求。然而,目前枯水浅滩航道整治设计参数与河床演变规律之间关系的研究多是针对具体整治河段展开,综合性研究成果进展较为缓慢。虽然参数确定方法逐渐发展,但各方法之间的相互关系及其理论基础仍然不够完善,以至于不同方法确定的结果相差较大,更有些复杂河段无法应用。本文对航道整治设计理论及参数确定方法进行了系统分析和改进,综合考虑河床演变规律与航道整治工程作用,以浅滩碍航淤积量为结点,将产生淤积的水沙过程、河床冲淤、浅滩演变与消除碍航影响的通航设计水位、整治参数、整治建筑物联系到一起,力图概化影响因子,选取典型变量改进参数确定方法,使其能够反映水沙特性、浅滩类型、演变规律及航道等级。如此即便在水库下游非平衡条件下,通过合理选择变量值,仍能够适用,进而保证了水库修建前后工程设计的一致性。研究特色在于将河流动力学及河床演变研究成果与航道工程理论相结合,从基本概念层面完善整治参数理论体系,探讨各确定方法的理论支持与不足;通过分析不同类型浅滩演变规律及参数确定影响因素,提出整治工程保证率概念,并与能够反映浅滩碍航特性及航道等级的碍航淤积量、有效冲刷时间共同引入整治线宽度确定方法,给出了不同类型浅滩整治线宽度确定公式和河流动力学统一公式。论文结合长江中下游航道整治实例,分析了应用中存在的问题,采用改进公式进行试算,取得了较好效果,对进一步开展理论研究和工程技术运用研究都具有重要参考价值。全文主要讨论了以下几个方面的问题:(1)通过分析水沙条件及河床冲淤变化与航道整治工程设计的关系阐明航道整治设计理论有待健全和完善,提出以河床演变基本规律为指导,体现具体河段浅滩碍航特性的航道设计、整治参数确定方法是水沙条件变化前后航道整治发展的必然要求。(2)归纳总结了平衡状态下河流水沙输移、河床冲淤变化的一般特性,在此基础上对比分析了非平衡条件下水沙变化情况及其下游河道在输沙、河床冲淤等方面的响应;从航道治理角度分析浅滩类型及其演变规律,并总结了水库下游浅滩演变特点,以便于提取反映浅滩碍航特性的变量,为进一步航道整治设计提供理论支持。(3)对现有确定设计最低通航水位的方法进行了总结,重点分析了综合历时曲线法和保证率频率法在保证率取法、计算差值比较及数学表述等方面的区别,获得了取得一致性结论的途径。采用综合历时曲线法校核计算长江中下游重点水文站设计水位,并与保证率频率法计算结果进行了比较,分析结果表明各水文站设计水位在过去二十年内有明显的升降变化。将原有设计水位的概念延伸至非平衡河流河床冲淤变化过程中,提出了以水库调度和下游河段一维数学模型计算为基础的建库后设计水位变化线确定方法,以三峡水库蓄水后下游河段为例,分析了不同蓄水阶段设计水位的主要影响因素、影响过程及变化程度,计算了各站不同时段设计水位,构成非平衡河流设计水位变化线。保证率概念在设计水位确定中使用,实际上它可以贯穿整个航道整治工程设计,包括整治线布置、整治水位、整治线宽度。依据一定保证率确定工程所针对的条件,可起到简化水沙过程,反应工程对河床改变程度的作用。(4)以总体河势控制为前提,分析航道整治参数的基本问题;从航道整治工程特点出发,将其基本概念与河流动力学概念进行区分;总结整治参数影响因素及整治工程分类;与以往认识不同,指出整治线布置是整治水位、整治线宽度确定的基础,航道等级相同时,不同整治线布置方案对应不同碍航淤积量、浅滩冲刷时段,进而有不同整治水位和整治线宽度。总结分析了不同类型浅滩整治线布置原则,引进环流消失理论获得整治线型理论公式用以确定过渡段长度,在长江中游河段取得较好效果。(5)对现有沙质河床枯水整治水位确定方法进行了总结,分析各种方法的适用条件、可对比性;以长江中下游整治工程经验为基础,指出已有方法确定整治水位中存在的不足,依据整治参数影响因素总结了较为适用的方法;分析非平衡条件下整治水位确定方法,提出了在水位变化过程中利用水库下泄流量分级特点,采取两极整治策略,随着河床冲淤发展确定整治水位变化线的方法。(6)在系统分析现有整治线宽度确定方法的基础上,将其归纳为三种模式,剖析了各自的理论支持,针对顺直河段、分汊河段、弯曲河段浅滩整治前后断面冲淤关系,将浅滩演变特征量:碍航淤积量、有效冲刷时间、整治保证率引入整治线宽度确定公式,提出了分别适用于守护型和调整型不同河段的整治线宽度河流动力学方法计算公式,并以碾子湾水道、陆溪口水道及武桥水道为例确定整治线宽度;将非平衡条件下碍航淤积量分解为水沙波动引起和河床单向冲淤引起两部分,根据非平衡河床发展阶段分别确定,从而获得整治线宽度变化线,依据一定保证率,综合确定整治线宽度。(7)以守护型和调整型航道整治工程为标准对主要航道整治建筑物进行了分类讨论,分析了建筑物布置方法、结构形式、主要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 浅滩演变与枯水航道整治
• 1.4 研究思路及内容
• 第2章 冲积河流水沙过程与河床相互作用
• 2.1 平衡河流水沙条件及河床冲淤特性
• 2.2 非平衡河流水沙条件及河床冲淤特性
• 2.3 浅滩演变特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 设计最低通航水位对水沙过程变化的响应
• 3.1 平衡河流通航设计水位
• 3.2 非平衡河流通航设计水位
• 3.3 本章小结
• 第4章 河势控制与航道整治线布置
• 4.1 河势控制及航道整治工程
• 4.2 沙质浅滩航道整治参数
• 4.3 平衡河流航道整治线布置
• 4.4 非平衡河流河势控制及航道整治线
• 4.5 整治线型设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 整治水位确定方法研究
• 5.1 平衡河流整治水位确定方法
• 5.2 长江中下游浅滩段整治水位
• 5.3 非平衡河流整治水位确定
• 5.4 本章小结
• 第6章 整治线宽度确定方法研究
• 6.1 平衡河流整治线宽度确定方法
• 6.2 整治线宽度确定方法改进
• 6.3 整治线宽度公式的基本形式
• 6.4 长江中下游航道整治线宽度确定
• 6.5 非平衡河流整治线宽度确定
• 6.6 整治水位及整治线宽度联合求解方法
• 6.7 本章小结
• 第7章 沙质浅滩枯水航道整治建筑物
• 7.1 守护型建筑物及其作用
• 7.2 调整型建筑物及其作用
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 作者攻读博士学位期间主要发表论文
• 作者攻读博士学位期间主要参加课题